1 引言
隨著現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已越來(lái)越顯示其優(yōu)越的性能。尤其是五軸加工中心的應(yīng)用，大大提高了機(jī)床的加工效率。數(shù)控機(jī)床上加工的每一個(gè)工件加工質(zhì)量很大程度上都依賴于數(shù)控機(jī)床自身性能及精度，因此在加工精度較高的工件之前，有必要對(duì)機(jī)床的精度進(jìn)行檢測(cè)與校驗(yàn)[1-2]，以確保工件的加工質(zhì)量。
2 五軸加工中心精度檢測(cè)的必要性
近年來(lái)，高速鐵路保持著較快速度的發(fā)展，高速動(dòng)車組的需求量也較大，公司先后從歐洲引進(jìn)了十多臺(tái)大型五軸龍門(mén)加工中心，以保證高速動(dòng)車組車體、側(cè)墻、車頂、底架、端墻等大部件的批量化加工，這些加工設(shè)備大多為工作臺(tái)長(zhǎng)為60M 的大型五軸龍門(mén)加工中心，其結(jié)構(gòu)性能復(fù)雜，價(jià)格昂貴，技術(shù)先進(jìn)，采用雙工位加工，生產(chǎn)效率高。其檢測(cè)、維護(hù)保養(yǎng)的項(xiàng)目也較多，機(jī)床的可靠性與精度診斷的問(wèn)題較為突出，曾出現(xiàn)過(guò)由于機(jī)床A 軸軸偏致使加工后的大部件過(guò)切而報(bào)廢的情況，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此非常有必要在加工前對(duì)機(jī)床的精度進(jìn)行檢測(cè)，以確保機(jī)床各軸位置精度。一般而言，大型數(shù)控加工中心都是解體以后發(fā)運(yùn)給用戶安裝，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試后符合其技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)DIN-NAS 試件測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)以后方可認(rèn)為該機(jī)床達(dá)到加工精度要求。之前，公司在批量化加工過(guò)程中只對(duì)機(jī)床進(jìn)行了日常的維護(hù)保養(yǎng)，未注意到機(jī)床的位置精度檢測(cè)，出現(xiàn)A 軸軸偏以后才將機(jī)床位置精度檢測(cè)納入日常檢測(cè)范圍之內(nèi)，規(guī)定投入生產(chǎn)的加工中心在使用一定周期以后必須進(jìn)行一次位置精度的檢測(cè)，確保機(jī)床位置精度可靠，避免因機(jī)床定位精度問(wèn)題而導(dǎo)致加工出不合格品。
3 五軸加工中心在機(jī)精度的檢驗(yàn)
數(shù)控機(jī)床常見(jiàn)精度要求包括機(jī)床的幾何精度及位置精度[3-5]，著重研究位置精度的檢測(cè)方法。數(shù)控機(jī)床的位置精度包括定位精度、重復(fù)定位精度等。定位精度是指實(shí)際位置與指令位置的一致性。定位精度的差距是檢測(cè)設(shè)備伺服系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)及移動(dòng)部件（如導(dǎo)軌、絲杠集合誤差）的綜合反映，其數(shù)值可判斷設(shè)備本身的精度。重復(fù)定位精度是指條件相同進(jìn)行若干次操作所得到精度的一致程度。受伺服系統(tǒng)特性、傳動(dòng)鏈變形、剛性變化以及摩擦引起的熱變形等原因的影響，數(shù)控機(jī)床的重復(fù)定位精度直接影響工件的加工精度及一致性，因而是檢驗(yàn)機(jī)床精度的兩個(gè)重要指標(biāo)。
位置精度傳統(tǒng)采用金屬線紋尺或步距規(guī)、電子測(cè)微計(jì)、準(zhǔn)直儀等方法進(jìn)行檢測(cè)[5]。
對(duì)精度要求較高的大型數(shù)控加工中心來(lái)說(shuō)，均采用較高精度的激光干涉儀、球桿儀[6]。
在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，激光干涉儀是唯一公認(rèn)的進(jìn)行數(shù)控機(jī)床精度鑒定的儀器，可對(duì)機(jī)床的幾何精度進(jìn)行高精度的檢測(cè)。
4 五軸加工中心在機(jī)檢測(cè)與校驗(yàn)方法
在完成機(jī)床的安裝調(diào)試以后，通常從以下幾個(gè)方面對(duì)加工中心進(jìn)行精度檢測(cè)，包括：工作臺(tái)精度、主軸精度、各坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的直線度、垂直度精度及線性軸線位置定位精度。影響數(shù)控機(jī)床的定位精度的因素是多方面的，機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差是導(dǎo)致定位精度偏差的最主要因素[7]，這就要求我們根據(jù)實(shí)際使用情況以及具體生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行綜合分析，以便從根本上保證數(shù)控機(jī)床定位精度的實(shí)現(xiàn)，從而使數(shù)控機(jī)床在企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮應(yīng)有的作用。
現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床的誤差參數(shù)檢測(cè)方法，主要分兩大類：（1）單項(xiàng)誤差參數(shù)直接測(cè)量法；（2）綜合誤差測(cè)量參數(shù)辨識(shí)法[8]。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法效率低，精度不高，而且需要各種儀器設(shè)備，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。在此討論一種五軸加工中心精度在機(jī)檢測(cè)與校驗(yàn)的快速方法，以提高機(jī)床精度的檢測(cè)效率。
如圖1、表1 所示，利用雷尼紹測(cè)量系統(tǒng)的高精度特點(diǎn)，選用的是RMP60 雷尼紹接觸式探頭，該無(wú)線測(cè)量探頭帶有遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸在2.4GHZ 的頻率下工作對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量中只須很低的接觸力和很小的行程，便能獲得很高的精度。在機(jī)床工作臺(tái)導(dǎo)軌上安裝標(biāo)準(zhǔn)塊，通過(guò)高精度的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)塊按照?qǐng)D表1所示的測(cè)量位置分別進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的各軸精度測(cè)量值存儲(chǔ)在R參數(shù)中，如表1 存放在（R11～R28）中，將結(jié)果與預(yù)設(shè)各軸精度設(shè)定參數(shù)（R61～R68）（程序中設(shè)定）進(jìn)行比較，比較出來(lái)的值通過(guò)邏輯關(guān)系判斷，可通過(guò)西門(mén)子高級(jí)編程顯示功能MSG（“”）將所測(cè)結(jié)果顯示在操作顯示屏上，操作者只需在加工之前運(yùn)行在機(jī)檢測(cè)與校驗(yàn)程序即可，從而確定機(jī)床定位精度是否在工藝要求的公差范圍之內(nèi)。
通過(guò)運(yùn)用上述方法，操作者只需按照預(yù)定程序運(yùn)行，查看屏幕顯示的結(jié)果是否“OK”即可，簡(jiǎn)單易懂，在十幾分鐘內(nèi)就能完成五軸加工中心定位精度、重復(fù)定位精度的精確檢測(cè)，給工件加工之前提供加工精度的安全保障，便于加工過(guò)程的執(zhí)行與機(jī)床的管理。
利用雷尼紹測(cè)量及840D 系統(tǒng)編程如下：（摘選）
EXTERN Cycle730 （VAR REAL [3]，VAR REAL [3]，VAR REAL，
VAR REAL，VAR REAL）
……
；----------------- 標(biāo)準(zhǔn)塊定義--------------
R80=115.063 ; LENGTH IN X
R81=114.937 ; LENGTH IN Y
R82=-10 ; MEASURE DEEP
；---------------------------------------------
R90=R80/2
R91=R81/2
R92=R90
R93=-R90
R94=R91
R95=-R91
；--------------- 定義各軸精度------------------
R61=0.15 ; +/- X-AXIS
R62=0.15 ; +/- Y-AXIS
R63=0.15 ; +/- Z-AXIS
R64=0.15 ; +/- A-AXIS IN MOVEMENT C0 C180
R65=0.07 ; +/- A-AXIS SLACKNESS
R66=0.15 ; +/- A-AXIS AGAINST MOVEMENT C0 C180
R67=0.2 ; +/- C-AXIS IN MOVEMENT A-90 A90
R68=0.07 ; +/- C-AXIS SLACKNESS
；------------ 定義編程坐標(biāo)系-------------
$P_UIFR[1，X，TR]= ****
$P_UIFR[1，Y，TR]= ****
$P_UIFR[1，Z，TR]= ****
STOPRE
；------------ TOOLCHANGE ---------------
T14
M6
D1
……
；------------- X-AXIS -------------
G0 A0 C0
G0 X100 Y0
Setval[0] = SET（R92，0
，R82）
TcD[0] = SET（1，0
，0
）
Cycle730（Setval，TcD，StO，DeO，Rtp）
R11=R4
G0 Z300
……
；（依次對(duì)其余各軸的定位精度及重復(fù)定位精度進(jìn)行測(cè)量）
AUSWERT:
；************* X-AXIS ************
IF ABS（R11）>R61
MSG（"MEASURE X-AXIS IS NOT OK"）
_ERROR=1
M0
ELSE
MSG（"MEASURE X-AXIS IS OK"）
M0
ENDIF
MSG（""）
……
；（依次對(duì)其余軸的定位精度及重復(fù)定位精度進(jìn)行判斷）
M17
5 檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明
因此，當(dāng)加工一件公差要求比較嚴(yán)格的工件時(shí)，使用雷尼紹球桿儀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)塊，能夠很高精度的獲得機(jī)床的定位精度及重復(fù)定位精度，從而決定機(jī)床是否可以正常加工工件，此種方法只需操作者運(yùn)行預(yù)定程序即可，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)效率高，檢測(cè)結(jié)果直接顯示在屏幕上，直觀易懂，能夠有效的避免非常昂貴的加工件變?yōu)閺U品的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果顯示為“NOT OK”時(shí)，操作者只需通知工程技術(shù)人員解決相關(guān)問(wèn)題即可。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)塊制造費(fèi)用低，安裝方便，該方法可為同行業(yè)提供較好的參考。
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