五轴联动加工中心的精度检测方法

摘要: 对五轴联动加工中心的摆轴( 即A 轴) 全行程精度的检测提出了一种快速有效的解决方案。详细叙述
了该方案的具体操作步骤、注意事项以及在检测过程中采用的测量设备和依据的检测标准，同时对被检轴进行了
有效地精度补偿。

1 、五轴联动简介

五轴联动加工中心是指有五个坐标轴( 三个直线坐标轴: X，Y，Z 轴和两个旋转坐标轴: C，A 轴) ，可在计算机数控( CNC) 系统的控制下同时协调运动进行加工的数控加工设备。

通过A 轴与C 轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A 轴和C 轴最小分度值一般为0. 001°，又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A 轴和C 轴如与XYZ 三个直线轴实现联动，依靠先进的数控系统、伺服系统以及软件的支持可加工出复杂的空间曲面。

常见的立式五轴联动加工中心有两个回转轴，如图1 所示，一个是工作台回转轴，以X 轴方向为轴心线， ± 90°来回摆动，定义为摆轴，也称A 轴; 一个就是设置工作台的中间的回转台，在图示的位置上环绕Z 轴方向360°回转，定义为C 轴。

图1 常见的立式五轴联动加工中心示意图

加工中心XYZ 以及C 轴的精度检测，技术手段现在已经很成熟。XYZ 三个直线轴一般是采用双频激光干涉仪作为标准进行检测，回转C 轴用双频激光干涉仪以及配套的回转分度器检测，或者用传统的正多面棱体配上自准直仪进行角分度检测，这里不再详述。

而对于A 轴，同样是角分度检测，也可用双频激光干涉仪回转分度器或者是正多面棱体和自准直仪作为标准进行检测。但是如果是照搬全套C 轴的检测方法，将无法在全行程内完成测量，因为随着A 轴的转动，工作台将遮挡测量光路，无法继续检测，只能检测到部分角度，也就不能判断A 轴整个行程范围的精度。

2 、摆轴( A 轴) 全行程检测时测量光路的设计

本文以检测德国HEＲMLE 五轴加工中心的A 轴为例，提出一种全面有效的测量方案。哈默五轴中的A轴其摆动范围在－ 90° ～ + 90°之间( 如图2 ～ 图5) ，这也是世上最大行程的摆轴。

在－ 90° ～ + 30°行程内可按C 轴的检测方案进行检测。但随着A 轴绕轴心线的继续摆动，当被检设备运行至+ 30° ～ + 90°区间时，逐渐翻起的工作台挡住了正对着棱体的自准直仪的测量光轴( 如图4 所示) ，仪器无法读数测量，检测中断。经过多次试验最终选用如图2 的检测方案。基本原理就是采用升高准直仪对准可转角反射镜，通过可转角反射镜的90°光路转向，避免了由于加工中心工作台翻转而遮挡住测量光路，相当于从空中俯视瞄准正多面棱体进行测量。

方案采用0. 5″双轴精密自准直仪和正24 面棱体作为测量主标准。激光干涉仪作为自准直仪快速找像的配套设备。同时为了自准直仪在整个测量读数过程中更稳定可靠，推荐选择主机较大，三脚架比较敦实稳固的ML10 型激光干涉仪。

图2 A 轴－ 90°时，工作台垂直于水平面

图3 A 轴0°时，工作台平行于水平面

图4 A 轴+ 45°时，工作台面对于水平面成45°

图5 A 轴+ 90°时，工作台反过来垂直于地面

3 、摆轴( A 轴) 全行程检测时测量光路的快速找正调整

与传统的C 轴检测相比，上述A 轴的检测方案中自准直仪离正多面棱体较远，且转了90°，相比检测C轴而言找远距离直角反射回的光比较困难。经过多次试验与改进，探索出一种快速找光方法。具体检测工作及光路找正调整步骤如下:

1) 取下加工中心A 轴轴心上的密封盖，安装事先加工好的特制夹具。转动A 轴，用打表法调整特制夹具的偏心量至0. 02 mm 内。安装正24 面棱体，使0°测量面朝上。如图1 所示。

2) 把转角反射镜利用磁性表座吸附在机床主轴上( 图6) 。

图6 转角反射镜利用磁性表座吸附在机床主轴示意图

3) 把自准直仪放置在激光干涉仪上，调整激光干涉仪大致水平，并使激光束瞄准可转角反射镜。慢慢转动并左右调整可转角反射镜，同时调整激光干涉仪主机俯仰和左右和高低位置，使激光束经过正多面棱体测量面反射回的光，入射回激光干涉仪的反射孔。

如图5 所示。此步骤的目的是使平行摆放于激光干涉仪上自准直仪的测量光轴平行于激光束。

4) 卷尺测量出激光干涉仪出光孔与自准直仪物镜中心的大致距离D( 约130 mm) 。慢慢降低激光干涉仪三脚架工作台约D 距离，使自准直仪物镜中心( 即自准直仪光轴中心) 降至激光干涉仪出光孔刚才所在位置。

5) 左右微动自准直仪即能看到通过可转角反射镜和正多面棱体测量面反射回的飞机像。

6) 最后通过微动调整激光三脚架左右平移和高低升降位置，自准直仪视场中的反射飞机像最亮，即可进行检测。

4 、摆轴( A 轴) 全行程精度检测方法

正确调整完A 轴的检测光路后，就可以对A 轴进行精度检测了。

首先按客户要求选择检测依据的规范、标准，如最常用的VDI /DGQ3441 德国机床行业标准; GB /T17421. 2 － 2000 机床检验通则－ 第2 部分: 数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定［1］; ISO 230 － 2 － 2014机床试验规则－ 第2 部分: 数字控制坐标定位精度和重复性的测定等等［2 － 3］。

依据标准要求，在自准直仪视场内找到通过正多面棱体反射回的飞机像后，压线读数，每隔15°，从－ 90°检测到+ 90°。整个行程来回测量5 遍即可。首次检测完成后，依据VDI /DGQ3441 德国机床行业标准评定，得到A 轴的定位精度: 8. 7″，重复精度:1. 5″，反向量差: 0. 6″。定位精度略微偏大，就要对精度进行补偿。

众所周知，不同加工中心有不同的控制系统，最常用的有三种: 日本的Fanuc 系统，德国的Siemens 系统和德国HEIDENHAIN 系统。普通加工中心一般采用日本的Fanuc、德国的Siemens 系统，其精度补偿也很普遍，高端进口的加工中心大都用HEIDENHAIN 系统。

这里本次检测HEＲMLE 加工中心的A 轴为例，其精度补偿需进入控制系统PLC，找到A 轴的补偿文件a －chse，输入经计算后得到的( 螺距) 补偿值，如表1 所示。

表1 螺距误差补偿值表

A 轴回零，然后重新检测和评定，得到A 轴最终的检测结果: 定位精度: 4. 2″，重复精度: 1. 2″，反向量差: 0. 4″，符合要求。

5 、结束语

对于A 轴的现场检测，以往只能检测部分行程或者干脆不测。也有采用其他测量标准进行检测的方法，但读数困难，检测效率低。采用上述检测方案后测量效率显著提高，测量不确定度也符合机床检测的标准规范要求。而且激光干涉仪在检完直线轴和C 轴后不用撤离现场，直接放上自准直仪并在主轴上吸上转向反射镜后即可开展检测。唯一不足的是，不同型号的加工中心事先需要加工不同的特制夹具。