五軸聯動加工中心擺軸的檢測分析
2021-2-24 來源： 中國航發上海商用航空發動機制造有限責任 作者：陳亞林 張續林 張瑞
摘要：隨著五軸聯動加工中心在機械加工領域的廣泛應用，對于五軸聯動加工中心擺軸的檢測受到技術人員的關注。傳統測量方法受測量光路被遮擋的影響，不能實現全程測量。因此，提出了針對擺軸的測量光路和方法，旨在保證全程測量擺軸的精度。
關鍵詞：五軸聯動加工中心 擺軸 檢測
近幾年，我國機械加工產業越來越發達，五軸加工技術得到廣泛應用，特別是在航空航天、汽車、精密機械加工以及模具等產品的曲面加工中，有著非常好的表現。五軸聯動加工中心相比傳統的三軸加工中心，可使加工刀具在 5 個角度上進行定位與連接，對加工中心的擺軸有著更高的要求。因此，怎樣科學檢測五軸聯動加工中心的擺軸精度值得技術人員思考。
1、簡述五軸聯動
設備中存在 5 個坐標軸，其中有 3 個直線坐標軸，分別是 X 軸、Y 軸、Z 軸，還有 2 個旋轉坐標軸，分別是 C軸和 A 軸。它們被計算機數控系統控制，可以協調運行并進行數控加工，這樣的設備就是五軸聯動加工中心。A 軸同 C 軸組合到一起。加工過程中，工件被固定到工作臺，這時加工中心的 5 個軸可以對除去底面外其他 5個面進行加工。A 軸、C 軸間最小的分度值通常是 0.001°，還能將工件詳細劃分成任何的角度，進而實現傾斜孔和傾斜面的加工。A 軸和 C 軸聯合 X、Y、Z 直線軸，能借助數控系統、伺服系統和軟件，對更加復雜的空間曲面進行加工。通常看見的立式五軸聯動的加工中心，一般設置 2 個可回轉的軸。其中，一個為工作臺的回轉軸，軸心線是 X軸方向，±90°進行擺動，是擺軸，也叫做 A 軸；另一個為工作臺中間回轉臺，環繞著 Z 軸進行 360°的回轉，將其定為 C 軸。在五軸聯動的加工中心中，X、Y、Z 軸和 C 軸需要被檢測精度，主要應用的技術手段比較成熟。X、Y、Z軸檢測時，一般以雙頻激光干涉儀為主。針對回轉的 C 軸，檢測時以雙頻激光干涉儀配合回轉分度器進行，還可以用傳統正多面棱體配合自準直儀實現檢測。
但是，檢測 A 軸時主要為角分度檢測，儀器可選擇正多面棱體結合自準直儀，還可以選擇雙頻激光干涉儀回轉分度器。然而，全部依照 C 軸檢測方法，不能實現全行程之內的測量，這是由于 A 軸會轉動，所以工作臺會遮擋部分測量的光路不能繼續檢測，僅僅能檢測到部分角度，因此不可對 A 軸的全部行程范圍精度進行判定。
2、五軸聯動加工中心擺軸的檢測
2.1 設計擺軸的全行程檢測測量光路
因為 A 軸的測量光路會被工作臺遮擋，所以需要重新設計擺軸的測量光路。經研究后得出測量方案，方案的基本原理：利用升高準直儀與可轉角反射鏡進行對準，經可以轉角的反射鏡實現 90°的光路轉向，以規避工作臺遮擋測量光路的問題，也可以看成在空中角度俯視瞄準到正多面棱體，進而實現測量。此方案中選擇 0.5" 的雙軸精密模式自準直儀，配合正24 面的棱體當成測量的主標準。與自準儀配合的迅速找像設施是激光干涉儀。為更有效地保證自準儀可以穩定和可靠地測量讀數，推薦使用主機大、三腳架穩定的 ML10
型號的激光干涉儀。
2.2 找正調整擺軸的測量光路
找正調整的步驟如下：
一是將加工中心的 A 軸的軸心上部密封蓋取下，然后安裝提前制作的特殊夾具。轉動 A 軸并調整特殊夾具偏心量，使用打表法調到 0.02mm 之內，安裝正 24 面的棱體，使 0°的測量面向上。
二是借助磁性表座，將轉角反射鏡吸附到機床的主軸部位。
三是激光干涉儀上放置自準直儀，調整激光干涉儀的水平度，使激光束能夠瞄準到可轉角的反射鏡上。緩慢移動，同時左右調動可轉角的反射鏡，也要調整激光干涉儀的主機俯仰度、左右度、高低位置，使激光束途經正多面棱體的測量面反射的光匯入激光干涉儀所帶反射孔中。此調節是想讓平行擺放在激光干涉儀之上自準儀所帶測量光軸與激光束保持平行。
四是需要使用卷尺測量自準直儀物鏡中心同激光干涉儀的出光孔之間的距離，一般為 130mm。然后，減小激光干涉儀三腳架的工作臺距離，促使自準直儀的物鏡下降到激光干涉儀的出光孔所在的位置。
五是左右方向上調動自準直儀，保證其可以借助可轉角的反射鏡和正多面棱體的測量面反射到飛機像。
六是針對激光三腳架的左右平移位置和高低升降的位置進行微動調整，保證自準直儀中視場所見反射的飛機像最亮，然后進行檢測。
2.3 檢測擺軸全稱精度的方法
將五軸聯動加工中心的擺軸的檢測光路進行正確調整后，可以開始檢測 A 軸的全程精度。具體的檢測標準和規范很多，如數字控制坐標定位精度和重復測定，數控軸線定位精度和重復定位精度，GB/T 17421.2-2000 的機床檢驗通則中第 2 部分，VDI ／ DGQ3441
德國機床行業標準等。可以根據用戶的具體要求進行測量，當自準直儀的視場中找出通過的正多面棱體所反射出的飛機像后進行壓線的讀數，間隔為 15°，可以從 -90°循環至 +90°。全部行程需要來回測量 5 遍，才能保證測量準確度。假設依照德國的機床標準進行評價，當第一次檢測完畢后，擺軸定位精度是 8.7”時，重復精度是 1.5”，也就有反向量差是 0.6”。
此時的定位精度較大，需要針對精度做一些補償處理。但是，技術人員應當知曉，不同加工中心所使用的控制系統并不相同，因此在精度補償方面也不同。常用 HEIDE NHAIN系統經過補償后再次測量精度，擺軸定位精度是 7.2" 時，重復精度是 1.2"，也就有反向量差是 0.4"，滿足標準。
3、結語
綜上所述，針對五軸聯動加工中心一定要實現全程測量擺軸精度，才能更好地進行機械加工，保證加工的精度，提升整體加工的品質。
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