五轴联动加工中心摆轴的检测分析
2021-2-24 来源： 中国航发上海商用航空发动机制造有限责任 作者：陈亚林 张续林 张瑞
摘要：随着五轴联动加工中心在机械加工领域的广泛应用，对于五轴联动加工中心摆轴的检测受到技术人员的关注。传统测量方法受测量光路被遮挡的影响，不能实现全程测量。因此，提出了针对摆轴的测量光路和方法，旨在保证全程测量摆轴的精度。
关键词：五轴联动加工中心 摆轴 检测
近几年，我国机械加工产业越来越发达，五轴加工技术得到广泛应用，特别是在航空航天、汽车、精密机械加工以及模具等产品的曲面加工中，有着非常好的表现。五轴联动加工中心相比传统的三轴加工中心，可使加工刀具在 5 个角度上进行定位与连接，对加工中心的摆轴有着更高的要求。因此，怎样科学检测五轴联动加工中心的摆轴精度值得技术人员思考。
1、简述五轴联动
设备中存在 5 个坐标轴，其中有 3 个直线坐标轴，分别是 X 轴、Y 轴、Z 轴，还有 2 个旋转坐标轴，分别是 C轴和 A 轴。它们被计算机数控系统控制，可以协调运行并进行数控加工，这样的设备就是五轴联动加工中心。A 轴同 C 轴组合到一起。加工过程中，工件被固定到工作台，这时加工中心的 5 个轴可以对除去底面外其他 5个面进行加工。A 轴、C 轴间最小的分度值通常是 0.001°，还能将工件详细划分成任何的角度，进而实现倾斜孔和倾斜面的加工。A 轴和 C 轴联合 X、Y、Z 直线轴，能借助数控系统、伺服系统和软件，对更加复杂的空间曲面进行加工。通常看见的立式五轴联动的加工中心，一般设置 2 个可回转的轴。其中，一个为工作台的回转轴，轴心线是 X轴方向，±90°进行摆动，是摆轴，也叫做 A 轴；另一个为工作台中间回转台，环绕着 Z 轴进行 360°的回转，将其定为 C 轴。在五轴联动的加工中心中，X、Y、Z 轴和 C 轴需要被检测精度，主要应用的技术手段比较成熟。X、Y、Z轴检测时，一般以双频激光干涉仪为主。针对回转的 C 轴，检测时以双频激光干涉仪配合回转分度器进行，还可以用传统正多面棱体配合自准直仪实现检测。
但是，检测 A 轴时主要为角分度检测，仪器可选择正多面棱体结合自准直仪，还可以选择双频激光干涉仪回转分度器。然而，全部依照 C 轴检测方法，不能实现全行程之内的测量，这是由于 A 轴会转动，所以工作台会遮挡部分测量的光路不能继续检测，仅仅能检测到部分角度，因此不可对 A 轴的全部行程范围精度进行判定。
2、五轴联动加工中心摆轴的检测
2.1 设计摆轴的全行程检测测量光路
因为 A 轴的测量光路会被工作台遮挡，所以需要重新设计摆轴的测量光路。经研究后得出测量方案，方案的基本原理：利用升高准直仪与可转角反射镜进行对准，经可以转角的反射镜实现 90°的光路转向，以规避工作台遮挡测量光路的问题，也可以看成在空中角度俯视瞄准到正多面棱体，进而实现测量。此方案中选择 0.5" 的双轴精密模式自准直仪，配合正24 面的棱体当成测量的主标准。与自准仪配合的迅速找像设施是激光干涉仪。为更有效地保证自准仪可以稳定和可靠地测量读数，推荐使用主机大、三脚架稳定的 ML10
型号的激光干涉仪。
2.2 找正调整摆轴的测量光路
找正调整的步骤如下：
一是将加工中心的 A 轴的轴心上部密封盖取下，然后安装提前制作的特殊夹具。转动 A 轴并调整特殊夹具偏心量，使用打表法调到 0.02mm 之内，安装正 24 面的棱体，使 0°的测量面向上。
二是借助磁性表座，将转角反射镜吸附到机床的主轴部位。
三是激光干涉仪上放置自准直仪，调整激光干涉仪的水平度，使激光束能够瞄准到可转角的反射镜上。缓慢移动，同时左右调动可转角的反射镜，也要调整激光干涉仪的主机俯仰度、左右度、高低位置，使激光束途经正多面棱体的测量面反射的光汇入激光干涉仪所带反射孔中。此调节是想让平行摆放在激光干涉仪之上自准仪所带测量光轴与激光束保持平行。
四是需要使用卷尺测量自准直仪物镜中心同激光干涉仪的出光孔之间的距离，一般为 130mm。然后，减小激光干涉仪三脚架的工作台距离，促使自准直仪的物镜下降到激光干涉仪的出光孔所在的位置。
五是左右方向上调动自准直仪，保证其可以借助可转角的反射镜和正多面棱体的测量面反射到飞机像。
六是针对激光三脚架的左右平移位置和高低升降的位置进行微动调整，保证自准直仪中视场所见反射的飞机像最亮，然后进行检测。
2.3 检测摆轴全称精度的方法
将五轴联动加工中心的摆轴的检测光路进行正确调整后，可以开始检测 A 轴的全程精度。具体的检测标准和规范很多，如数字控制坐标定位精度和重复测定，数控轴线定位精度和重复定位精度，GB/T 17421.2-2000 的机床检验通则中第 2 部分，VDI ／ DGQ3441
德国机床行业标准等。可以根据用户的具体要求进行测量，当自准直仪的视场中找出通过的正多面棱体所反射出的飞机像后进行压线的读数，间隔为 15°，可以从 -90°循环至 +90°。全部行程需要来回测量 5 遍，才能保证测量准确度。假设依照德国的机床标准进行评价，当第一次检测完毕后，摆轴定位精度是 8.7”时，重复精度是 1.5”，也就有反向量差是 0.6”。
此时的定位精度较大，需要针对精度做一些补偿处理。但是，技术人员应当知晓，不同加工中心所使用的控制系统并不相同，因此在精度补偿方面也不同。常用 HEIDE NHAIN系统经过补偿后再次测量精度，摆轴定位精度是 7.2" 时，重复精度是 1.2"，也就有反向量差是 0.4"，满足标准。
3、结语
综上所述，针对五轴联动加工中心一定要实现全程测量摆轴精度，才能更好地进行机械加工，保证加工的精度，提升整体加工的品质。
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