双摆角铣头几何精度检测及五轴补偿
主曩：嗣■技术曩奠应用_
I o pl cs
M e as ur lng l ec hn ol o gl es and It s A ppl I C at i ons ．
双摆角铣头几何精度检测及五轴补偿
于春明
刘
波
(沈阳机床(集团) 设计研究院有限公司，辽宁沈阳110142)
4
摘要：双摆角铣头几何精度主要有8项要求。包含了铣头各轴之间的空间位置精度和切削主轴自身的精度
要求。在整个装配和精度控制过程中，首先用机械补偿的方式调整轴线之间的角度偏差，其次是A
轴和C 轴的定位精度和重复定位精度补偿。而最后补偿对R T C P 精度有影响的铣头各轴线之间的位置偏差，从而完成双摆角铣头的整个精度调整，达到设计要求。
关键词：双摆角铣头五轴补偿R T C P 几何精度中图分类号：T H l 61
文献识别码：B
G e om et r y pr eci si on t es t i ng and dynam i c com pensat i on of t he s w i ng m i l l i ng head
Y U C o hunm i ng 。L I U B
M achi ne
1
(Shenyang Tool (G r oup) C o ．，Lt d ．，Shenyang
10142，C H N )
ai n ac cur ac y r e qui r em A bs t r a ct ：G eom et r i c ac cur ac y of sw i ng m i l l i ng head has ei ght m ent s cont a i ni ng t he s pat i al
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双摆角铣头是五轴数控机床的核心功能部件…，动，进而引起前后轴承较高的温升。
轴承在12
000
直驱式双摆角铣头因其“零传动”阻31的结构特点而成
r ／m i n 及15
m i n 、12000
000
r ／m i n ，主轴转速在6
000—7000r ／
r ／m i n 时，刚好主轴的振动频率在
000
r ／m i n 时产生共振，导致温度特性较差，在
主轴固有频率的两倍频率上，进而引起主轴的共振，使前后轴承在主轴转速在12主轴在13
000～15000
加工的时候应避免这电主轴热变形较大区域，其它转
r ／m i n 时温升较快。由速下的轴承温度随着主轴运行时间的增长而升高，而后逐渐趋于平稳，润滑、冷却系统也达到预设状态提供润滑冷却作用，使得主轴单元得以平稳地运转。电主轴单元温度特性测试试验为数控机床的动态研究和设计提供了依据和原始数据，在高档数控机床研究开发中具有非凡的现实意义。
第一作者：李新宁，男，1965年生，副教授，从事机械设计教学研究工作，已发表论文10余篇。
(编辑
文章囊号：131107
如果您想发表对本文的看法。请将文章奠号填入读者意冤疆童衰中韵相应位置。
r ／m i n 时温升的曲线可以看
出，轴承温度随着主轴运行时间的增长而升高，而后逐渐趋于平稳，润滑、冷却系统也达到预设状态提供润滑冷却作用，使得主轴单元得以平稳地运转，使主轴的温度变化稳定在设计温控范围之内。4结语
通过测试试验数据——电主轴温升曲线图进行了电主轴温度特性分析，找到了电主轴前后轴承温升最快的转速区域：6
000—7000r ／m i n 、9000r ／m i n 、12000
李静)
(收稿日期：2013—04—26)
固等等等
、
，
{高档控机床与基础制造装备科技重大专项(2009Z X 04011—012)
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Topi cs ：M easur i ng Technol og i es and It s A pp l i ca t i ons ‘
为双摆头的主要发展方向。由于双摆角铣头自身便拥有五轴中的两个轴，且集成了切削主轴，因此3个轴线
之问的空间相对位置偏差直接影响整个双摆角铣头的
检测项目，但是主轴轴线．s 与C 轴的角度误差是由A 轴与C 轴之间的角度误差和A 轴与主轴J s 之间的角度误差间接控制的，可以不作为精度检测项目，因此双摆头的几何精度检测对实际装配调试有指导意义的只有8项指标。依次定义代号如下：G l 为主轴锥孔轴线的径向跳动；G 2为主轴轴颈的径向跳动和端面跳动；G 3为主轴轴线．s 与A 轴旋转轴线的垂直度；G 4为主轴轴线Js 与A 轴旋转轴线在同一平面内的相交度；G 5为主轴轴线在垂直于水平位置与C 轴旋转轴线的重合度；G 6为A 轴旋转轴线与C 轴旋转轴线的垂直度；G 7为A 轴旋转轴线与C 轴旋转轴线在同一平面内的相交度；G 8为c 轴旋转轴线对X Y 面的垂直度。
几何精度，从而影响R TC P 精度。以力矩电动机直驱式A 轴可自动交换的A ／C 轴双摆角铣头和西门子840D 操作系统为例，简述双摆角铣头的几何精度检测和R T C P 的精度补偿过程。
1双摆角铣头的几何精度
双摆角铣头的旋转轴线包括绕x 轴旋转的A 轴，绕z 轴旋转的c 轴和切削主轴s 轴。从几何原理上分析摆头自身的精度，它包括各轴之间的角度误差和偏移误差以及主轴本身的旋转误差。具体如下：(1)
A ／C 轴在X Z 面内的角度误差和在昭面内的位置误差。(2) A ／S 轴在X Z 面内的角度误差和在理面内的
位置误差。(3) C ／S 轴在A 轴零度位置，X Z 面内的角度误差，X Y 面内的位置误差。以A ／C 两轴为例来说明角度误差和偏移误差的具体含义，如图1所示。A ／c 轴之间的角度误差为a ，位置误差为．s 。(4) 切削主轴的径向跳动和主轴锥孔的端面跳动误差。(5) C 轴与X Y 平面的垂直度。
2各轴之间的角度误差补偿
轴与轴之间的空间位置关系包括位置和角度误差，其中角度误差要通过机械调整的方法来进行精度补偿。具体的角度误差的调整方式如下所述。
2．1
C 轴旋转轴线对删面的垂直度(G 8)
如图2所示，首先将C
轴安装在滑枕内，将指示器固定在C 轴上，千分表打在工作台上，旋转C 轴，观察指示器读数，通过磨削调整
茸量臣：；。望!!I 芷? 凿
垫来控制C 轴与X Y 面的垂直度，以达到精度要求。这是双摆头装配的第一步，校准基准轴C 轴的位置。
然后将可交换的A 轴部件装到C 轴上，进行A 轴节的零点位置补偿。
图2
C 轴旋转轴线与xy 面
垂直度检测
整垫
和C 轴零点的第一次预置。具体设置方法详见下一
I ＼——主轴s
—l 。＼一
图l , 4／c 轴角度和位置误差
(a)
(b)
图3蛳与d 曲轴线垂直度检测
2．2
摆头最终要安装到滑枕上，因此对于整机而言，还要满足C 轴与X Y 平面的垂直度要求。
因此可以将双摆角铣头几何精度检测细化为9个
A 轴旋转轴线与C 轴旋转轴线的垂直度(G 6)
如图3，锁定x 轴，指示器固定在工作台上，A 轴
分别处于90。-90。位置，指示器测头与检棒的侧母
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线最高点接触，分别在A 轴的两个位置读取数值，旋转C 轴角度位置，使指示器处于左右位置时读数相等，并将指示器调零，然后在检棒上的接触点做标记。
旋转A 轴到00位置，指示器保持位置不动，移动摆头z 轴和y 轴，使指示器测头重新接触，读取数值。将C 轴旋转1800重复以上步骤，将两次的数值取平均与A 轴到测量点之间的距离相
除，则为A 轴与C 轴的角度偏差。如果不满足精度要求，则如图4所示磨削A 轴与C 轴之间的调整垫来进
行调整，直到满足精度要求。
位置等。
3．1
R T C P 的中心点长度
如图6，L ．为刀具长度，厶为主轴鼻端到A 轴回转中心的长度，厶是R T C P 的中心点长度，是R TC P 的主要系统参数之一，此数值要补偿到系统M D 24550[2]中。
3．2
回转轴的绝对零度位置
图6R T C P 中心点长度
图4脯调整蛰
A 轴零点设定：如图7
所示，在弦面内，锁定y 轴，指示器固定在工作台上，
将测头触及检棒表面最高点，移动z 轴300m m ，读取两次读数之差；C 轴旋转1800，重复以上步骤，调整A 轴角度，使两侧读数差值相等，此位置设为A 轴零点。
如果A 轴采用绝对编码器则通过M D 34210设置零点，
2．3主轴轴线S 与A 轴旋转轴线的垂直度(G 3)
如图5所示，分别在A 轴90。位置，C 轴0。位置和A 轴一900位置，C 轴1800位置，将指示器固定在工作台上，测头与检棒侧面母线最高点接触，沿着y 轴方向移动摆头，在检棒根部和距离
根部300m m 处读取检测数
如果采用增量编码器则通过M D 34090设置零点位置。
值，若不满足A 轴和主轴S 之间的角度偏差要求，则通过磨削主轴与主轴箱安装结
郾絮望譬浠脯的
图7A 轴绝对零点检测图8c 轴绝对零点检测
合面处的调整垫来进行补偿，直到满足要求。
至此，C 轴轴线、A 轴轴线和主轴轴线I s 之间的角
度偏差通过机械调整方式全部调整完毕。
3
C 轴零点设定：如图8所示，A 轴旋转至900位置，指示器固定在工作台上，指示器测头与检棒侧面最高点接触，读取数值，固定指示器，将A 轴旋转至一90。位置，再次用指示器测头接触检棒侧面最高点读取数值，调整C 轴角度位置，使指示器在两侧的读数相等，此
C e nt e r
R TC P 与各轴之间的位置偏差补偿
R TC P 是绕刀具中心点转动(Rot a t i on
T ool
时A 轴垂直于y 轴，此位置为C 轴零点位置。如果C 轴采用绝对编码器则通过M D 34210设置零点，如果采用增量编码器则通过M D 34090设置零点位置。3．3定位精度和重复定位精度补偿
关于双摆角铣头A ／C 轴定位精度和重复定位精度的检测，目前有两种方法，一种是以激光干涉仪检测”J ，另一种是用正多面体来检测。下面通过图示来说明正多面体的检测方法。检测设备：正36面体，光电子准直仪。A 轴定位精度和重复定位精度检测，如
图9。
Poi nt ) 的英文缩写。如果有R TC P 功能，A C 轴旋转时，数控系统将使刀具中心始终保持在一个固定的X Y Z 位置上，为了保持这个位置，转动轴线的每一个动作都会被X Y Z 的一个直线位移所补偿，否则刀具中心将会
随着轴线的转动而产生位移M -。
因此摆头轴线之间的位置误差能够通过R T C P 功能，以电气补偿的方式来进行精度的控制。
下面以西门子8409系统为例阐述双摆角铣头电气补偿的方法和步骤。影响R T C P 精度的主要因素有机床各轴的定位精度和重复定位精度，R TC P 的中心
点长度，RT C P 的机械偏心补偿，回转坐标的绝对零点
将正多面体与A 轴旋转轴连接，光准直仪固定在工作台上，记录角度偏差
，分析工具可以使用雷尼
固豢等等
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1丽司丽蕊亓磊而而丽百丙而而s
绍的分析软件，如不满足要求则要进行定位精度补偿。C 轴定位精度和重复定位精度检测，如图10所示，将A 轴调整至O o 位置，此时c 轴和主轴轴线同轴，将正多面体固定在主轴刀柄端，与主轴轴线同轴，分析测量方式与A 轴相同。
差在y 方向的投影所得的数值。然后分别对应X 、l ，方向将数值补偿到系统的M D 24560[0]和M D 24560[1]中，补偿后重新回零操作，重复以上步骤，直到所
测的数值满足精度要求为止。
整个调整过程和补偿过程，G 3、G 6、G 8参与了轴线之间角度偏差的机械补偿；G 4、G 5参与了R T C P 精度补偿，而G 7项没有参与任何一个调整和补偿过程。
(3) A 轴旋转轴线与C 轴旋转轴线在同一平面内的相交度G 7项的存在必要性
G 7项是轴线之间的位置偏差，属于电气补偿的项目。但是G 7项是由G 4和G 5项间接控制的，它们形成一个尺寸封闭环。虽然G 7项在电气补偿中没有用到，但是对装配精度有一定的参考和指导作用。
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i l ：■■技术A 冀应用
图9枷定位精度和重复
定位糟度检测
3．4
图l o c 轴绝对零度检涓4
结{看
以力矩电动机直驱式A 轴可自动交换的A ／C 轴
R TC P 的偏心补偿
(1) 主轴轴线s 与A 轴旋转轴线在同一平面内的
相交度(G 4)
双摆角铣头和西门子840D 操作系统为例阐述了摆头的几何精度及调整补偿过程。双摆角铣头的几何精度一共有8项要求，包含了铣头各轴轴线之间的空间位置关系和切削主轴自身的精度要求。从整个装配和精度控制过程的分析可知，轴线之间的角度偏差通过机械补偿的方式进行精度调整，且要优先于电气补偿的部分；然后进行A 轴和C 轴的定位精度补偿，轴线之间的位置偏差的电气补偿要放在最后来进行，从而达到R TC P 精度要求。整个几何精度检验及补偿过程，不仅机械补偿和电气补偿有严格的先后顺序要求，各补偿部分也有详细的操作规范和技术要求，一切检测程序都按照国家标准进行操作。
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如果可能，锁紧z 轴。A 轴旋转至90。，C 轴0。位置，指示器固定在工作台上，测头触及检验棒下表面母线位置并调零。开启R T CP 功能，将C 轴旋转至180。，同时A 轴旋转至一90。位置，读取数值。
指示器读数差值的一半即为A 轴和J s 轴的位置误
差。将此值补偿到M D 24550[1]中。
A ／C 轴回零，重复以上步骤直到所得数值满足精度要求为止。
C (J ≥
图11主轴轴线S 与A 轴同一平
面内相交度检测
图12主轴轴线与c 轴在垂直
于水平平面内
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技，2007(1) ：9一15．
的重合度检嗣
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制造技术与机床，2011(11) ：105—106．
(2) 主轴轴线在垂直于水平位置与C 轴旋转轴线的重合度(G 5)
第一作者：于春明，男，1981年生，工程师，硕士，研究方向为功能部件设计研发。
(编辑余捷)
(收稿日期：2013—05—08)
文章编号：131l ∞
?
将A 、C 轴回零点，开启R TC P 功能，测头在昭面
内触及主轴外表面最高点，C 轴每90。旋转一次，旋转
4次，读取数值，将O 。与180。的读数差值的一半作为A 轴与主轴位置误差在x 900与2700的读
向的投影所得的
值，将
差值的一半作为A 轴与主轴位置误
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