趙 鵬，樓佩煌，劉明燈，滿增光

(1.南京航空航天大學機電學院，南京 210016;2.南京四開電子企業(yè)有限公司，南京 210007）

0 引言

現(xiàn)代航空，航天，模具工業(yè)中廣泛采用精密五軸數(shù)控加工，其加工精度要求達到微米級別，傳統(tǒng)工件裝夾方式定位精度不高，無法滿足精密加工要求。許多學者對裝夾誤差補償方法進行了研究［1-4］。文獻［1］研究了大直徑環(huán)形件的裝夾偏心補償方法，文獻［2］研究了專用機床的裝夾誤差補償問題，文獻［3，4］提出了工件裝夾誤差建模方法，對其進行離線預測補償。這些研究沒有對包含旋轉軸的裝夾誤差情況進行分析，而五軸數(shù)控機床由于裝夾誤差引起實際旋轉中心與CAM編程基準不一致，由此引起的附加運動無法通過常規(guī)的G54-G59方式補償［5］，只能根據(jù)裝夾位置調整編程基準重新進行CAM處理或者反復調整裝夾精度，耗費大量時間。本文研究了五軸數(shù)控加工的裝夾誤差尋位補償方法，動態(tài)修正加工路徑，在保證加工精度條件下大大降低工件裝夾難度，提高機床實際加工效率，具有廣泛的工程應用意義。

1 五軸加工的工件裝夾誤差分析

在三軸數(shù)控加工中，裝夾誤差可以通過簡單的坐標系偏置補償，使編程基準與工件裝夾位置一致。而五軸數(shù)控加工的NC代碼中，旋轉軸路徑是根據(jù)CAM編程中的旋轉中心位置決定的。由于裝夾誤差，編程旋轉中心位置與實際機床旋轉中心位置不一致，使得CAM生成的刀具路徑發(fā)生偏移。如圖1所示為一個典型的裝夾誤差狀況，陰影部分表示CAM編程中設定的工件在機床上的位置，設定的旋轉中心為機床實際旋轉中心O，由于裝夾偏差工件實際位置在圖示實線所示部分，編程旋轉中心位置偏移到點O'，旋轉軸角度偏差為α。以工件上任意一點M為例，分析轉動過程中由于旋轉中心偏差造成的路徑誤差情況，如圖2所示，工件裝夾無誤差時，點M隨旋轉軸運動路徑為以機床旋轉中心O為圓心的圓，如圖中細虛線所示，和CAM編程路徑一致;在裝夾誤差存在時，點M實際裝夾位置為點M'，M'的理想運動路徑應當是以O'為圓心的圓，如圖中細實線所示，此時工件加工結果仍然與設計一致;然而由于機床運動中旋轉軸是以機床旋轉中心O為圓心的轉動，點M'的實際路徑是以機床旋轉中心O為圓心的圓，如圖中粗虛線所示，此時工件加工結果偏離設計形狀;在旋轉過程中，編程旋轉中心O'也隨轉動角度不斷變化，其路徑如圖中粗實線所示。由此可見，五軸數(shù)控裝夾誤差的補償困難正是由于編程旋轉中心的偏置矢量OO'隨轉動不斷變化引起的。本文通過擴展指令 G10 X，Y，Z，A，B，C 指定裝夾誤差，采用動態(tài)尋位補償方法，自動補償空間變換，保證加工工件空間尺寸精度，而國內許多大型五軸機床無法投入正常使用，就是由于數(shù)控系統(tǒng)不具備該功能。

圖1 工件裝夾偏差示意圖

圖2 工件隨旋轉軸轉動的運動路徑

2 裝夾誤差動態(tài)補償方法

五軸機床一般包含兩個旋轉軸，其裝夾誤差造成的旋轉中心偏差也有兩組，根據(jù)實際機床結構和裝夾情況有(x，y，C），(x，z，B），(y，z，A）三種補償類型。由于五軸數(shù)控機床結構形式繁多，坐標轉換關系復雜，本文以應用廣泛的立式雙轉臺五軸數(shù)控機床為例。首先測量工件裝夾誤差，如圖3所示，點O為機床實際旋轉中心，在旋轉軸角度A=α0，C=β0時測量旋轉中心偏差矢量，如圖中FAC所示，在旋轉軸A，C轉動過程中，其角度不斷變化，旋轉中心偏差矢量方向的變化需要進行機床逆運動變換實時計算，對其進行動態(tài)補償，裝夾誤差造成的旋轉中心偏差計算步驟如下［6］:

以下各符號定義為:

FAC:旋轉軸位于A=α0，C=β0時的旋轉中心偏差矢量;

FO:旋轉軸位于A=0，C=0時的旋轉中心偏差矢量;

FA:旋轉軸位于A=α，C=0時的旋轉中心偏差矢量;

Foffset:旋轉軸位于A=α，C=β時的旋轉中心偏差矢量;

α0，β0為測量初始裝夾誤差時的旋轉軸角度;α，β為任意角度。

步驟1:計算旋轉中心基準矢量FO，即旋轉軸在初始狀態(tài)A=0，C=0時的偏差矢量，將FAC在旋轉軸A轉動-α0，在旋轉軸C轉動-β0:

步驟2:計算當旋轉軸C無轉動，旋轉軸A轉動任意角度α時的偏差矢量FA;

步驟3:計算當旋轉軸A轉動任意角度α，旋轉軸C轉動任意角度β時的偏差矢量Foffset。

由上述(1）～(3）式可計算出加工過程中旋轉軸任意角度時的旋轉軸中心偏差矢量，在加工運動路徑上減去這個偏差矢量，即可動態(tài)補償由于旋轉軸偏差矢量變化造成的機床附加運動，消除裝夾誤差帶來的精度問題，加工出與設計一致的工件。

圖3 旋轉中心裝夾誤差偏差矢量變換圖

3 誤差補償實現(xiàn)與驗證

將本文提出的五軸數(shù)控加工的裝夾誤差動態(tài)補償方法在自主研發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)SKYCNC上實現(xiàn)，其處理流程如圖4所示。裝夾誤差參數(shù)輸入界面如圖5所示，在開啟裝夾誤差動態(tài)補償功能后，在上位機中自動計算每個刀位點的旋轉中心偏差并補償，后繼的前瞻、插補等均基于補償后的刀具路徑進行。

圖4 裝夾誤差補償處理流程

圖5 裝夾誤差補償設定界面

為方便對誤差補償效果的檢測，在雙轉臺立式銑床SK5L-70100進行五軸聯(lián)動精加工直徑10cm球體試驗，如圖6所示。使用通用五軸CAM軟件POWERMILL得到五軸NC代碼，在旋轉軸角度A=0.012，C=0.022時測量得到旋轉中心偏差為Xoffset=0.036mm，Yoffset=0.016mm，Zoffset=0.031mm。在無裝夾誤差補償時通過測量球體直徑得其加工誤差為0.052mm;而在裝夾誤差動態(tài)補償后，加工誤差為0.014mm;通過調整裝夾精度補償裝夾誤差時，不僅耗時較長，而且由于裝夾條件限制，其效果也不如數(shù)控系統(tǒng)的控制補償，具體如表1所示?？梢?，采用本文提出的裝夾誤差動態(tài)補償方法，既節(jié)約了調整裝夾精度消耗的時間，也有效消除因裝夾誤差帶來的精度問題。

圖6 五軸聯(lián)動加工球體

表1 球體零件在不同誤差處理下的加工效果對比

4 結束語

本文研究了五軸數(shù)控加工中的裝夾誤差對加工精度的影響，分析了旋轉中心偏差造成的旋轉軸附加運動路徑，提出五軸數(shù)控的裝夾誤差動態(tài)尋位補償方法，并將該方法應用于自主開發(fā)的SKYCNC中，試驗證明，采用該方法可有效補償五軸機床的裝夾誤差，消除由此造成的精度問題，提高了機床實際加工效率，具有重要的工程應用意義。

［1］黃筱調，洪榮晶，方成剛，等.大直徑環(huán)形件空系誤差分析及數(shù)控加工方法［J］.組合機床與自動化加工技術，2004(11）:57-58.

［2］李顯松，熊清平.專用數(shù)控機床中的工件定位誤差主動補償技術［J］. 測試技術學報，2003，17(4）:317-319.

［3］張發(fā)平，童應學，孫厚芳.工件裝夾系統(tǒng)裝夾方案誤差建模分析技術［J］.北京理工大學學報，2009，29(11）:968-971.

［4］周靜，陳慰芳，曲紹朋.數(shù)控加工誤差主動補償方法［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2010，16(9）:1902-1907.

［5］劉明燈，陸啟建.一種高速高精度皮米插補數(shù)控系統(tǒng)［J］. 中國制造業(yè)信息化，2006，17:33-36.

［6］胡寅亮，熊濤，黃翔.五軸聯(lián)動數(shù)控機床的后置處理方法［J］. 機械科學與技術，2003，22(7）:175-177.