旋轉(zhuǎn)軸定位精度

干

貨

緊接上一期的純干貨：旋轉(zhuǎn)軸定位精度在五軸加工中的關(guān)鍵溜封，主要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行討論：

1亮绢、討論機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸的全閉環(huán)和半閉環(huán)控制模式呜唁；

2哪蒙、討論5軸加工涉及兩個(gè)高精度定位的旋轉(zhuǎn)軸在機(jī)床加工中的作用；

小編就上一篇的實(shí)驗(yàn)情境导盅，為各位提供實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

盡管被測的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)通常在全閉環(huán)控制下工作较幌，但是調(diào)整該機(jī)的參數(shù)也能輕松地在半閉環(huán)控制模式下定位該機(jī)床的工作臺(tái)。因此白翻，可以直接比較兩種控制模式下的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的位置誤差（參見圖7和圖8）乍炉。為進(jìn)行比較，沿工作臺(tái)圓周均勻分布720個(gè)測量點(diǎn)滤馍，首先進(jìn)行雙方向接近：順時(shí)針（CW）和逆時(shí)針（CCW）岛琼。高分辨率的定位特性表現(xiàn)在位置一致性、位置獨(dú)立性和在旋轉(zhuǎn)軸定位中無系統(tǒng)性的影響巢株。在全閉環(huán)控制中槐瑞，旋轉(zhuǎn)軸在整個(gè)角度測量范圍內(nèi)都能達(dá)到高定位精度，在正向和反向接近之間幾乎難以區(qū)分接近方向阁苞。該測量曲線主要體現(xiàn)位置控制下的角度編碼器工作特性困檩。在半閉環(huán)控制下，雙方向之間存在明顯的反向誤差那槽，變化范圍顯著大于單方向接近悼沿。主要原因是機(jī)械傳動(dòng)部件中與位置相關(guān)的誤差（例如間隙、摩擦和齒輪嚙合因素）骚灸。順時(shí)針測量中的高頻振幅大于逆時(shí)針測量時(shí)的高頻振幅摊咨，這表明齒面已磨損，這個(gè)現(xiàn)象與常用的旋轉(zhuǎn)方向吻合毁兼。

用基準(zhǔn)編碼器定位回轉(zhuǎn)工作臺(tái)位置精度

這里介紹的測量全部在上述機(jī)床上進(jìn)行预蒜。控制系統(tǒng)允許在全閉環(huán)與半閉環(huán)模式之間切換坝跃。在全閉環(huán)模式中论燎，用RCN 8310角 度編碼器進(jìn)行位置反饋丹仅。在半閉環(huán)模式 下，用電機(jī)編碼器信號(hào)和蝸輪速比計(jì)算回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的位置褥甜。由于在同一臺(tái)機(jī)床上測 量贺壮，使用同一套進(jìn)給軸傳動(dòng)系統(tǒng)，因此可 以直接進(jìn)行比較拯骤。用ISO 230-2和ISO 230-3標(biāo)準(zhǔn)中的測量步驟確定回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定位精度大愁。

在生產(chǎn)中，要提高品種規(guī)格的靈活性婚蛮，需要使用5軸加工技術(shù)乎壮。用通用性的工裝夾具系統(tǒng)可進(jìn)行多面和完整加工并提高自動(dòng)化程度、靈活性和機(jī)床利用率例获。由于5軸技術(shù)允許大量使用標(biāo)準(zhǔn)刀具汉额，允許在銑削路徑上改變刀具方向，以加工復(fù)雜的幾何形狀榨汤。

用ISO 230-2 標(biāo)準(zhǔn)確定靜態(tài)定位精度

首先蠕搜，用ISO 230-2標(biāo)準(zhǔn)確定回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的靜態(tài)定位精度。為此收壕，將360°的測量范圍均勻分為12份妓灌，間隔為30°。這樣的角度步距正好是用多面反光境的準(zhǔn)直儀的典型測量點(diǎn)數(shù)蜜宪。用1000 °/min的進(jìn)給速率順序接近測量點(diǎn)虫埂。然后，用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的基準(zhǔn)編碼器在靜態(tài)時(shí)測量最終位置端壳。為了獲得有統(tǒng)計(jì)意義的測量結(jié)果告丢，在順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)中重復(fù)操作五次。為進(jìn)行比較測量损谦，使用近似的初始條件岖免，不僅使用同一臺(tái)機(jī)床，而且不使用在控制系統(tǒng)中保存的兩種控制模式下的C軸補(bǔ)償表祝遗。 

在全閉環(huán)控制模式下（圖9）沉卷，測量精度穩(wěn)定在±1.3"范圍內(nèi)，符合使用角度編碼器的預(yù)期说拾。比較發(fā)現(xiàn)凰拇，半閉環(huán)控制下的測量結(jié)果（圖10）表明回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在任意旋轉(zhuǎn)方向下的定位精度較低，僅±5"蝗广。此外堡脱，在改變接近方向時(shí)，明顯可見31"的反向誤差。在第二次測量中順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)光蜀，已將12個(gè)采樣點(diǎn)處的定位精度值保存在補(bǔ)償值表中并已激活該表算郭。

在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)上設(shè)置非線性誤差補(bǔ)償并將其激活后，現(xiàn)在兩種控制模式下都達(dá)到優(yōu)異的測量結(jié)果估态，達(dá)到可接受的精度等級(jí)（參見圖11和圖12）循谨。全閉環(huán)控制下，精度提高到±0.35"嗡身。在半閉環(huán)控制下的測量中倔撞，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍上的位置誤差較低，只有±1.4"慕趴。然而痪蝇，1.0"的較小反向誤差仍較明顯。在這里冕房，必須注意補(bǔ)償值代表機(jī)床的離散狀態(tài)霹俺，只適用于第一次測量，而且表中的測量值為靜態(tài)值毒费。但是在工作期間，由于熱負(fù)載和機(jī)械負(fù)載以及機(jī)械部件磨損愈魏，機(jī)床狀態(tài)和位置變化并不一致觅玻。因圖13：根據(jù)ISO 230-2標(biāo)準(zhǔn)半閉環(huán)控制下的位置誤差 （60個(gè)測量點(diǎn)，用補(bǔ)償）此培漏，經(jīng)過一段時(shí)間后溪厘，用靜態(tài)表補(bǔ)償位置誤差將難以達(dá)到圖11和圖12中的高質(zhì)量。

在半閉環(huán)控制模式下重復(fù)進(jìn)行測量牌柄，測量中使用12個(gè)采樣點(diǎn)和60個(gè)測量點(diǎn)畸悬，從中可見補(bǔ)償使用的采樣點(diǎn)之間的定位精度特性。對(duì)于用準(zhǔn)直儀和多面反光鏡的測量粥蜘，這是典型的采樣點(diǎn)數(shù)蒂拯。圖13顯示多次測量的結(jié)果。從圖中可見渔缅，位置誤差較大任肯，達(dá)±4.5"，反向誤差達(dá)4.0"演湘。此外绿窿，在選定采樣點(diǎn)之間，明顯可見高階非線性情況窃裙。類似于圖8中的小范圍誤差纹轩，無法用圖10中的補(bǔ)償值進(jìn)行建模，因此數(shù)控系統(tǒng)無法處理。在半閉環(huán)控制中使用補(bǔ)償表不能確保達(dá)到采樣點(diǎn)間的定位精度缅科，最終結(jié)果與圖12顯著不同宗商。因此，這種補(bǔ)償方式只適用于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)接近已知的位置甜奄。例如柠横，3+2軸加工就是該情況。 

理論上课兄，數(shù)控系統(tǒng)的靜態(tài)補(bǔ)償表可用大量采樣點(diǎn)牍氛，但需要進(jìn)行不切實(shí)際的大量測量。而且烟阐，加工中和測量期間搬俊，機(jī)床的熱狀態(tài)并非一成不變。這將在下面討論蜒茄。

根據(jù)ISO 230-230 標(biāo)準(zhǔn)確定熱漂移也就是溫度對(duì)加工的影響

根據(jù)ISO 230-3標(biāo)準(zhǔn)唉擂，每種控制模式下進(jìn)行的測量表明：旋轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)鏈及旋轉(zhuǎn)軸的其它機(jī)械部件發(fā)熱導(dǎo)致位置漂移。在該測量中檀葛，在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中根據(jù)前面介紹的采樣點(diǎn)激活補(bǔ)償玩祟。此外，還根據(jù)ISO 230-3標(biāo)準(zhǔn)確定位置漂移對(duì)旋轉(zhuǎn)軸精度的影響屿聋。為此空扎，定義兩個(gè)位置（0°和180°）并從兩個(gè)方向接近（順時(shí)針和逆時(shí)針）。在各次測量之間润讥，用3000 °/min的進(jìn)給速率進(jìn)行5次周期性運(yùn)動(dòng)碎师，使該測量范圍（0°至180°）的溫升達(dá)到要求。連續(xù)記錄測量值直到回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的位置停止熱漂移跛脾。

測量結(jié)果如圖14所示批贴，在全閉環(huán)控制中使用角度編碼器，即使旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行周期性運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)鏈部件的溫度升高癣跟，也能保持定位精度的穩(wěn)定用噪。在這種結(jié)構(gòu)配置下，位置受溫度影響并由角度編碼器測量景顷，并將測量結(jié)果反饋給位置控制環(huán)档葱。該測量中的最大值為0.5"。 

與全閉環(huán)模式相比棘扯，半閉環(huán)模式下的定位精度隨時(shí)間而發(fā)生很大變化（圖15）凸脚。變化涉及兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)是幅值，最大達(dá)8"肤币，另一個(gè)是大約2分鐘的較短時(shí)間常數(shù)裂更。此外峰裁，位置漂移因素在0°測量位置重疊。該因素是加工中心結(jié)構(gòu)件發(fā)熱導(dǎo)致的結(jié)果检柬，時(shí)間常數(shù)明顯較長献联。因此，兩個(gè)測量點(diǎn)之間的距離也不斷變化何址。 

此外里逆，兩個(gè)接近方向的反向誤差增加到3"。在部分應(yīng)用中用爪，無論允許多大的誤差原押，在許多加工應(yīng)用中，時(shí)間常數(shù)短都是問題偎血。例如小批量加工應(yīng)用或周期性的變化诸衔，旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行定位運(yùn)動(dòng)，然后靜止（反方向加工）和軸的連續(xù)運(yùn)動(dòng)颇玷。更換破損刀具也屬于這種時(shí)間常數(shù)問題笨农。 

對(duì)于被測的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，使用補(bǔ)償表并無幫助帖渠。大約25分鐘后位置誤差似乎達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)谒亦，每次機(jī)床或進(jìn)給軸停止運(yùn)動(dòng)后其狀態(tài)又發(fā)生改變，例如二次裝夾或裝夾新件旬效。這導(dǎo)致可獲得的精度具有嚴(yán)重的不確定性瞪殖，并直接影響5軸聯(lián)動(dòng)加工，甚至3+2軸加工的工件精度学岔。

結(jié)論

從高端加工中心的標(biāo)準(zhǔn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)可見：在半閉環(huán)控制模式下，10分鐘內(nèi)的位置誤差可達(dá)8"庙曹。相當(dāng)于0.5 m半徑上的偏差達(dá)20 μm师赂。旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，它包括伺服電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)班痹，環(huán)境因素也導(dǎo)致多種誤差難以測量镶悟，幾乎無法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)軸的位置誤差在線補(bǔ)償。 

通過使用適當(dāng)基準(zhǔn)編碼器進(jìn)行比較測量蔚抖，在全閉環(huán)和半閉環(huán)控制模式下對(duì)機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定位精度進(jìn)行這項(xiàng)測量辙哪。通過測量可以確定旋轉(zhuǎn)軸的靜態(tài)定位精度和在周期性負(fù)載導(dǎo)致發(fā)熱情況下的定位精度穩(wěn)定性。也相應(yīng)地確定和比較12個(gè)采樣點(diǎn)處的測量點(diǎn)補(bǔ)償?shù)男Ч资Ｔ谌窟@些測量中沽澜，全閉環(huán)控制模式都表現(xiàn)出穩(wěn)定的測量結(jié)果，定位精度高和反向誤差小竟闪。在半閉環(huán)控制模式下离福，通過補(bǔ)償可以明顯提高初期定位時(shí)的誤差杖狼，但是在周期性的負(fù)載作用下，傳動(dòng)系統(tǒng)的部件無法保持穩(wěn)定的精度妖爷。測量結(jié)果顯示蝶涩，較短時(shí)間常數(shù)的主要特點(diǎn)是機(jī)械傳動(dòng)系的溫度隨時(shí)間發(fā)生變化。實(shí)際上造成機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)無法進(jìn)行補(bǔ)償絮识。還可看到绿聘，用補(bǔ)償?shù)姆绞綗o法抵消采樣點(diǎn)間的高階、非線性影響次舌。

在全閉環(huán)控制模式下熄攘，用海德漢角度編碼器直接測量旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)。這樣就能在位置控制環(huán)中考慮大部分影響因素和時(shí)間導(dǎo)致的機(jī)械系統(tǒng)的變化垃它。這些因素包括機(jī)械傳動(dòng)誤差鲜屏、溫度影響和磨損。唯一例外的誤差是角度編碼器可測量的誤差国拇，但其動(dòng)態(tài)性能超出位置控制環(huán)動(dòng)態(tài)性能范圍洛史。RCN系列內(nèi)置軸承和定子聯(lián)軸器的絕對(duì)式角度編碼器是帶機(jī)械傳動(dòng)件的高精度旋轉(zhuǎn)軸的理想選擇，也是直驅(qū)技術(shù)的理想選擇燃灿。這些編碼器采用全封閉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)枕详，因此擁有較高系統(tǒng)精度、安裝簡單且抗污染性能卓越敦璧。如果由于結(jié)構(gòu)原因而無法安裝編碼器弹扩，還可選用光學(xué)掃描的模塊型角度編碼器。ERA 4000和ECA 4000系列產(chǎn)品都提供相當(dāng)多的信號(hào)周期數(shù)钻琴，擁有高定位精度眶逐。對(duì)于這里討論的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)應(yīng)用，需要特別注意回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的軸承的剛性和工作性能堕圾，其性能直接影響角度編碼器實(shí)際可達(dá)到的測量精度洗吉，因此影響回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定位精度。旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)需要為高過程可靠性和高產(chǎn)量的5軸加工應(yīng)用提供理想的工作條件谁昵。

干貨集錦 | 旋轉(zhuǎn)軸定位精度五軸加工的關(guān)鍵（上）

（海德漢）

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