摘要: 對五軸聯動加工中（zhōng）心的擺軸( 即A 軸) 全行程精度的檢測提出了一種（zhǒng）快速有效的解（jiě）決方案。詳細敘（xù）述
了該方案的具體操作步驟、注意事項以及在檢測過程中采用的測量設備和依據的檢測標準（zhǔn），同時對被檢軸進行了
有效地精度補償。

   
     1 、五軸聯動簡介

     五軸聯動加工中心（xīn）是指有五個坐標軸( 三個直線坐標軸: X，Y，Z 軸和兩個旋（xuán）轉坐標軸: C，A 軸) ，可在計算機數控( CNC) 係統的控製下同時協調運動進行加工的數控加工設備。
 

     通（tōng）過A 軸與C 軸的組合，固定在工（gōng）作台上的工件除（chú）了底麵之外，其餘的（de）五個（gè）麵都可（kě）以由立式主軸進（jìn）行加工。A 軸和C 軸最小分度值一般（bān）為0. 001°，又（yòu）可以把工件細（xì）分成任意角度，加工出傾（qīng）斜麵、傾（qīng）斜孔等。A 軸和C 軸如（rú）與XYZ 三個直線軸實現聯動（dòng），依靠（kào）先（xiān）進的數控係統、伺（sì）服係統以及軟件的支（zhī）持可加工出複雜的空間（jiān）曲麵。

     常見的立式五軸聯動加工中心有兩個回轉（zhuǎn）軸，如圖1 所示，一個是工作台回轉軸，以X 軸方向為軸心線， ± 90°來回擺動，定義為擺軸，也稱A 軸（zhóu）; 一個就是（shì）設置工作台（tái）的中間的回轉台，在圖（tú）示的位置（zhì）上環繞Z 軸方向360°回轉，定義為C 軸。

      圖1 常見的立式五軸聯動加工中心（xīn）示意圖

     加工中心XYZ 以及C 軸的精度檢測，技術手段現在已經很成熟。XYZ 三個直線軸一般是（shì）采用雙頻激光幹涉儀作為標準進行檢測，回轉C 軸用雙頻激（jī）光幹涉儀以及配（pèi）套的回轉分度器檢測，或者用傳統的正多麵棱體配上自準（zhǔn）直儀進行角分度檢測，這（zhè）裏不（bú）再詳述。

      而對於A 軸，同樣是角分度檢測，也（yě）可用雙頻激光幹涉儀回轉分度器或者是（shì）正（zhèng）多麵棱體和自準直儀作為標準進行檢測。但是（shì）如果是照搬全套C 軸的檢測方法，將無法在全行程內完成（chéng）測量，因為隨（suí）著A 軸的轉動，工作台（tái）將遮擋測量光路，無法繼續（xù）檢測，隻能（néng）檢測（cè）到部分角度，也就不能判斷A 軸整（zhěng）個行程範圍的精度。

      2 、擺軸( A 軸) 全行程檢（jiǎn）測（cè）時測量光路的設計

      本文以檢測德國HEＲMLE 五軸加工中心的A 軸為例，提出一種全麵有效的測量方案。哈默五軸（zhóu）中（zhōng）的A軸其擺動範圍在－ 90° ～ + 90°之間( 如圖2 ～ 圖5) ，這也是（shì）世上最大行程的擺軸。
  

     在－ 90° ～ + 30°行程內可按C 軸的檢測（cè）方案（àn）進行檢測。但隨著A 軸繞軸（zhóu）心線的繼續擺動（dòng），當（dāng）被檢設備運（yùn）行至+ 30° ～ + 90°區間時，逐漸翻起的工作台擋（dǎng）住了正對著棱體的自準（zhǔn）直儀的測量光軸( 如圖4 所示) ，儀器無法讀數測量，檢測（cè）中斷。經過多次試驗（yàn）最終選用如圖2 的檢測（cè）方案。基本原理就（jiù）是采用升高準直儀對準可轉角反射鏡，通過可轉角（jiǎo）反射鏡的90°光路（lù）轉向，避免了由於加工中心工（gōng）作台翻轉而遮擋住測量光（guāng）路，相當於從空中俯視（shì）瞄準正多（duō）麵（miàn）棱體進行測量。

     方案采用0. 5″雙軸精密自準直儀和正24 麵棱體作為測量主標準。激光幹涉儀作為自準（zhǔn）直儀快速找像（xiàng）的配套設備。同時為了（le）自準直儀在整個測量讀數過程中更穩定可靠，推薦選擇主機較（jiào）大（dà），三腳架比較敦實穩固的ML10 型激光（guāng）幹涉（shè）儀。

     圖2 A 軸（zhóu）－ 90°時，工作台垂直於水平麵

     圖3 A 軸0°時，工作台平行於水平麵

     圖4 A 軸+ 45°時（shí），工作台麵對於水（shuǐ）平麵成45°

     圖5 A 軸+ 90°時，工作台反過來垂直於（yú）地麵

     3 、擺軸( A 軸（zhóu）) 全行程檢測時（shí）測量光路的快速找正調整（zhěng）

     與傳統的C 軸檢測相比，上述（shù）A 軸的檢測方案中自準直儀離正多麵棱體較遠，且轉了90°，相比檢測C軸而言找遠距離直角反射（shè）回的光比（bǐ）較困難。經過多次（cì）試（shì）驗與改進，探索出一（yī）種快速找（zhǎo）光方法。具體檢測工（gōng）作及光路找正（zhèng）調整步驟如下:

     1) 取下加工中心A 軸軸心上的密封蓋，安裝事先加工好的特製夾具。轉動A 軸，用打表法調整特製夾具的偏心量至0. 02 mm 內（nèi）。安裝正24 麵棱體，使0°測量麵朝上（shàng）。如圖1 所示。

     2) 把轉角反射鏡（jìng）利用磁性表座吸附在（zài）機床主軸上( 圖6) 。

     圖6 轉（zhuǎn）角反射（shè）鏡利用（yòng）磁性表座吸附在機床主軸示意圖（tú）

     3) 把自準直儀放（fàng）置在激光幹涉儀上，調（diào）整激光幹涉（shè）儀大致水平（píng），並使激光束瞄準可轉角反射鏡。慢慢轉動並左右調整可轉角反射鏡，同時調整激光幹涉儀主機俯仰和左（zuǒ）右和（hé）高（gāo）低（dī）位置，使激光束經過正（zhèng）多麵棱體測量麵反射回的光，入射回激光幹涉儀的反射孔（kǒng）。

      如圖5 所示。此步驟的目的是使平行（háng）擺放於激光幹涉儀上自準直儀的測量光軸平行於激（jī）光束。

      4) 卷尺測（cè）量出激（jī）光幹涉儀出光孔與（yǔ）自（zì）準直（zhí）儀物鏡中心的大致（zhì）距離D( 約130 mm) 。慢慢降低激（jī）光幹涉（shè）儀三腳架工作台（tái）約D 距離，使自準直儀物鏡中心( 即自準直儀（yí）光（guāng）軸中（zhōng）心) 降至激光幹涉儀出光孔剛才所在位置。

      5) 左右微動自準直（zhí）儀即能看到通過可轉角反射（shè）鏡和（hé）正多麵棱體（tǐ）測量麵反射回的飛機像。

      6) 最後通過微動調（diào）整激光三腳架左右平移和高低升降位置，自準直儀視場中的反射飛（fēi）機像最亮，即可（kě）進行檢測（cè）。

      4 、擺軸( A 軸（zhóu）) 全行程精度檢測方法
 

      正確調整完A 軸的檢測光路後，就可以（yǐ）對A 軸進行精度檢（jiǎn）測了。

      首先按客戶要求選擇檢測依據的規範、標（biāo）準，如最（zuì）常用的VDI /DGQ3441 德國機床行業標準; GB /T17421. 2 － 2000 機床檢驗通則－ 第2 部分: 數控軸線的定位精（jīng）度和重複定位精度的確定［1］; ISO 230 － 2 － 2014機床試驗規則（zé）－ 第2 部（bù）分: 數字控製坐標定位精度和重複性的（de）測定等等［2 － 3］。

      依據標準要（yào）求，在（zài）自準直儀（yí）視場內找到通過正多麵棱體反射回的飛機像後（hòu），壓線讀（dú）數，每隔15°，從－ 90°檢測到+ 90°。整個行程來回（huí）測量5 遍即可。首次檢測完成後，依據VDI /DGQ3441 德國機床行業標準評定，得到A 軸的定位精度: 8. 7″，重複精度:1. 5″，反向量差: 0. 6″。定位精度略微偏大，就（jiù）要對精度進（jìn）行補償。

      眾所周知，不同加工中心（xīn）有不同的控製係統，最常用的有三種: 日本的Fanuc 係統，德國（guó）的Siemens 係統和德國HEIDENHAIN 係統。普通加工中心一般采用日本的Fanuc、德國的Siemens 係統，其精度（dù）補償也很普遍，高（gāo）端進口的加（jiā）工中心大都用HEIDENHAIN 係統。

      這裏本次檢測HEＲMLE 加工中心的A 軸為（wéi）例，其精度補償需進入控製係統PLC，找到A 軸的補償文件a －chse，輸入經計算後得到的( 螺距) 補償值，如（rú）表1 所示。

                                 表1 螺距誤差補償值表

      A 軸回零，然後重新檢測和評定，得到（dào）A 軸最終的檢測結果: 定位精度: 4. 2″，重複精度: 1. 2″，反向量差: 0. 4″，符合要求。

      5 、結束語

     對於A 軸的現場檢測，以往隻能檢測部分行（háng）程或者（zhě）幹脆不測。也有采用其他測量（liàng）標準進行檢測的方法，但讀數困難，檢測（cè）效率低。采用上述檢測方案後測量效率顯著提高，測量不確定（dìng）度也（yě）符合機（jī）床檢測的標準規範要求。而且激光幹涉儀在（zài）檢完（wán）直線軸和C 軸後不用（yòng）撤離現場，直接放上自準直儀並在主軸上（shàng）吸上轉向反射鏡後即可開展檢測。唯一不足的是，不（bú）同型號的加工中心事先需要加工不同的特製夾具。

     另外，我們可用激光幹涉儀XＲ20 －W 無限回轉軸校準（zhǔn）裝置配合運用此方案進行檢測，這裏（lǐ）不再敘述。