五轴数控加工中心动态精度检验试件特性研究

伯特利数控 加工中心  钻攻中心  

 前言：

 随着制造业的高速发展，人们对数控加工中心精度的要求愈加苛刻，作为工业制造的母机，其精度直接影响产二的质量，捉•高数控加工中心精度成为众多^业和研宄机构的热门话题。从表现形式上看加工中心精度可分为两大类[1]:由几何误差和热误差引起的,与加工中心进给率大小无关的准静态精度；由于伺服作用和加减速过程中的结构变形、振动，且随进给率大小而变化的动态精度，包括伺服跟随误差、切削力下的受力变形及振动，在五轴加工中心中动态精度占比较人，m式件[力削足-种较好检验加工中心动态精度的方法，是对加工中心实际工作条件下精度的严格考验。

国家自然科学基金(51205048)和国家科技重大专项(2014ZX04014-031)资助项目。20160219收到初稿，20161021收到修改稿

数控加工中心精度检验的方法主要分为两类p]:①利用仪器直接对加工中心的精度进行检验；②通过机床加工具有特定几何特性的试件，测量加工后试件的误差从而间接反映加工中心的精度。文献[3]中介绍了利川激光干涉仪、自动准]'I:仪、水f仪、球杆仪、乎面光栅以及R-Test等仪器对加工中心的单项几何精度和联动精度进hM众验。文献丨4丨十介绍f通过切Hi丨NAS圆锥台试件、四角锥台试件、德国NCG2005试件以及中国“S”试件，并测量其切削精度，从而间接反映五轴数控加工中心的精度。然而应用仪器来对加工中心的精度进行检验，多是在加工中心静止状态或低速无载荷下进行，无法真实地反映加工中心在实际工作中产生的伺服系统误差、多轴联动误差以及热变形和振动误差，因此具有一定的局限性[5]。在加工中心实际运动过程中，加工中心受到材料、环境温度、刀具性能以及切削工况等的影响，极易造成加工误差，而

对具有特定几何特性试件的加:I:,能够A观真实地反映加工中心的加工性能，更好地检验加工中心的精度，这种间接检验加工中心精度的方法受到青睐。

对各种检验试件特性的分析能够从理论层面理解其具济检验性能的原因，迎过分析所加工试忭的轮廓误差，有助于更好地找出轮廓误差与加工中心动态精度之间的对应关系。常用的五轴数控加工中心精度检验试件有美国航空航天局(NASA)于1969年提出的NAS979标准中的圆谁台试件|6],如图I所兩；文献[7]和[8]提出的四角锥台试件，如图2所示；德国工厂提出的类字母“S”试件，如图3所示；以及中航工业成都飞机工业(集团)有限货任公司提出的中国“S”试件[9]，目前己纳入ISO 10791-7标准草案，如阁4所示。本文将从几何造型、儿何特性及加工特性三方面对这四种常用的检验试件特性进行对比分析，分析其具备检验特性的关键，并最终评判出各种试件的优劣性。

1四种检验试件型面特征分析

五轴加工中心在加:儿何特征型面时，JI:刀具位姿、各轴进给速度、加速度等需要不断变化以适应型面的几何特性。这些参数的变化，对加工中心的伺

服系统性能提出了考验，极易暴露出加工中心的缺陷。试件的几何造型决定了其不同的几何特性，对各种检验试件几何造型的分析是分析试件几何特性的前提。

圆锥台试件：圆锥台试件造型简单，由半径120mm，高80 mm,倾角为15°的圆锥构成。为满足五轴数控加工中心的加工，A要将JI:固定在上表面4水f面M 15°夹角的夹几匕如图1所示。

四角锥台试件：图2所示为四角锥台，其构型为在倾斜角为15°的“金字塔”上，削去塔尖而形成的一个菱形锥台。同样为了满足五轴数控加工中心的加r’用一个倾角为1尸的突几对其进行装夹

德国“S”试件：其由造型看似“S”形的缘条和矩形坫座构成，其中“S”缘条侧面为距离相差5() mm的h下基线构成的直纹面，h下基线均由、条It线段和两条半圆弧通过相切拼接而成，如图3所示，上下两个半圆经过错位(两圆心在水平面上的投影点距离约为4.4 mm)在中间平面处相切，形成了一个上下半圆不同轴的斜锥面。

屮国“S”试件：从外形上看，它与德国“S”试件大致相似，均由直纹面构型的“ S ”缘条和矩形基座构成，如闯4所示。不同的中国“S”试件的上下基线由距离为40 mm的两条准均匀3次B样条曲线构成，式(1)为准均匀3次B样条曲线的数学表达式[1'每条基线由12个控制顶点和基函数组合而成，式(3)为基函数表达式。

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结束语：

 本文针对四种常用的五轴数控加工中心检验试件，分别分析了其几何造型、几何特性及加工特性，从结果来看，各试件之所以具备检验加工中心动态精度的功能，最关键的因素就在于其具备不同的几何特性，迎过对比可以得到如F相关结论。

德国“S”试件屮不仅包含/圆锥台试件的锥面几何特征和四角锥台试件的平面特征，还增加了开闭角转换的区域，可以看作是两者的综合。在加工过程中，德国“S”试件的加速度跳变区域主要位于平面(1) 与圆锥面相切处及圆锥面的中间部位，其对加工中心的加减速性能提出了较苛刻的要求，较圆锥台和四角锥台两种试件具有更强的检验特性。

(2) 根据加工特性对比分析，加工中国“S”试件时加工中心各轴加速度跳变A较德国“S”试件多，主要集中在汗闭仂转换处及曲率较大处，其+断跳变的曲率+仅对加工中心的加减速性能提出更“的要求，而且对加工中心的动刚度也是一种考验。通过在同一台五轴加工中心上对两种检验试件的对比切削试验可以ft到，中国“S”试件的轮廓误差明W较徳国“S”-'U-U'h人，这反映广中国“s”试件难于加:1:的特点，更有利于检验加工中心的加工性能。

(3) 中国“S”试件是一种复杂的自由曲面，具有丰富多样的曲率变化和不同的曲面连续阶次过渡区域，包含了更为广泛的刀具空间姿态：开角、闭角及开闭角转换区域及扭曲角，这对加工中心加减速变化性能和空间精度覆盖考察更为全面。与单因素检验试件相比，中国“S”试件的多因素检验特性更贴近实际切削工况，史能完整地反映加工中心的动态精度，有利于对加工中心进行综合性能评价，是一种较为理想的五轴数控加工中心检验试件。

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