五轴加工中心在机测量几何误差试验

在五轴加工中心上，使用本文提出的测量及辨识方案研究旋转轴的几何误差。同时，依据空间误差补偿方法，对比前后关键误差项的结果，验证本文方法的准确性。

4.1 试验设置

如图11所示，试验加工中心为U350型叶片五轴加工中心，该加工中心X/Y/Z行程分别为900/350/350mm，旋转轴A1与U1轴，其转角行程为±360°，B轴转角行程为±45°加工中心采用西门子数控系统。

[图11 U350叶片加工中心]

测头型号为雷尼绍RMP600，配合长度150mm、测球直径6mm的测杆使用。测量精度为1 μm，重复度误差为0.25 μm，其在各个方向探测精度相同，能够实现A轴多个角度上的工件探测。

试验流程为：1)设备的安装与标定，如图12所示，首先将工件组装并固定到加工中心的转台上，安装位置不做精确要求，标定包括测球半径标定和姿态标定，其中需要标定红宝石球的+X、+Y、-X、-Y以及30°、60°、120°、150°、210°、240°、300°、330°各方向的球半径，姿态标定需确认测球球心相对于主轴中心的X和Y向偏置及测针长度，以确保测量的准确度。2)将两根旋转轴都转到零位，利用五点测量法测得3个标准球的球心坐标作为参考点，以步长30°计算出所有理论位置的坐标，接着编写G代码程序，实现全程自动化测量，并结合OPC UA协议进行数据采集和传输，单个旋转轴的测量过程约15 min。3)将测量数据导出整理，利用辨识算法对PIGEs和PDGEs进行分步辨识。4)通过G代码补偿辨识出的A轴角定位误差，从而评估测量结果的稳定性和有效性。

[图12 标准工件与测头安装]

4.2 测量结果及与验证

在SMU350型叶片五轴加工中心上进行多次试验，其测量结果与辨识结果均有重复性。式(26)给出了试验加工中心的A轴的PIGEs各项误差辨识结果，即：

图13展示了PDGEs各项误差的辨识结果。在测量过程中，考虑到测头与工件之间的运动干涉问题，特别是在A轴处于180°位置时只能测到两个标准球数据。因此，需要单独考虑该位置的辨识结果，或直接剔除。

[图13 试验加工中心PDGEs辨识结果]

由于该加工中心没有集成的多误差补偿系统，因此针对关键误差项：A轴角定位误差，进行G代码补偿，即在每次旋转时，补偿该角度下的角定位误差，接着重复测量与辨识步骤，对比补偿前后的结果。该补偿方法简单高效，可以快速验证辨识算法的有效性。图14展示了EAA补偿前后的对比结果。

[图14 补偿前后EAA辨识结果]

表5 误差补偿前后的EAA

角度/(°)	补偿前/μrad	补偿后/μrad	提升率/%
0	-	-	-
30	-84.239	-4.51	94.65
60	-76.779	7.75	89.91
90	-50.660	-1.35	97.34
120	35.584	-3.85	89.18
150	76.852	-34.36	55.29
180	-	-	-
210	121.280	34.03	71.94
240	165.370	26.71	83.85
270	168.240	21.88	86.99
300	172.090	13.90	91.92
330	131.810	23.46	82.20

可以看到，补偿后30°~330°的角定位误差有明显的减小，表5列出了补偿前后的具体辨识结果。

EAA分别降低到-4.51、7.75、-1.35、-3.85、-34.36、-8.13、34.03、26.71、21.88、13.90、23.46 μrad，补偿前的误差变化范围为-84~168.23 μrad，最大幅值差为252.48 μrad，补偿后的变化范围降低至-34.4~34.4 μrad，最大幅值差为68.38 μrad，降低了72.92%。说明该加工中心的角定位误差被有效补偿，本文算法的有效性和自补偿性得以验证。

进一步验证本文辨识算法的准确性，利用雷尼绍回转轴校准装置对加工中心A轴进行直接测量。XR20无线型回转轴校准装置包含一个安装在精密伺服控制轴上的集成式角度反射镜。配合雷尼绍XL-80激光干涉仪使用，可以对回转轴进行高精度、可重复的测量与校准，该型号激光干涉仪能够以50 kHz频率采集数据，最高线性测量速度达到4 m/s，测量分辨率为1 nm，在整个环境范围内，精度高达±0.5 ppm。试验布置如图15所示。

[图15 XR20转角测量仪试验布置]

雷尼绍XR20转角测量仪的测量原理及流程为：已知试验加工中心的A轴为工作台，其旋转中心位置已标定。首先从加工中心系统读取A轴旋转中心坐标，并将集成式角度反射镜精确安装于该旋转中心处。随后将A轴行程(0°~360°)按等角度划分为n个区间；A轴每旋转一个分度角θ时，反射镜随转轴转至对应测量位置。转动完成并稳定后进行一次转角测量。角度测量原理如图16所示：角度反射镜相对于角度干涉镜发生转动，使两束反射光的光程产生差异。测量软件根据接收的发射光与反射光之间的光程差进行计算，并将其换算为对应的角度误差。

[图16 激光干涉仪角定位误差测量原理]

为了确保测量结果的准确性和重复性，本次试验对A轴的角定位误差进行5次测量，并与在机测量试验中A轴在相同位置处的角定位误差值进行对比，结果如图17所示。

[图17 在机测量结果与XR20测量结果对比]

以在机测量辨识结果为参考，将激光干涉仪5次测量值取平均后比较可得：两者的平均绝对偏差为-1.091 μrad，平均相对偏差约为1.59%。从各测点分布看，120°位置处相对偏差最大，3.78%；240°位置处最小，为0.55%。按重合测点逐一统计，两种方法在各位置处的绝对差值约为0.872~1.707 μrad，二者之间存在一定系统性差异。该差异主要来源于旋转轴自身的重复定位误差；此外，激光干涉仪测量结果还可能包含一定的累积误差，其主要成因为旋转轴热漂移及反向间隙等因素的影响。

综上所述，对比试验结果表明，本文方法的测量结果与激光干涉仪直接测量结果在总体上具有良好一致性，两者之间的偏差相对于角定位误差本身的量级较小，验证了本文方法的有效性。