数控机床RTCP精度补偿与分析

数控机床 RTCP精度补偿与分析

冯硕

沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁沈阳 110034

摘要

五轴联动数控机床是一个国家国防和工业的重要战略装备，在机械制造领域有着举足轻重的地位¹。数控机床的RTCP精度是机床五轴联动加工时重要的精度指标。五轴联动技术是数控加工中难度最大并且应用最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动控制和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。国际上一直把五轴联动技术作为衡量一个国家机械设备自动化技术水平的标志。

关键词：五轴数控机床，RTCP精度，精度补偿

引言

航空工业一直是一个国家工业技术的综合体现，航空器的研制最核心的两个部分一个是如何让飞机飞起来，另一个就是如何将飞机造出来。前者是依靠空气动力学，后者是靠机械加工能力和材料学。

当前的零部件设计日益复杂，各种复杂曲面对于数控加工的加工能力不断提出新的要求。拥有五轴联动技术的数控机床在加工复杂零件时，线性轴可以通过补偿刀具中心点因旋转产生的偏移，使得刀具时刻保持最佳的切削姿态²。从而可以提高加工效率，节省加工时间。

1.RTCP精度补偿的重要性

数控五轴机床的两个旋转轴中，自身旋转的同时影响到另一个旋转轴的为第一旋转轴，自身旋转的同时不影响另一个轴的为第二旋转轴³。这几年我厂的个别数控机床随着多年的使用以及磨损，机床的各项精度开始受到影响。有些机床的精度补偿参数与机床出厂时设置的参数已不再匹配，同时某些机床主轴为电主轴的机床，在更换完新主轴后，也需要重新进行RTCP精度的校正，所以五轴机床的RTCP精度补偿便尤为重要。只有掌握了RTCP精度调整的方法，才能有效的对五轴机床的精度进行补偿，保证零件加工的质量和效率。

通过实践研究，针对该机床的特点，结合西门子840D数控系统，研究出一套可行的校对补偿方案，对该机床进行RTCP精度补偿。

2.数控加工厂机床现状

2.1 数控机床的分类

数控五轴机床按旋转轴的特点可以分为三类。第一类是铣头旋转机床，两个旋转轴都在主轴侧。第二类是铣头+工作台旋转，两个旋转轴，一个在主轴侧，另一个在工作台侧。第三类是工作台旋转，为两个旋转轴都在工作台侧。⁴

2.2 RTCP精度调整的现状

目前业界对于五轴数控机床的RTCP精度补偿，有一套完整的RTCP精度补偿方案，但是对于第二类数控机床，由于缺少相关的RTCP精度补偿经验，往往只能通过尝试调整机床各进给轴的伺服增益参数（MD32200 POSCTRL_GAIN），机床加工转角时降速，或者参考第一类补偿方案通过调整机床参数MD24550[1],MD24550[2],MD24560[0],24560[2]进行调整。进行这些调整后，改进效果不明显，而且会消耗大量的时间，直接影响零件的加工效率。所以对第二类数控机床急需一种更好更可靠的测量补偿方案。

3.机床精度调整

3.1常规精度调整

由于机床的RTCP精度涉及到机床的三个线性轴，两个转动轴，所以在对机床进行RTCP参数补偿前，需要对各轴的垂直度，直线度，平面度，重复定位精度，机床各轴的反向间隙等精度进行校验。

由于涉及到联动，所以对于两个转动轴的零度校正也尤其重要。机床的两个转动轴为A,B轴。先对A轴进行校验，将百分表固定在工作台上，用百分表表针顶在芯棒下端的最高点，Z轴正方向运动的同时观察百分表指针读数，300mm长的距离，百分表指针变化小于0.03mm，再将A轴旋转-90°，用百分表的表针顶住芯棒侧母线的最高点，向上运动Y轴的同时观察百分表的指针读数，同样300mm长的距离，百分表指针变化小于0.03mm，A轴零度校验合格。

再对B轴进行零度校对，还是将百分表固定在工作台上，这次用百分表指针顶在芯棒的侧母线的最高点，Z轴正方向运动的同时观察百分表指针数读数，300mm长的距离，百分表指针变化小于0.03mm，B轴零度校验合格。

3.2机床零点调整

某型数控机床X,Y,Z,A,B五轴的测量系统均采用了绝对值编码器进行计数，绝对值编码器的优势在于，机床断电或者进行NCK Reset后，编码器仍能保留计数，所以机床重新上电后无需重新执行回零操作。由于机床机械传动部件的磨损，机床原有的机械零点位置可能出现偏移。当机床五轴联动运动时，机床会以线性轴的平动来补偿摆头轴（A轴）的摆动和转台轴（B轴）的转动，从而实现刀具中心在工件坐标系下保持不变。所以如果机床的零点位置存在误差，就会影响机床的RTCP精度。与此同时通过查阅机床资料得知，该型数控机床的X轴零点是B轴的回转中心同主轴的转动中心重合的位置，Z轴的零点是B轴的回转中心与主轴端面相交的点为Z轴的零点，所以在对这类第二类混合型机床进行RTCP精度补偿时，校对机床的X轴零点以及Z轴零点也同样重要。如图3-4所示，首先将机床A轴运行到-90°，已得知机床的转心距为l，将Z轴运行至-l处。将百分表固定于工作台上，当B轴为0°时，用百分表的指针顶在芯棒侧母线的高点，同时记录下此时百分表读数，再将B轴进行旋转，度数从0°转至360°，观察百分表的读数，全程变化应该在0.01mm以内，如果在B轴的旋转过程中，读数变化大于0.01mm,可以通过用手轮调整机床X轴和Z轴的坐标位置，使得在B轴旋转过程中，百分表的指针度数小于0.01mm,精度达到要求。具体做法是记录当B轴为0°，180°时百分表读数的相差值，对Z轴进行补偿。当B轴为90°,270°时记录百分表读数的相差值，对X轴进行补偿。最后再对X和Z轴位置进行微调，从而达到精度要求。

3.3校正机床转心距

机床转心距为机机床的主轴端面到主轴头转动中心的距离，同样对于机床RTCP精度至关重要，先将专用的芯棒安装到主轴上，再将磁力百分表固定在工作台上，然后将机床的A轴旋转至-90°，然后用手轮移动Z轴，通过移动Z轴，将百分表压至一个定值，记录此时的Z轴坐标为A,再将A轴旋转到0°,再通过移动Z轴，将百分表压至相同读数，记录此时的Z轴坐标为B。芯棒长为l，芯棒的半径为r，然后求得

转心距=(A-B)-l+r

再将计算出的转心距设置到机床通道参数MD24500[2],24550[2],24600[2],24650[2]中。

4 RTCP精度检验过程

4.1 RTCP精度检验方法

机床RTCP精度是利用百分表和球头检棒进行检验，球头和检棒的接触方式为两种，一种为下顶表，另一种为侧顶表。将球头检棒安装在主轴上，两块百分表均固定于工作台上，百分表指针分别顶在球头的高点处和侧母线的最高处 在刀具列表中置入刀长，切换为MDI模式下，设置当前原点为G54,执行程序, 分别对A,B两轴进行测试，并记录百分表读数。

以A轴为例：

G54;

TRAORI;

G54 G90 G01 A30°F500;

A0;

M00;

A-30;

M00;

A0;

TRAFOOF;

M30;

4.2补偿前后精度对比

在对机床进行RTCP精度补偿后，对比前后两组精度数据（单位mm），补偿前数据A轴±30°误差侧顶表0.25，下顶表0.03，B轴±30°误差侧顶表0.19，下顶表0.03。补偿后数据A轴±30°误差侧顶表0.05，下顶表0.03，B轴±30°误差侧顶表0.03，下顶表0.01。

结论

本文通过研究五轴联动技术，针对第二类铣头+工作台旋转机床的特点，建立了一套完整的RTCP精度校验补偿的方案。通过对比补偿前后的RTCP精度数据，对试切件进行检验。机床的RTCP机床较之前有大幅度的提升。证明了该方案的可行性，同时也丰富了类似机床RTCP精度补偿的方法，为后期的精度补偿恢复工作积累了宝贵经验。

参考文献

1 林胜 五轴数控机床发展及应用航空精密制造技术[J]，2005，41（4）：1-6

2 Liang quan，Wang Yong-zhang．The application of RTCP and RPCP technology for 5-axis NC system［J］．Modular MachineTool&Automatic Manufacturing Technique，2008，( 2) : 62-65

3顾潇 五轴联动机床RTCP控制及其结构参数测量研究[D],2008,(1),9-10

4 西门子（中国）有限公司，SINUMERIK 840D 五轴应用调试手册，2004，（1）6-7

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