論五軸加工中心旋轉軸幾何誤差的現狀

高端五軸加工中心憑借其多自由度加工能力，在航天航空、汽車和精密模具等領域的復雜零件制造中發揮著關鍵作用 [1]。然而，在旋轉軸的制造和安裝過程中，由于制造精度和裝配精度等因素的影響，刀具在空間中的實際位置與理想位置存在偏差，從而導致工件在加工過程中產生形位誤差，這直接影響到機床的加工精度。另一方面，隨著機床在高負荷、高頻率的工作環境中，機械部件會發生逐漸磨損、變形、意外碰撞等情況，導致各部件之間的配合精度降低，從而影響機床整體的加工精度。因此，定期對機床精度評估是非常有必要的，國際標準化組織 ( International Organization for Standardization, ISO) 在 ISO 230?2 準則中也強調了 “定期檢驗” 的重要性 [2?3]。因此，隨著對加工精度要求的不斷提高，幾何誤差的高效測量與辨識成為提升高精密五軸機床性能的關鍵問題 [4]。為有效避免因機床精度誤差導致的零件缺陷和成本增加，眾多學者已開展了旋轉軸幾何誤差測量與辨識的深入研究。

加工中心上常用的高精度測量儀器有激光干涉儀 [5?6]、R?test [7?8]、球桿儀 [9?11]、激光跟蹤儀 [12?13]、在機測頭 [14?15] 等。旋轉軸幾何誤差呈現為相互耦合的形式，因此需要采用誤差分離算法對包含的各個單項幾何誤差進行解耦與辨識。激光干涉儀一般用于直線軸的誤差測量，針對于旋轉軸，皮世威等 [16] 提出一種旋轉軸與平動軸聯動的測量方法，實現了對 AC 雙轉臺和 BC 擺頭轉臺型五軸機床旋轉軸轉角度誤差的測量。該方法雖然能測量旋轉軸的關鍵轉角誤差，但是對機床的構型有一定要求且難以將全部綜合誤差進行分離。R?test 是一種針對于旋轉軸的誤差測量方法，其測量儀器主要由高精度位移傳感器和配套的精密測量球組成，通過測量機床運動后的球心位置變化完成空間誤差的測量。Ibaraki 等 [17] 提出了用 R?test 自動測量旋轉軸的靜態誤差和運動誤差的方法。球桿儀是一種新型的高精度測量儀器，可用于空間誤差的校準、三坐標機的精度檢測和旋轉軸相關誤差的測量 [18]，相比于 R?test 測量設備，其價格相對便宜且方便購置。Tsutsumi 等 [11] 提出了一種經典的測量旋轉軸靜態誤差的方法，通過設計 3 種不同的運動模式，讓機床在空間中做插補運動，分析球桿儀測量出的圓軌跡與標準軌跡的偏心率最終分離出所有靜態誤差。在此基礎上，Wang 等 [19] 提出了一種基于解析式而非計算偏心率的解耦方法。除此之外，研究人員還提出激光跟蹤干涉儀測量方案 [20] 和視覺測量方案 [21?22] 的方法。以上方法的試驗較為復雜，在同時測量靜態誤差和運動誤差時存在一定局限性，由于大部分方案的測量過程依賴高精度儀器，其不僅價格相對較高，并且機床系統集成有一定難度，對操作人員的專業知識水平有較高要求。

近年來，越來越多的機床集成了在機測量系統，相比于上述測量儀器，其精度雖然難以達到同一水平，但可以滿足高精度機床的幾何誤差測量要求，且非常適合進行短時間、周期性的精度檢查。目前基于測頭的在機測量方法已被廣泛應用于加工中心誤差的檢測與評定領域。Ibaraki 等 [17] 在該領域開展了系統而深入的研究，并于 2012 年提出了一種利用接觸式測頭對矩形特征的標準件進行在機測量的方法 [17]，通過相應的誤差辨識算法實現對旋轉軸各項幾何誤差的求解。Los 等提出一種基于標準球體件的測量方法，用于識別旋轉軸軸線的偏移誤差，并采用蒙特卡羅方法對相關幾何誤差參數的不確定度進行了評估。此外，在考慮機床實際負載工況的情況下，常通過切削試件與在機測頭相結合的方式，對機床誤差進行測量和辨識。在工業生產中，較為廣泛采用的是由美國國家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration, NASA) 提出的 NAS949 試件，主要用于三軸機床的精度評估，試件的特征結構包括圓孔、四棱臺、圓錐臺和菱形等；后有研究者提出錐臺試件，但該試件對五軸機床的誤差測量有一定局限性；項四通團隊 [23?25] 分別提出基于錯位塔型工件和雙特征槽工件的在機測量檢測方法。

然而，基于切削特征工件的測量方法仍然存在一定的局限性。一方面，為了放大幾何誤差對切削特征工件的影響，通常需要設計具有較大平面或較深切削特征的工件，這一過程中不可避免地引入了除幾何誤差外的其他誤差源，例如刀具誤差、工件誤差以及直線軸幾何誤差等，這些因素對誤差辨識精度產生了顯著干擾。另一方面，為了求解旋轉軸的所有幾何誤差項，需要針對不同類型的切削特征工件設計專門的誤差求解算法和不同的測量模式，對于不同構型或尺寸的機床，其測量與誤差辨識的復雜性和時間消耗較大，進一步增加了方法應用的難度和實際操作的挑戰。

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