緊接上一期的純干貨：旋轉(zhuǎn)軸定位精度在五軸加工中的關(guān)鍵，主要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行討論：

1、討論機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸的全閉環(huán)和半閉環(huán)控制模式；

2、討論5軸加工涉及兩個(gè)高精度定位的旋轉(zhuǎn)軸在機(jī)床加工中的作用；

小編就上一篇的實(shí)驗(yàn)情境，為各位提供實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

盡管被測(cè)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)通常在全閉環(huán)控制下工作，但是調(diào)整該機(jī)的參數(shù)也能輕松地在半閉環(huán)控制模式下定位該機(jī)床的工作臺(tái)。因此，可以直接比較兩種控制模式下的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的位置誤差（參見(jiàn)圖7和圖8）。為進(jìn)行比較，沿工作臺(tái)圓周均勻分布720個(gè)測(cè)量點(diǎn)，首先進(jìn)行雙方向接近：順時(shí)針（CW）和逆時(shí)針（CCW）。高分辨率的定位特性表現(xiàn)在位置一致性、位置獨(dú)立性和在旋轉(zhuǎn)軸定位中無(wú)系統(tǒng)性的影響。在全閉環(huán)控制中，旋轉(zhuǎn)軸在整個(gè)角度測(cè)量范圍內(nèi)都能達(dá)到高定位精度，在正向和反向接近之間幾乎難以區(qū)分接近方向。該測(cè)量曲線主要體現(xiàn)位置控制下的角度編碼器工作特性。在半閉環(huán)控制下，雙方向之間存在明顯的反向誤差，變化范圍顯著大于單方向接近。主要原因是機(jī)械傳動(dòng)部件中與位置相關(guān)的誤差（例如間隙、摩擦和齒輪嚙合因素）。順時(shí)針測(cè)量中的高頻振幅大于逆時(shí)針測(cè)量時(shí)的高頻振幅，這表明齒面已磨損，這個(gè)現(xiàn)象與常用的旋轉(zhuǎn)方向吻合。

用基準(zhǔn)編碼器定位回轉(zhuǎn)工作臺(tái)位置精度

這里介紹的測(cè)量全部在上述機(jī)床上進(jìn)行?？刂葡到y(tǒng)允許在全閉環(huán)與半閉環(huán)模式之間切換。在全閉環(huán)模式中，用RCN 8310角 度編碼器進(jìn)行位置反饋。在半閉環(huán)模式 下，用電機(jī)編碼器信號(hào)和蝸輪速比計(jì)算回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的位置。由于在同一臺(tái)機(jī)床上測(cè) 量，使用同一套進(jìn)給軸傳動(dòng)系統(tǒng)，因此可 以直接進(jìn)行比較。用ISO 230-2和ISO 230-3標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)量步驟確定回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定位精度。

在生產(chǎn)中，要提高品種規(guī)格的靈活性，需要使用5軸加工技術(shù)。用通用性的工裝夾具系統(tǒng)可進(jìn)行多面和完整加工并提高自動(dòng)化程度、靈活性和機(jī)床利用率。由于5軸技術(shù)允許大量使用標(biāo)準(zhǔn)刀具，允許在銑削路徑上改變刀具方向，以加工復(fù)雜的幾何形狀。

用ISO 230-2 標(biāo)準(zhǔn)確定靜態(tài)定位精度

首先，用ISO 230-2標(biāo)準(zhǔn)確定回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的靜態(tài)定位精度。為此，將360°的測(cè)量范圍均勻分為12份，間隔為30°。這樣的角度步距正好是用多面反光境的準(zhǔn)直儀的典型測(cè)量點(diǎn)數(shù)。用1000 °/min的進(jìn)給速率順序接近測(cè)量點(diǎn)。然后，用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的基準(zhǔn)編碼器在靜態(tài)時(shí)測(cè)量最終位置。為了獲得有統(tǒng)計(jì)意義的測(cè)量結(jié)果，在順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)中重復(fù)操作五次。為進(jìn)行比較測(cè)量，使用近似的初始條件，不僅使用同一臺(tái)機(jī)床，而且不使用在控制系統(tǒng)中保存的兩種控制模式下的C軸補(bǔ)償表。 

在全閉環(huán)控制模式下（圖9），測(cè)量精度穩(wěn)定在±1.3"范圍內(nèi)，符合使用角度編碼器的預(yù)期。比較發(fā)現(xiàn)，半閉環(huán)控制下的測(cè)量結(jié)果（圖10）表明回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在任意旋轉(zhuǎn)方向下的定位精度較低，僅±5"。此外，在改變接近方向時(shí)，明顯可見(jiàn)31"的反向誤差。在第二次測(cè)量中順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，已將12個(gè)采樣點(diǎn)處的定位精度值保存在補(bǔ)償值表中并已激活該表。

在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)上設(shè)置非線性誤差補(bǔ)償并將其激活后，現(xiàn)在兩種控制模式下都達(dá)到優(yōu)異的測(cè)量結(jié)果，達(dá)到可接受的精度等級(jí)（參見(jiàn)圖11和圖12）。全閉環(huán)控制下，精度提高到±0.35"。在半閉環(huán)控制下的測(cè)量中，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍上的位置誤差較低，只有±1.4"。然而，1.0"的較小反向誤差仍較明顯。在這里，必須注意補(bǔ)償值代表機(jī)床的離散狀態(tài)，只適用于第一次測(cè)量，而且表中的測(cè)量值為靜態(tài)值。但是在工作期間，由于熱負(fù)載和機(jī)械負(fù)載以及機(jī)械部件磨損，機(jī)床狀態(tài)和位置變化并不一致。因圖13：根據(jù)ISO 230-2標(biāo)準(zhǔn)半閉環(huán)控制下的位置誤差 （60個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用補(bǔ)償）此，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，用靜態(tài)表補(bǔ)償位置誤差將難以達(dá)到圖11和圖12中的高質(zhì)量。

在半閉環(huán)控制模式下重復(fù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量中使用12個(gè)采樣點(diǎn)和60個(gè)測(cè)量點(diǎn)，從中可見(jiàn)補(bǔ)償使用的采樣點(diǎn)之間的定位精度特性。對(duì)于用準(zhǔn)直儀和多面反光鏡的測(cè)量，這是典型的采樣點(diǎn)數(shù)。圖13顯示多次測(cè)量的結(jié)果。從圖中可見(jiàn)，位置誤差較大，達(dá)±4.5"，反向誤差達(dá)4.0"。此外，在選定采樣點(diǎn)之間，明顯可見(jiàn)高階非線性情況。類(lèi)似于圖8中的小范圍誤差，無(wú)法用圖10中的補(bǔ)償值進(jìn)行建模，因此數(shù)控系統(tǒng)無(wú)法處理。在半閉環(huán)控制中使用補(bǔ)償表不能確保達(dá)到采樣點(diǎn)間的定位精度，最終結(jié)果與圖12顯著不同。因此，這種補(bǔ)償方式只適用于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)接近已知的位置。例如，3+2軸加工就是該情況。 

理論上，數(shù)控系統(tǒng)的靜態(tài)補(bǔ)償表可用大量采樣點(diǎn)，但需要進(jìn)行不切實(shí)際的大量測(cè)量。而且，加工中和測(cè)量期間，機(jī)床的熱狀態(tài)并非一成不變。這將在下面討論。

根據(jù)ISO 230-230 標(biāo)準(zhǔn)確定熱漂移也就是溫度對(duì)加工的影響

根據(jù)ISO 230-3標(biāo)準(zhǔn)，每種控制模式下進(jìn)行的測(cè)量表明：旋轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)鏈及旋轉(zhuǎn)軸的其它機(jī)械部件發(fā)熱導(dǎo)致位置漂移。在該測(cè)量中，在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中根據(jù)前面介紹的采樣點(diǎn)激活補(bǔ)償。此外，還根據(jù)ISO 230-3標(biāo)準(zhǔn)確定位置漂移對(duì)旋轉(zhuǎn)軸精度的影響。為此，定義兩個(gè)位置（0°和180°）并從兩個(gè)方向接近（順時(shí)針和逆時(shí)針）。在各次測(cè)量之間，用3000 °/min的進(jìn)給速率進(jìn)行5次周期性運(yùn)動(dòng)，使該測(cè)量范圍（0°至180°）的溫升達(dá)到要求。連續(xù)記錄測(cè)量值直到回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的位置停止熱漂移。 

測(cè)量結(jié)果如圖14所示，在全閉環(huán)控制中使用角度編碼器，即使旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行周期性運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)鏈部件的溫度升高，也能保持定位精度的穩(wěn)定。在這種結(jié)構(gòu)配置下，位置受溫度影響并由角度編碼器測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果反饋給位置控制環(huán)。該測(cè)量中的最大值為0.5"。 

與全閉環(huán)模式相比，半閉環(huán)模式下的定位精度隨時(shí)間而發(fā)生很大變化（圖15）。變化涉及兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)是幅值，最大達(dá)8"，另一個(gè)是大約2分鐘的較短時(shí)間常數(shù)。此外，位置漂移因素在0°測(cè)量位置重疊。該因素是加工中心結(jié)構(gòu)件發(fā)熱導(dǎo)致的結(jié)果，時(shí)間常數(shù)明顯較長(zhǎng)。因此，兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離也不斷變化。 

此外，兩個(gè)接近方向的反向誤差增加到3"。在部分應(yīng)用中，無(wú)論允許多大的誤差，在許多加工應(yīng)用中，時(shí)間常數(shù)短都是問(wèn)題。例如小批量加工應(yīng)用或周期性的變化，旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行定位運(yùn)動(dòng)，然后靜止（反方向加工）和軸的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。更換破損刀具也屬于這種時(shí)間常數(shù)問(wèn)題。 

對(duì)于被測(cè)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，使用補(bǔ)償表并無(wú)幫助。大約25分鐘后位置誤差似乎達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，每次機(jī)床或進(jìn)給軸停止運(yùn)動(dòng)后其狀態(tài)又發(fā)生改變，例如二次裝夾或裝夾新件。這導(dǎo)致可獲得的精度具有嚴(yán)重的不確定性，并直接影響5軸聯(lián)動(dòng)加工，甚至3+2軸加工的工件精度。

結(jié)論

從高端加工中心的標(biāo)準(zhǔn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)可見(jiàn)：在半閉環(huán)控制模式下，10分鐘內(nèi)的位置誤差可達(dá)8"。相當(dāng)于0.5 m半徑上的偏差達(dá)20 μm。旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，它包括伺服電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，環(huán)境因素也導(dǎo)致多種誤差難以測(cè)量，幾乎無(wú)法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)軸的位置誤差在線補(bǔ)償。 

通過(guò)使用適當(dāng)基準(zhǔn)編碼器進(jìn)行比較測(cè)量，在全閉環(huán)和半閉環(huán)控制模式下對(duì)機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定位精度進(jìn)行這項(xiàng)測(cè)量。通過(guò)測(cè)量可以確定旋轉(zhuǎn)軸的靜態(tài)定位精度和在周期性負(fù)載導(dǎo)致發(fā)熱情況下的定位精度穩(wěn)定性。也相應(yīng)地確定和比較12個(gè)采樣點(diǎn)處的測(cè)量點(diǎn)補(bǔ)償?shù)男Ч?。在全部這些測(cè)量中，全閉環(huán)控制模式都表現(xiàn)出穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，定位精度高和反向誤差小。在半閉環(huán)控制模式下，通過(guò)補(bǔ)償可以明顯提高初期定位時(shí)的誤差，但是在周期性的負(fù)載作用下，傳動(dòng)系統(tǒng)的部件無(wú)法保持穩(wěn)定的精度。測(cè)量結(jié)果顯示，較短時(shí)間常數(shù)的主要特點(diǎn)是機(jī)械傳動(dòng)系的溫度隨時(shí)間發(fā)生變化。實(shí)際上造成機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行補(bǔ)償。還可看到，用補(bǔ)償?shù)姆绞綗o(wú)法抵消采樣點(diǎn)間的高階、非線性影響。

在全閉環(huán)控制模式下，用海德漢角度編碼器直接測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)。這樣就能在位置控制環(huán)中考慮大部分影響因素和時(shí)間導(dǎo)致的機(jī)械系統(tǒng)的變化。這些因素包括機(jī)械傳動(dòng)誤差、溫度影響和磨損。唯一例外的誤差是角度編碼器可測(cè)量的誤差，但其動(dòng)態(tài)性能超出位置控制環(huán)動(dòng)態(tài)性能范圍。RCN系列內(nèi)置軸承和定子聯(lián)軸器的絕對(duì)式角度編碼器是帶機(jī)械傳動(dòng)件的高精度旋轉(zhuǎn)軸的理想選擇，也是直驅(qū)技術(shù)的理想選擇。這些編碼器采用全封閉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此擁有較高系統(tǒng)精度、安裝簡(jiǎn)單且抗污染性能卓越。如果由于結(jié)構(gòu)原因而無(wú)法安裝編碼器，還可選用光學(xué)掃描的模塊型角度編碼器。ERA 4000和ECA 4000系列產(chǎn)品都提供相當(dāng)多的信號(hào)周期數(shù)，擁有高定位精度。對(duì)于這里討論的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)應(yīng)用，需要特別注意回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的軸承的剛性和工作性能，其性能直接影響角度編碼器實(shí)際可達(dá)到的測(cè)量精度，因此影響回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定位精度。旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)需要為高過(guò)程可靠性和高產(chǎn)量的5軸加工應(yīng)用提供理想的工作條件。