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[摘 要]本文通过配置SIEMENS 840D数控系统的某五坐标数控机床加工出现误差的现象，论述数控机床的五坐标试件精度的测量方法，结合数控系统五轴标定功能，实现五轴数控机床数控系统的精度补偿，分析五轴加工的特点和难度，从而达到降低数控机床故障率，提高数控机床生产效率的目的，使数控机床的维修迈上一个新台阶，具有十分重要的意义。
[关键词]数控系统 加工误差 分析
1 概述
装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统。数控系统五轴联动的误差分析和补偿是五轴设备常见的问题。
2 五轴加工误差分析
根据五轴试件测量结果分析，圆锥圆度、中心孔与圆锥同心度未合格。AB轴五坐标头精度可能不合格，需要检测AB轴五坐标转心距。
测量原理如下：以A轴回转误差为例，设A轴理论回转中心G点坐标为（m，n），实际回转中心F点坐标为（m+pa，n+qa），误差为（pa，qa）。由千分表读数变化计算粗测量球球心实际位置和理论位置之间的水平误差值为Y1，竖直误差值为Z1，旋转角度为θ。
pa= [Y1（1-cosθ）- Z1sinθ]/[2（1- cosθ）]
qa=[Y1 sinθ+Z1（1-cosθ）]/[2（1- cosθ）]
同理，B轴回转误差为
pb= [X1（1-cosθ）+Z1sinθ]/[2（1- cosθ）]
qb=[-X1 sinθ+Z1（1-cosθ）]/[2（1- cosθ）]
SIEMENS 840D sl 數控系统在激活运动测量循环后，利用 5 轴标定测量功能，可以通过 3D 测头对空间球体的位置进行测量，利用测量空间内的曲面位置计算用于定义 5 轴转换（TRAORI和 TCARR）的几何矢量。该测量功能适用于 5 轴机床首次调试，也可以用于精密校正已经调试好的机床。
采用测量球半径20mm，测量AB轴五坐标转心距，结果误差0.02mm，基本符合加工精度要求。检测方法如下：
①选择将要检测的旋转轴（A或B轴），将两只千分表成直角摆放于大圆插补平面内，记录测量球半径、机床结构数据;
②将旋转轴角度调零，千分表对零;
③A轴做大圆插补，观测并记录Y、Z两个方向上的千分表读数变化，变换旋转角度并记录千分表读数变化值;
④B轴做大圆插补，观测并记录X、Z两个方向上的千分表读数变化，变换旋转角度并记录千分表读数变化值;
⑤通过变化角度以及对应千分表读数变化，再结合测量球半径值，换算出球心的位置变化量，再通过球心位置变化量和旋转角度推算出旋转轴心的误差。
针对产生误差的测量项目分析，必须检测其他与AB轴五坐标头有关的精度项目。在检测主轴头只旋转B轴时，主轴头沿着A轴旋转轴的轴线方向产生位移，其位移随B轴旋转的角度增大而增加。如采用机械调整的方法来解决工作量较大。根据误差量与B轴旋转角度值分析，两者基本是线性关系。通过调整数控系统参数，对误差进行补偿。修改MD31030 LEADSCREW_PITCH值，采用边修改边测量的方法。
3 五轴加工特点和难度
在五轴系统加工中，由于刀头可进入工件内部，刀具方向朝向工件表面，因此可使用短刀具加工。这样不仅可在不增加刀具负荷的条件下，提高切削速度，从而可提高刀具寿命、减少刀具损坏。而且还可减少在用三轴加工深型芯和型腔过程中，经常出现的刀具颤动，从而可得到质量更高的加工表面，减少甚至避免极其耗时的手工打磨工序。五轴系统加工还可用来加工形状极其复杂的、通常只能通过浇铸方法加工的形体。
总之，五轴联动数控机床系统能极大地提高加工效率和生产能力、显著地提高产品加工质量、缩短加工周期、大大地降低加工成本、可加工形状及其复杂的零件、可实现极其复杂的零件的快速成形和小批量生产。
五轴数控加工由于干涉刀具在加工空间的位置控制、其数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂。目前，五轴数控技术还普遍存在以下问题：
①五轴数控编程抽象、操作困难：五轴数控机床结构形式多样，同一段NC代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果，但对于五轴数控机床，同样的NC代码却不能适用于所有类型的五轴机床。五轴数控程编除了直线运动外，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。五轴数控加工的操作和编程技能密切相关，如果用户为机床增添了特殊功能，则编程和操作会更复杂。
②刀具补偿困难：为了简化零件的数控加工编程，使数控程序与刀具形状和刀具尺寸尽量无关。数控系统一般都有刀具长度和刀具半径补偿功能。前者可使刀具垂直于走刀平面（比如XY平面，由G17指定）偏移一个刀具长度修正值;后者可使刀具中心轨迹在走刀平面内偏移零件轮廓一个刀具半径修正值，两者均是对2坐标数控加工情况下的刀具补偿。
一般而言，刀具长度补偿对于二坐标和三坐标联动数控加工是有效的，但对于刀具摆动的四、五坐标联动数控加工，刀具长度补偿无效。在进行刀位计算时可以不考虑刀具长度，但在后置处理的算法及后置处理程序的编写不易掌握，并且，对于不同类型运动关系的数控机床，后置处理算法是不同的。
对于多坐标数控加工，一般的数控系统目前还没有刀具半径补偿功能，编程员在进行零件加工编程时必须考虑刀具半径的影响。对于同一零件，采用相同类型的刀具加工，当刀具半径不同时，必须编制不同的加工程序。
③刀具轨迹验证困难：用多轴数控机床进行一些复杂零件的数控加工时，数控加工程序在加工过程中是否发生过切，所选择的刀具、走刀路径、进退刀方式是否合理，刀具与约束控制面（非加工面）是否发生干涉与碰撞等，编程人员事先往往很难预料。现在仿真系统提供了仿真验证，用于检查刀具轨迹的相关问题。
④购置机床需大量投资：五轴机床和三轴机床之间的价格悬殊很大。三轴机床附加一个旋转轴基本上就是普通三轴机床的价格，这种机床可以实现多轴机床的功能。而五轴机床的价格比三轴机床的价格高出50%以上，有的特色机种的价格甚至要高几十倍。除了机床本身的投资以外，还必须对CATIA系统软件和后置处理器进行升级，使之适应五轴加工的要求;必须对校验程序进行升级，使之能够对整个机床进行仿真处理。
4 结论
根据数控设备维修的需求，结合数控系统功能，对SIEMENS 840D数控系统五轴标定功能进行分析、研究达到了预期效果，解决生产加工需求。由于五轴零件加工的复杂性，针对其误差分析确实值得研究总结。原理性的分析研究为今后的设备维修工作积累了大量的经验，对于今后应用具有极大的参考和推广价值。
[参考文献]
[1] 李诚人，现代机电控制系统，西安：西北工业大学出版社，1999;
[2] 王润孝，秦现生，机床数控系统，西安：西北工业大学出版社，1989;
[3] 彭炎午，计算机数控（CNC）系统，西安：西北工业大学出版社，1985;
[4] 孙大涌，先进制造技术，北京：机械工业出版社，1999。
[关键词]数控系统 加工误差 分析
1 概述
装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统。数控系统五轴联动的误差分析和补偿是五轴设备常见的问题。
2 五轴加工误差分析
根据五轴试件测量结果分析，圆锥圆度、中心孔与圆锥同心度未合格。AB轴五坐标头精度可能不合格，需要检测AB轴五坐标转心距。
测量原理如下：以A轴回转误差为例，设A轴理论回转中心G点坐标为（m，n），实际回转中心F点坐标为（m+pa，n+qa），误差为（pa，qa）。由千分表读数变化计算粗测量球球心实际位置和理论位置之间的水平误差值为Y1，竖直误差值为Z1，旋转角度为θ。
pa= [Y1（1-cosθ）- Z1sinθ]/[2（1- cosθ）]
qa=[Y1 sinθ+Z1（1-cosθ）]/[2（1- cosθ）]
同理，B轴回转误差为
pb= [X1（1-cosθ）+Z1sinθ]/[2（1- cosθ）]
qb=[-X1 sinθ+Z1（1-cosθ）]/[2（1- cosθ）]
SIEMENS 840D sl 數控系统在激活运动测量循环后，利用 5 轴标定测量功能，可以通过 3D 测头对空间球体的位置进行测量，利用测量空间内的曲面位置计算用于定义 5 轴转换（TRAORI和 TCARR）的几何矢量。该测量功能适用于 5 轴机床首次调试，也可以用于精密校正已经调试好的机床。
采用测量球半径20mm，测量AB轴五坐标转心距，结果误差0.02mm，基本符合加工精度要求。检测方法如下：
①选择将要检测的旋转轴（A或B轴），将两只千分表成直角摆放于大圆插补平面内，记录测量球半径、机床结构数据;
②将旋转轴角度调零，千分表对零;
③A轴做大圆插补，观测并记录Y、Z两个方向上的千分表读数变化，变换旋转角度并记录千分表读数变化值;
④B轴做大圆插补，观测并记录X、Z两个方向上的千分表读数变化，变换旋转角度并记录千分表读数变化值;
⑤通过变化角度以及对应千分表读数变化，再结合测量球半径值，换算出球心的位置变化量，再通过球心位置变化量和旋转角度推算出旋转轴心的误差。
针对产生误差的测量项目分析，必须检测其他与AB轴五坐标头有关的精度项目。在检测主轴头只旋转B轴时，主轴头沿着A轴旋转轴的轴线方向产生位移，其位移随B轴旋转的角度增大而增加。如采用机械调整的方法来解决工作量较大。根据误差量与B轴旋转角度值分析，两者基本是线性关系。通过调整数控系统参数，对误差进行补偿。修改MD31030 LEADSCREW_PITCH值，采用边修改边测量的方法。
3 五轴加工特点和难度
在五轴系统加工中，由于刀头可进入工件内部，刀具方向朝向工件表面，因此可使用短刀具加工。这样不仅可在不增加刀具负荷的条件下，提高切削速度，从而可提高刀具寿命、减少刀具损坏。而且还可减少在用三轴加工深型芯和型腔过程中，经常出现的刀具颤动，从而可得到质量更高的加工表面，减少甚至避免极其耗时的手工打磨工序。五轴系统加工还可用来加工形状极其复杂的、通常只能通过浇铸方法加工的形体。
总之，五轴联动数控机床系统能极大地提高加工效率和生产能力、显著地提高产品加工质量、缩短加工周期、大大地降低加工成本、可加工形状及其复杂的零件、可实现极其复杂的零件的快速成形和小批量生产。
五轴数控加工由于干涉刀具在加工空间的位置控制、其数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂。目前，五轴数控技术还普遍存在以下问题：
①五轴数控编程抽象、操作困难：五轴数控机床结构形式多样，同一段NC代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果，但对于五轴数控机床，同样的NC代码却不能适用于所有类型的五轴机床。五轴数控程编除了直线运动外，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。五轴数控加工的操作和编程技能密切相关，如果用户为机床增添了特殊功能，则编程和操作会更复杂。
②刀具补偿困难：为了简化零件的数控加工编程，使数控程序与刀具形状和刀具尺寸尽量无关。数控系统一般都有刀具长度和刀具半径补偿功能。前者可使刀具垂直于走刀平面（比如XY平面，由G17指定）偏移一个刀具长度修正值;后者可使刀具中心轨迹在走刀平面内偏移零件轮廓一个刀具半径修正值，两者均是对2坐标数控加工情况下的刀具补偿。
一般而言，刀具长度补偿对于二坐标和三坐标联动数控加工是有效的，但对于刀具摆动的四、五坐标联动数控加工，刀具长度补偿无效。在进行刀位计算时可以不考虑刀具长度，但在后置处理的算法及后置处理程序的编写不易掌握，并且，对于不同类型运动关系的数控机床，后置处理算法是不同的。
对于多坐标数控加工，一般的数控系统目前还没有刀具半径补偿功能，编程员在进行零件加工编程时必须考虑刀具半径的影响。对于同一零件，采用相同类型的刀具加工，当刀具半径不同时，必须编制不同的加工程序。
③刀具轨迹验证困难：用多轴数控机床进行一些复杂零件的数控加工时，数控加工程序在加工过程中是否发生过切，所选择的刀具、走刀路径、进退刀方式是否合理，刀具与约束控制面（非加工面）是否发生干涉与碰撞等，编程人员事先往往很难预料。现在仿真系统提供了仿真验证，用于检查刀具轨迹的相关问题。
④购置机床需大量投资：五轴机床和三轴机床之间的价格悬殊很大。三轴机床附加一个旋转轴基本上就是普通三轴机床的价格，这种机床可以实现多轴机床的功能。而五轴机床的价格比三轴机床的价格高出50%以上，有的特色机种的价格甚至要高几十倍。除了机床本身的投资以外，还必须对CATIA系统软件和后置处理器进行升级，使之适应五轴加工的要求;必须对校验程序进行升级，使之能够对整个机床进行仿真处理。
4 结论
根据数控设备维修的需求，结合数控系统功能，对SIEMENS 840D数控系统五轴标定功能进行分析、研究达到了预期效果，解决生产加工需求。由于五轴零件加工的复杂性，针对其误差分析确实值得研究总结。原理性的分析研究为今后的设备维修工作积累了大量的经验，对于今后应用具有极大的参考和推广价值。
[参考文献]
[1] 李诚人，现代机电控制系统，西安：西北工业大学出版社，1999;
[2] 王润孝，秦现生，机床数控系统，西安：西北工业大学出版社，1989;
[3] 彭炎午，计算机数控（CNC）系统，西安：西北工业大学出版社，1985;
[4] 孙大涌，先进制造技术，北京：机械工业出版社，1999。