双五轴镜像铣机床精度测量与补偿优化技术

双五轴镜像铣机床是用于飞机蒙皮、火箭箱底等大尺寸薄壁零件加工的高端数控装备，与常规五轴机床相比，镜像铣装备具有超大行程空间和十轴联动的特点，为了保证飞机蒙皮零件轮廓和壁厚的高精度加工，双五轴镜像铣机床需要在大行程范围内实现高空间精度，在高进给速度下实现高动态五轴联动精度，并实现双侧五轴末端的高同步同轴精度。拓璞数控经过十余年自主研发，形成了包括直线轴空间精度、旋转轴空间精度、五轴联动动态精度和同步同轴精度等在内的系列化成套测量与补偿技术体系。

1.直线轴空间精度测量与补偿

单侧五轴机床的每个直线轴移动部件共有6项位置相关几何误差（PDGEs），其中包括3项位移误差和3项角度误差，同时，由于机床三个坐标轴XYZ相互垂直，故还存在三个垂直度误差,即位置无关几何误差（PIGEs），单侧五轴机床3个直线轴共存在21项几何误差，双侧五轴6个直线轴共存在42项几何误差。

上海拓璞数控基于激光跟踪仪、激光跟踪干涉仪、多自由度激光干涉仪、激光跟踪干涉仪测量场等多种高精度测量仪器，研发了直线轴21项空间误差的测量与补偿方法，规划了体面对角线、空间网格、中切面等多种不同应用场合的测量路径，在双五轴镜像铣上的应用效果显示，在空间误差补偿前后，刀尖点空间定位精度能够提升70%以上。

图 1 双五轴镜像铣三轴空间误差测量

2.旋转轴空间精度测量与补偿

单侧五轴机床每个旋转轴共有6项位置相关几何误差元素，其中包括3项位移误差，3项角度误差，同时，由于每个旋转轴在直线轴XYZ坐标系下还存在4项旋转轴线的位置无关几何误差，故单侧五轴机床2个旋转轴共有20项几何误差，包括12项位置相关几何误差和8项位置无关几何误差。

上海拓璞数控研发了基于在机红宝石测头和标准球的静态打点测量方法，实现了镜像铣双摆头8项PIGEs的自动测量与校准，研发了R-test测量仪器和旋转轴几何误差动态测量方法，实现了8项PIGEs的快速测量校准，研发了基于激光跟踪干涉仪的多边测量方法，实现了对双摆头12项PDGEs的离散网格点测量与补偿。

图 2旋转轴空间误差的测量

3.五轴联动运动精度测量与优化

五轴联动运动精度受到旋转轴与直线轴联动过程中伺服增益失配误差、反向误差、螺距补偿误差等数控系统控制误差影响，同时也受到运动轴定位误差、几何误差影响。多种误差源在五轴机床运动过程中的综合效应最终导致刀尖点理论轨迹的偏差。

上海拓璞数控研发了基于球杆仪的五轴机床旋转轴和直线轴联动误差测试方法，该方法测试路径只需要单个旋转轴和单个直线轴的同步运动，能够有效地识别旋转轴的动态反向误差、比例不匹配误差、位置环增益误差、轴线倾斜角误差等误差源。研发了一种模拟S试件切削的S轨迹运动学测试方法，能够单纯反映五轴机床本身的动态精度。通过上述方法，能够有效指导五轴联动运动精度的调试优化。针对镜像铣单侧双摆头五轴联动RTCP误差，拓璞数控还研发了RTCP误差的补偿系统，能够实现对刀尖点在全刀轴旋转范围内的高精度补偿。

图 3五轴联动运动精度的测量与优化

4.双侧同步同轴精度测量与优化

镜像铣机床双侧五轴的同步同轴运动精度是保证镜像铣削过程中壁厚控制稳定的关键，上海拓璞数控研发了镜像铣高精度同步同轴检测仪器与测量方法，在测量镜像运动末端同步位置精度的基础上，同时检测了运动末端的轴线角度误差，保证了镜像铣削设备的同步与同轴精度。

图 4镜像铣同步同轴精度检测方法

综上所述，上海拓璞数控针对航空航天曲面薄壁蒙皮镜像铣削装备在大空间、高速度下的高精度需求，研发了直线轴空间精度、旋转轴空间精度、五轴联动动态精度和同步同轴精度的测量、补偿和优化技术，形成了一系列测量与精度提升方法，实现了双五轴 80余项空间误差源的测量、分离与补偿，空间精度较常规五轴机床大幅提升，实现了镜像铣机床动态联动精度的测量优化，五轴联动动态RTCP精度提升到0.02mm，并进一步发明了双五轴同步同轴精度测量技术，有效测量刀尖点和刀轴方向的同步误差，为双五轴镜像铣设备大空间高速度运行下的同步精度达成提供了测量与提升手段，使镜像铣整机双五轴联动同步空间运动精度达到±0.1mm以内，满足了镜像铣机床的加工精度需求。