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前言：

現(xiàn)代CNC加工中心正在向高精度，高速化方向不斷發(fā)展，對(duì)其性能、精度及效率等方面的要求也隨之不斷提高。CNC加工中心的精度表現(xiàn)與加工中心設(shè)計(jì)、制造裝配、伺服驅(qū)動(dòng)、CNC系統(tǒng)、材料等都密切相關(guān)。而在CNC加工中心的加工過程中，相比幾何精度、熱變形等造成的誤差，加工中心動(dòng)態(tài)性能對(duì)加工中心加工精度的影響較為突出，占據(jù)加工中心全部加工誤差的主要部分[1]。

檢測(cè)加工中心動(dòng)態(tài)性能的方法通常有兩種：①通過儀器檢測(cè)，主要包括球桿儀、激光干涉儀、圓光柵等[2]，可以有效測(cè)量單軸的定位誤差、反向間隙及加工中心各運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)平面圓度誤差等。張?jiān)芠3]設(shè)計(jì)了一種五坐標(biāo)動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)工具，該工具能夠結(jié)合RTCP功能準(zhǔn)確地對(duì)加工中心進(jìn)行動(dòng)態(tài)精度檢驗(yàn)，并能有效避免由于各種原因引起的檢測(cè)誤差。②通過加工典型標(biāo)準(zhǔn)試件來檢測(cè)，目前有美國航天工業(yè)協(xié)會(huì)提出的NAS979圓錐臺(tái)試件、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的ISO檢測(cè)試件等。范世平等[4]提出了通過NAS979圓錐臺(tái)試件對(duì)AC雙擺頭型五軸CNC加工中心加工精度的檢測(cè)方法。Ohta等[5]分析了五軸CNC加工中心動(dòng)態(tài)特性變化對(duì)四角錐臺(tái)輪廓誤差的影響。中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司針對(duì)加工中心性能檢測(cè)，制造了一種S形檢測(cè)試件W。S形試件是通過在上下兩個(gè)等距離平面經(jīng)過給定的5()個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)分別構(gòu)建一條s形三階樣條曲線，通過上下兩條樣條曲線構(gòu)造直紋面，將直紋面拉厚，再加上矩形基座構(gòu)成的。

杜麗等[7]研究了 s形試件在幾何造型方面的特性,證明了 s形試件的加工能夠體現(xiàn)加工中心多軸聯(lián)動(dòng)精度及加工中心的動(dòng)態(tài)剛度性能。王偉等[8]通過仿真和實(shí)驗(yàn)討論了加工中心一些重要參數(shù)對(duì)于s形試件加工誤差的影響，并給出了加工精度的預(yù)測(cè)和分析方法。彭志軍等1X1提出了一種基于3形試件檢測(cè)量結(jié)果及RTCP精度檢驗(yàn)的用于加工中心動(dòng)態(tài)精度快速檢測(cè)與優(yōu)化的方法，并在多臺(tái)加工中心上展開應(yīng)用。

S形試件具有薄壁，剛性差，幾何特征上又擁有連續(xù)變化的開閉角、扭曲角及平面曲率等特點(diǎn)，其加工精度能夠反映加工中心的加工性能，考驗(yàn)加工中心的加工能力。但目前關(guān)于S形試件加工精度與加工中心動(dòng)態(tài)性能之間的映射關(guān)系的研究未見報(bào)道，不能通過S形試件的加工誤差對(duì)加工中心的動(dòng)態(tài)性能作出定性和定量的分析，對(duì)加工中心誤差的溯源和辨識(shí)缺乏映射關(guān)系的指導(dǎo)。由于S形試件具有對(duì)稱性，故本文主要針對(duì)選取S形試件的A面進(jìn)行輪廓誤差與機(jī)床動(dòng)態(tài)特性之間映射關(guān)系的分析和研究。

1仿真模型的建立

1.1運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)給系統(tǒng)建模

CNC加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的仿真建模已經(jīng)十分成熟，文獻(xiàn)[10-11]分別通過對(duì)平動(dòng)軸與旋轉(zhuǎn)軸伺服結(jié)構(gòu)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡化，基于PID控制原理將進(jìn)給系統(tǒng)通過傳遞函數(shù)的方式進(jìn)行建模分析。CNC加工中心的進(jìn)給控制系統(tǒng)一般采用三環(huán)控制，即電流控制環(huán)、速度控制環(huán)與位置控制環(huán)。由于電流環(huán)的響應(yīng)非常快，并且在加工中心中經(jīng)過初始設(shè)定后一般不再改變，所以本文將一般的三環(huán)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)簡化為位置環(huán)、速度環(huán)兩環(huán)控制的進(jìn)給伺服系統(tǒng)，并參照文獻(xiàn)[10-11 ]建立了進(jìn)給系統(tǒng)的模型。如圖1所示。

平動(dòng)軸與旋轉(zhuǎn)軸的進(jìn)給系統(tǒng)輸人分別是位移與旋轉(zhuǎn)角度，其進(jìn)給系統(tǒng)性能決定了加工中心的工作性能和加工精度，所以為保證進(jìn)給系統(tǒng)的輸出能滿足要求，進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)具有定位精度高以及速度調(diào)節(jié)快的性能。本文分別給出了平動(dòng)軸與旋轉(zhuǎn)軸的進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（圖2、圖3)，并給出了主要的仿真參數(shù)(表1)。

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結(jié)束語：

(1 >位置環(huán)增益的大小改變、速度環(huán)的響應(yīng)變慢以及加速度限制值的降低，對(duì)于S形試件的輪廓誤差無論從大小的影響程度還是表現(xiàn)區(qū)域來看都是有區(qū)別的。S形試件作為一種檢測(cè)試件，其加工精度就是作為檢驗(yàn)加工中心性能的一種判斷依據(jù)，而通過仿真分析的結(jié)果，我們獲取了加工中心動(dòng)態(tài)性能與S形試件輪廓誤差之間的映射關(guān)系，證明了 S形試件能夠很好地反映加工中心的動(dòng)態(tài)性能，考察加工中心的性能參數(shù)。

(2)S形試件輪廓誤差與加工中心動(dòng)態(tài)特性的映射關(guān)系的分析，為加工中心性能的評(píng)判建立了依據(jù)。

可以通過對(duì)S形試件各區(qū)域的誤差大小、表現(xiàn)區(qū)域及對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)賦予權(quán)重，對(duì)五軸CNC加工中心各運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)來衡量加工中心的加工性能。

(3)由于S形試件輪廓誤差在各性能參數(shù)和各形面區(qū)域所表現(xiàn)出的差異，可以通過大量的仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助于線形回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算
法，溯源和辨識(shí)出一種加工狀態(tài)下S形試件輪廓誤差所對(duì)應(yīng)的五軸CNC加工中心的動(dòng)態(tài)性能，為加工中心各運(yùn)動(dòng)軸性能參數(shù)的調(diào)整提供指導(dǎo)依據(jù)。

(4) 本文分析了加工中心動(dòng)態(tài)性能與S形試件輪廓誤差間的映射關(guān)系，為改善加工中心動(dòng)態(tài)性能、加工中心性能評(píng)價(jià)及誤差的溯源與辨識(shí)提供了依據(jù)。

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CNC加工中心動(dòng)態(tài)特性與s形試件輪廓差映射關(guān)系

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