緊接上一期的純干貨：旋轉軸定位精度在五軸加工中的關鍵，主要從以下幾點進行討論：

1、討論機床回轉工作臺旋轉軸的全閉環和半閉環控制模式；

2、討論5軸加工涉及兩個高精度定位的旋轉軸在機床加工中的作用；

小編就上一篇的實驗情境，為各位提供實驗結論如下：

盡管被測的回轉工作臺通常在全閉環控制下工作，但是調整該機的參數也能輕松地在半閉環控制模式下定位該機床的工作臺。因此，可以直接比較兩種控制模式下的回轉工作臺的位置誤差（參見圖7和圖8）。為進行比較，沿工作臺圓周均勻分布720個測量點，首先進行雙方向接近：順時針（CW）和逆時針（CCW）。高分辨率的定位特性表現在位置一致性、位置獨立性和在旋轉軸定位中無系統性的影響。在全閉環控制中，旋轉軸在整個角度測量范圍內都能達到高定位精度，在正向和反向接近之間幾乎難以區分接近方向。該測量曲線主要體現位置控制下的角度編碼器工作特性。在半閉環控制下，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。主要原因是機械傳動部件中與位置相關的誤差（例如間隙、摩擦和齒輪嚙合因素）。順時針測量中的高頻振幅大于逆時針測量時的高頻振幅，這表明齒面已磨損，這個現象與常用的旋轉方向吻合。

用基準編碼器定位回轉工作臺位置精度

這里介紹的測量全部在上述機床上進行。控制系統允許在全閉環與半閉環模式之間切換。在全閉環模式中，用RCN 8310角 度編碼器進行位置反饋。在半閉環模式 下，用電機編碼器信號和蝸輪速比計算回轉工作臺的位置。由于在同一臺機床上測 量，使用同一套進給軸傳動系統，因此可 以直接進行比較。用ISO 230-2和ISO 230-3標準中的測量步驟確定回轉工作臺的定位精度。

在生產中，要提高品種規格的靈活性，需要使用5軸加工技術。用通用性的工裝夾具系統可進行多面和完整加工并提高自動化程度、靈活性和機床利用率。由于5軸技術允許大量使用標準刀具，允許在銑削路徑上改變刀具方向，以加工復雜的幾何形狀。

用ISO 230-2 標準確定靜態定位精度

首先，用ISO 230-2標準確定回轉工作臺的靜態定位精度。為此，將360°的測量范圍均勻分為12份，間隔為30°。這樣的角度步距正好是用多面反光境的準直儀的典型測量點數。用1000 °/min的進給速率順序接近測量點。然后，用回轉工作臺上的基準編碼器在靜態時測量最終位置。為了獲得有統計意義的測量結果，在順時針和逆時針旋轉中重復操作五次。為進行比較測量，使用近似的初始條件，不僅使用同一臺機床，而且不使用在控制系統中保存的兩種控制模式下的C軸補償表。 

在全閉環控制模式下（圖9），測量精度穩定在±1.3"范圍內，符合使用角度編碼器的預期。比較發現，半閉環控制下的測量結果（圖10）表明回轉工作臺在任意旋轉方向下的定位精度較低，僅±5"。此外，在改變接近方向時，明顯可見31"的反向誤差。在第二次測量中順時針和逆時針轉動，已將12個采樣點處的定位精度值保存在補償值表中并已激活該表。

在機床數控系統上設置非線性誤差補償并將其激活后，現在兩種控制模式下都達到優異的測量結果，達到可接受的精度等級（參見圖11和圖12）。全閉環控制下，精度提高到±0.35"。在半閉環控制下的測量中，整個轉動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，必須注意補償值代表機床的離散狀態，只適用于第一次測量，而且表中的測量值為靜態值。但是在工作期間，由于熱負載和機械負載以及機械部件磨損，機床狀態和位置變化并不一致。因圖13：根據ISO 230-2標準半閉環控制下的位置誤差 （60個測量點，用補償）此，經過一段時間后，用靜態表補償位置誤差將難以達到圖11和圖12中的高質量。

在半閉環控制模式下重復進行測量，測量中使用12個采樣點和60個測量點，從中可見補償使用的采樣點之間的定位精度特性。對于用準直儀和多面反光鏡的測量，這是典型的采樣點數。圖13顯示多次測量的結果。從圖中可見，位置誤差較大，達±4.5"，反向誤差達4.0"。此外，在選定采樣點之間，明顯可見高階非線性情況。類似于圖8中的小范圍誤差，無法用圖10中的補償值進行建模，因此數控系統無法處理。在半閉環控制中使用補償表不能確保達到采樣點間的定位精度，最終結果與圖12顯著不同。因此，這種補償方式只適用于回轉工作臺接近已知的位置。例如，3+2軸加工就是該情況。 

理論上，數控系統的靜態補償表可用大量采樣點，但需要進行不切實際的大量測量。而且，加工中和測量期間，機床的熱狀態并非一成不變。這將在下面討論。

根據ISO 230-230 標準確定熱漂移也就是溫度對加工的影響

根據ISO 230-3標準，每種控制模式下進行的測量表明：旋轉軸傳動鏈及旋轉軸的其它機械部件發熱導致位置漂移。在該測量中，在機床數控系統中根據前面介紹的采樣點激活補償。此外，還根據ISO 230-3標準確定位置漂移對旋轉軸精度的影響。為此，定義兩個位置（0°和180°）并從兩個方向接近（順時針和逆時針）。在各次測量之間，用3000 °/min的進給速率進行5次周期性運動，使該測量范圍（0°至180°）的溫升達到要求。連續記錄測量值直到回轉工作臺的位置停止熱漂移。 

測量結果如圖14所示，在全閉環控制中使用角度編碼器，即使旋轉軸進行周期性運動和傳動鏈部件的溫度升高，也能保持定位精度的穩定。在這種結構配置下，位置受溫度影響并由角度編碼器測量，并將測量結果反饋給位置控制環。該測量中的最大值為0.5"。 

與全閉環模式相比，半閉環模式下的定位精度隨時間而發生很大變化（圖15）。變化涉及兩個參數：一個是幅值，最大達8"，另一個是大約2分鐘的較短時間常數。此外，位置漂移因素在0°測量位置重疊。該因素是加工中心結構件發熱導致的結果，時間常數明顯較長。因此，兩個測量點之間的距離也不斷變化。 

此外，兩個接近方向的反向誤差增加到3"。在部分應用中，無論允許多大的誤差，在許多加工應用中，時間常數短都是問題。例如小批量加工應用或周期性的變化，旋轉軸進行定位運動，然后靜止（反方向加工）和軸的連續運動。更換破損刀具也屬于這種時間常數問題。 

對于被測的回轉工作臺，使用補償表并無幫助。大約25分鐘后位置誤差似乎達到穩定狀態，每次機床或進給軸停止運動后其狀態又發生改變，例如二次裝夾或裝夾新件。這導致可獲得的精度具有嚴重的不確定性，并直接影響5軸聯動加工，甚至3+2軸加工的工件精度。

結論

從高端加工中心的標準回轉工作臺可見：在半閉環控制模式下，10分鐘內的位置誤差可達8"。相當于0.5 m半徑上的偏差達20 μm。旋轉軸的結構設計較為復雜，它包括伺服電機和機械傳動系統，環境因素也導致多種誤差難以測量，幾乎無法進行旋轉軸的位置誤差在線補償。 

通過使用適當基準編碼器進行比較測量，在全閉環和半閉環控制模式下對機床回轉工作臺的定位精度進行這項測量。通過測量可以確定旋轉軸的靜態定位精度和在周期性負載導致發熱情況下的定位精度穩定性。也相應地確定和比較12個采樣點處的測量點補償的效果。在全部這些測量中，全閉環控制模式都表現出穩定的測量結果，定位精度高和反向誤差小。在半閉環控制模式下，通過補償可以明顯提高初期定位時的誤差，但是在周期性的負載作用下，傳動系統的部件無法保持穩定的精度。測量結果顯示，較短時間常數的主要特點是機械傳動系的溫度隨時間發生變化。實際上造成機床數控系統無法進行補償。還可看到，用補償的方式無法抵消采樣點間的高階、非線性影響。

在全閉環控制模式下，用海德漢角度編碼器直接測量旋轉軸運動。這樣就能在位置控制環中考慮大部分影響因素和時間導致的機械系統的變化。這些因素包括機械傳動誤差、溫度影響和磨損。唯一例外的誤差是角度編碼器可測量的誤差，但其動態性能超出位置控制環動態性能范圍。RCN系列內置軸承和定子聯軸器的絕對式角度編碼器是帶機械傳動件的高精度旋轉軸的理想選擇，也是直驅技術的理想選擇。這些編碼器采用全封閉的結構設計，因此擁有較高系統精度、安裝簡單且抗污染性能卓越。如果由于結構原因而無法安裝編碼器，還可選用光學掃描的模塊型角度編碼器。ERA 4000和ECA 4000系列產品都提供相當多的信號周期數，擁有高定位精度。對于這里討論的回轉工作臺應用，需要特別注意回轉工作臺的軸承的剛性和工作性能，其性能直接影響角度編碼器實際可達到的測量精度，因此影響回轉工作臺的定位精度。旋轉軸的設計需要為高過程可靠性和高產量的5軸加工應用提供理想的工作條件。