一种5轴混联加工中心的位姿正逆解分析

五轴加工中心疑似回转中心偏差分析一例0.引言：随着科技的进步，高精度机床在企业制造过程中发挥的作用愈发突出，高效、高精度、高柔性化机床的拥有量也反映出一个企业的综合实力。

我公司正在服役的1台德马吉50U五轴加工中心，使用西门子840D sl系统（产地：德国），因其用途广泛，换刀速度快，加工精度高，可加工复杂工件，一次装夹即可产出成品的优点，在实际生产过程中设备利用率高，对设备的维修维护时间及标准也提出了更高的响应要求。

日前对疑似回转中心偏差做了分析，现介绍如下。

故障现象：本台德马吉50U五轴加工中心，使用西门子840D sl系统，在加工一件工件时，在B轴0°的状态下，所有尺寸均在公差范围之内，但当B轴旋转为90°时，X轴方向、Z轴方向尺寸均出现了不同程度的偏差。

1、排障过程：车间反馈设备五轴回转中心偏差，首先对该工件的图纸、装夹方法、工序进行了分析学习，因在B轴0°的状态下，所有尺寸均在公差范围之内，可排除设备重复定位精度有误差的情况。

对该机床的设备回转精度进行检测，拆除工装，使用标准检验棒，B轴0°的状态下，回转参数的X、Y、Z坐标均与机床相符，侧面佐证了在B轴0°的状态下，所有尺寸均在公差范围是对的。

此时在工装的正面和侧面边缘分别铣一刀，长度大于200mm、宽度6mm、深度1mm，用来检测C轴旋转180°后的平行度和B轴旋转90°后的垂直度，发现误差0.01mm以内，可判定回转中心无机械故障。

因五轴参数界面，B轴90°的参数是隐藏的，此时需要制造商密码，获得最高权限，进入DMG FAMOT中的BC回转轴界面，获得B轴旋转90°后的X、Y、Z的坐标值，将标准检验棒运行到坐标值位置与B轴工作台面比对，X轴误差为0.82mm。

后将此偏差值运行TCA_DAT指令补偿后，加工工件合格，故障排除[1]。

2、故障原因分析本次故障原因为此工件试制时并未使用回转中心的参数进行补偿，而是采取了在程序中补差值的方法进行加工，在机床维修过光栅尺之后出现了此问题，机床的X值坐标发生了变化，用之前编写的程序在程序中补差值的方法继续加工，才造成了回转中心精度偏差的假象。

新型龙门式五轴联动混联机床机构设计及其基础理论研究细长结构件在航空航天、铁路运输、国防工业等领域具有广泛的应用。

本文针对细长结构件进行高速加工时机床应满足的刚度重量比大、响应速度快、加工精度高等性能要求,将一种新型的混联机构作为混联机床机械本体,设计出一种新型龙门式五轴联动混联机床。

其主要内容概括如下:进行了新型龙门式五轴联动混联机床机构的构型设计。

运用螺旋理论分析了该机床实现3T2R型运动模式的原理,提出了驱动件的选取方法,分析了机床机构的奇异性,提出了减少奇异的参数设计条件。

进行了新型龙门式五轴联动混联机床运动学分析。

运用矢量代数法对机床进行了位置逆解计算,在已知机床刀尖点位置和动平台姿态的条件下求得各驱动副的输入量;运用影响系数法求得机构一阶运动影响系数矩阵——Jacobian矩阵和二阶影响系数矩阵——Hessian矩阵。

进行了新型龙门式五轴联动混联机床动力学分析。

运用虚功原理基于对机床机构整体虚能量的计算建立此新型龙门式混联机床机构动力学模型。

给出了一个数值算例,用ADAMS仿真求证了此机床机构运动学、动力学分析模型的正确性。

给出了对一个细长结构件进行钻孔加工的实例,得出了钻孔加工过程中运动学及驱动力的变化规律。

进行了新型龙门式五轴联动混联机床的2-UPS+2-RPU并联机构静刚度分析。

基于小变形叠加原理,分析各杆在其约束力螺旋(包括驱动螺旋)作用下产生的弹性变形,建立支链约束力螺旋刚度矩阵。

通过动平台静力平衡及支链变形和动平台变形间的关系,建立机构的动平台位姿变化与外载荷关系,进而得到机构的整体柔度、刚度矩阵。

得出约束力/矩对这类少自由度过约束并联机构的刚度和变形影响很大,且其弹性变形主要产生在约束力/矩轴线方向。

对新型龙门式五轴联动混联机床进行了模态分析。

基于ANSYS Workbench 软件对新型龙门式五轴联动混联机床五种典型位置的模态进行了分析,确定在此位型下的前六阶固有频率及振型,通过振型云图及振动动画分析机床低阶振动规律,确定机床结构的薄弱环节,为新型机床的优化设计提供参考。

一种四分支五轴串并混联机床的机构综合与分析在加工轮毂表面时因为工件表面形状复杂,传统的工艺往往无法方便加工。

人力加工,大型设备耗时耗力。

本文针对这样的复杂表面加工提出了一种四分支五轴加工机床的新构型,机床构型综合并联机构和串联机构的优势,弥补了现有混联机床构型的空缺,并对的机构运动和力学特性进行了初步分析。

本文首先根据工件的加工特性,通过一般选型原则,综合出一种交叉布置的R(2-UPR/2-UPS)五轴混联机床的新构型,利用线几何法对机构奇异位型进行分析,得出铰链的初步布置方式。

接下来对机床构型进行初步描述和结构设计,并把机构分为并联部分和混联部分,分别进行了机构的建模,分析各自的运动特性,计算了机构的运动映射关系,给出了分析一类混联机构运动特性的方法,并对结果进行Matlab建模计算和Solidworks运动学仿真。

然后对于机床机构的工作空间做初步的分析。

分析机构的各运动副的运动范围,采用三维直角坐标搜索的方法将工作空间用三维图像表示出来。

给出多个变量与工作空间体积之间的关系,并将工件与机床不同特性下工作空间的关系并通过图像表示出来。

最后利用R(2-UPR/2-UPS)机构一阶影响系数对机构的一些特性进行了分析,将评价指标做为结果在图像中表示出来进行优化设计。

本文将从机构的静力学,刚度,灵活度方面对机构进行全面分析,并对机构进行动力学仿真。

五轴加工中心原理
五轴加工中心是一种先进的数控机床，它的原理是通过同时控制五个方向的运动，即X轴、Y轴、Z轴和两个旋转轴（A轴
和C轴），来实现对复杂工件的加工。

在加工过程中，工件被夹持在工作台上，并通过刀具来切削和加工。

通过控制X、Y、Z轴的运动，可以实现工件在平面内
的移动和上下移动。

同时，通过控制A轴和C轴的旋转，可
以使工件在不同方向上进行旋转。

通过这五个方向的联合运动，五轴加工中心可以灵活地切削工件的任意曲面。

五轴加工中心利用数控系统来控制各个轴的运动。

数控系统根据预先编好的加工程序，通过计算机控制各个轴的步进电机或伺服电机的运动，从而实现对工件加工的控制。

同时，数控系统还可以通过传感器对加工过程中的刀具位置进行实时监测，确保加工的精度和质量。

五轴加工中心的运动精度和稳定性对加工质量有着重要影响。

为了保证五轴加工中心的高精度加工，机床结构和传动系统需要具备足够的刚性和稳定性。

同时，对于数控系统的控制算法和参数调节也需要精心设计，以确保刀具的轨迹和工件表面的加工精度。

总之，五轴加工中心通过同时控制五个方向的运动，可以实现对复杂曲面工件的高精度加工。

这种机床在航空航天、汽车制造、模具制造等领域有着广泛的应用前景，对提高加工效率和产品质量具有重要意义。

基于五轴联动数控系统的零件加工误差分析本文通过配置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。

标签：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。

61easurementM测 量五轴车铣复合加工中心属于万能通用型数控加工机床，通常配备在线无线测量装置。

在曲拐类工件的加工过程中（如加工曲轴的平衡重面及平衡重面上的定位销孔、螺纹孔还有曲轴主轴颈、连杆颈的直油孔、斜油孔，法兰端面的定位销孔和螺纹孔等）都需要进行角度的精确定位。

但是在无线测量头出现故障后，加工表面位置精度（尤其是角度定位）将无法进行，直接影响工件的加工。

为了保证机床在使用过程中出现类似问题时不影响正常生产，必须找出一种简单易行的方法，在满足加工工艺的条件下，确保加工零件符合产品要求。

通过对曲轴零件和该机床的加工特性进行分析，根据以往曲轴的加工经验和找正方法，初步确定了以下两种方法。

现对这两种方法进行分析，来选择最终的可靠方式予以确认，以保证被加工零件的最佳实物质量和精度。

1. 用主轴径、连杆颈定位角度如图1所示，通过用百分表测量主轴颈X 方向切点A 和连杆颈X 方向切点B 的半径差来确定连杆颈、主轴颈的中心连线与机床X 坐标轴线误差进行连杆颈的零点角度定位。

此方法要求打表测量前首先精确测量计算主轴颈和连杆颈的直径尺寸和主轴颈的径向跳动并判断跳动的具体方向，按如下公式计算出主轴颈和连杆颈的半径综合误差ΔR =D 主/2－D 连/2+T /2sin α式中，ΔR 为百分表测量的值； D 主为主轴颈实际直径尺寸；D 连为连杆颈实际直径尺寸；T 为主轴颈跳动值；α为 主轴颈跳动最高点与切点A 的角度。

根据计算结果ΔR ，通过用机床手轮转动工件等方式调整百分表测量点A 和测量点B 的测量差，使之等于ΔR ，保证连杆颈、主轴颈的中心连线与机床的X 坐标轴线的一致性，来进行连杆颈的零点角度定位。

2. 用连杆径定位角度如图2所示，在工艺要求的作为基准角度零点的连杆颈上通过用百分表在X 方向移动测量找到连杆颈切点A ，曲轴旋转180°后在同一连杆颈上找到的切点B ，只要测量两切点的百分表示值相等或允许误差在工艺允许误差范围内（理论上两点可以找正至0误差），就可确定连杆颈AB 点连线与机床X 坐标轴线平行，也就说明连杆颈的角度为零度。

一种五自由度混联机构误差分析与标定
本文所分析的混联机构是由串联机构和并联机构二者相互叠加而最终形成的一种五自由度机构。

该混联机构不仅具有刚度高、稳定性好、承载能力强等优点,同时也具备了比较大的工作空间。

针对该混联机构的精度,本文在混联机构的运动学、误差灵敏度、标定方面进行了分析研究,其主要内容如下:首先,对该机构进行了详细的介绍;并利用螺旋原理对该机构的自由度进行了分析,最终确定了该机构具有五自由度;利用解析法和向量法建立混联机构的正反解,并利用一组数组进行了对比验证,验证了其正反解的正确性和有效性;利用搜索法确定了本文研究的混联机构的可达工作空间。

其次,利用矢量链法和DH法分别确定了并联部分和串联部分的不同误差源;建立并研究了误差概率模型,利用灵敏度分析了并联部分的各个误差,明确了影响并联部分精度的误差;提出误差参数灵敏度,分析了并联部分的每一条支链误差对于其末端精度的影响;串联部分使用了误差灵敏度分析了影响串联机构精度的误差;针对不同的驱动确定了在同样误差下不同驱动对于机构末端的影响。

再次,针对该混联机构提出将并联部分和串联部分分开标定的原理;在并联部分利用矢量链法建立误差模型,运用最小二乘法进行参数辨识,利用修正几何参数的方法进行误差补偿;在串联部分利用DH法建立误差模型,运用最小二乘法进行参数辨识,利用修正几何参数的方法进行误差补偿。

最后,通过计算机仿真验证了标定的正确性,并通过对仿真结果分析,确定了该标定原理的有效性。

有关五轴联动数控车铣复合加工中心的优化分析摘要：近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。

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，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。

文章重点针对五轴联动加工中心的优化进行了分析和探讨。

关键词：五轴联动加工中心轴承优化数控机床的数控系统在使用15年左右后就进入了产品老化期，故障率和维修成本会显著增加，这时用新的数控系统进行升级改造，与购买动辄上千万元的新设备相比，具有投资少、周期短、风险小等优点。

本文所探讨的HTM63车铣复合加工中心，属于电脑加工中心类型的机床。

该五轴联动加工中心增加了可摆动的动力刀具组件，因此机床具有可完成零件侧面、正面、斜向钻孔及铣削等功能，并具有“X、Y、Z、C、B”五轴联动控制加工能力。

该系列数控车床适合加工要求较为复杂的车、铣复合加工的零件的大批量、多品种、高精度的加工任务。

1、五轴联动加工中心概述五轴联动加工中心的刀具排布采用两轴控制排式刀架排布的结构，结构简单、换刀快捷、可靠性极高。

加工中心具有超长行程的Z 轴，行程可达2000mm。

因此机床在加工较长零件时，和同类数控车床相比，可以明显减少送料次数，提高加工效率。

对于许多长度在1500mm以内的零件，可以一次送料完成零件全长度的加工。

五轴联动加工中心配有高速精密同步导套，因此可以完成对钢件、不锈钢件的大批量精密加工以实现高品位零件的高速切削。

数控加工中心配备三轴钻孔加工功能，可以完成零件轴端的钻孔及攻丝的加工。

并且针对客户的零件，五轴联动加工中心配备安装有各类钻铣动力刀具、或者旋风刀具的摆动动力刀具模块，因此动力刀具可以在0-90度范围内摆动，以完成各种轴件的多方向精密钻、铣加工功能。

加工中心的送料部分可以配备自动送料器，接料部分可安装短件接料器及长件接料器，以实现一人操作、看护多台机床的“一人多机”加工模式，为工厂节省人力资源。

五轴联动复合加工机床案例分析一台拥有为加工复杂形状的工件而进行数道工序、不同方式的加工性能的机械称之为复合加工机床。

为达到同样目的，也有将控制坐标多轴化、扩大加工功能、多机能化的使用方法。

总之是用工序集成的方法提高生产效率，提高机床的附加价值。

于是，这里就把前者的在一台机床内实现不同品种加工的机床和后者的多坐标控制机床两者通称为复合加工机床。

而今复合加工机床成为世界机床发展方向，目前，世界上越来越多的复杂零件采用复合机床进行加工。

因为复合加工机床突出体现了工件在一次装夹中完成大部分或全部加工工序，从而达到减少机床和夹具，免去工序间的搬运和储存，提高工件加工精度，缩短加工周期和浪费作业面积的目的。

下面针对我公司开发的几款复合加工机床介绍如下：1. 铣削激光切割五轴联动复合加工机床一款铣削激光切割五轴联动复合加工机床，此机床采用桥式龙门框架结构，采用可重组模块化设计，主机系统划分为大跨度、高刚性、高动态特性的直线运动框架结构、多自由度旋转运动机构和可交换主轴头等功能模块，各模块具有机械、电气等标准化的接口，形成可装配的功能单元，通过配置不同加工刀具或加工装置，实现铣削和激光切割等不同工艺加工制造的复合加工。

此复合加工设备如图1所示。

图1 铣削激光切割五轴联动复合加工机床此复合加工设备特点如下：（1）复合加工功能此复合加工设备除了传统的最终铣削精加工外，和粗加工摆头来实现初级铣削粗加工过程，还具备激光切割AC 摆头实现激光切割过程。

这是一种引人注目的改革，实现了在一台机床上既能铣削加工又能激光切割的柔性制造。

此复合加工设备具有一个标准的加工中心平台并提供独有的激光切割选择包。

其中铣削粗加工、铣削精加工和激光切割分别由3个A 轴摆头组成，他们共用一个C 轴，靠自动交换A 轴摆头来实现功能切换。

（2）五轴联动功能五坐标联动加工机床的特点有很多，如A 轴可以避开切削速度为零的条件；B 轴可缩短刀具长度；C 轴可加工不重新装卸就不能进行加工的呈突出形状的工件。

《数控系统五轴联动轨迹平滑技术研究与应用》一、引言随着现代制造业的快速发展，数控机床在机械加工领域的应用越来越广泛。

五轴联动数控系统作为数控机床的核心技术之一，其轨迹平滑性对于加工精度和表面质量具有重要影响。

因此，研究五轴联动轨迹平滑技术，提高数控系统的加工性能，对于推动制造业的升级换代具有重要意义。

本文将探讨数控系统五轴联动轨迹平滑技术的研究现状、方法及应用，以期为相关领域的研究提供参考。

二、五轴联动数控系统概述五轴联动数控系统是指在数控机床上，通过五个轴的联动控制实现复杂零件的加工。

这五个轴包括X、Y、Z三个直线轴和A、B、C三个旋转轴。

五轴联动数控系统的优势在于能够加工复杂的曲面和空间曲线，提高加工精度和效率。

然而，由于五轴联动的复杂性，加工过程中容易出现轨迹不平滑的问题，影响加工质量和效率。

三、五轴联动轨迹平滑技术研究为了解决五轴联动轨迹不平滑的问题，国内外学者进行了大量研究。

目前，常用的方法包括插补算法优化、轨迹规划算法优化和控制系统优化等。

1. 插补算法优化插补算法是五轴联动数控系统的核心算法之一，其优劣直接影响着加工精度和效率。

为了实现轨迹平滑，研究者们提出了多种插补算法优化方法，如基于曲线拟合的插补算法、基于遗传算法的插补参数优化等。

这些方法能够提高插补精度和速度，从而改善轨迹平滑性。

2. 轨迹规划算法优化轨迹规划是五轴联动数控系统的另一个重要环节。

为了实现轨迹平滑，研究者们提出了多种轨迹规划算法，如基于时间最优的轨迹规划、基于能量最优的轨迹规划等。

这些算法能够根据加工要求和机床性能，生成平滑、高效的加工轨迹。

3. 控制系统优化控制系统是五轴联动数控系统的核心部分，其性能直接影响着加工质量和效率。

为了实现轨迹平滑，研究者们对控制系统进行了优化，如采用高性能控制器、优化控制算法等。

这些措施能够提高控制系统的响应速度和精度，从而改善轨迹平滑性。

四、五轴联动轨迹平滑技术的应用五轴联动轨迹平滑技术在实际应用中取得了显著成果。