《五轴联动激光加工机床 精度检验》

1五轴联动激光加工机床精度检验本文件规定了五轴联动激光加工机床的型式和参数、几何精度、定位精度和重复定位精度、焦点中心点跟随精度和工作精度，描述了精度检验方法，还规定了上述精度检验相对应的公差值。本文件适用于包含三个直线运动轴和两个回转运动轴，实现五轴联动激光加工的机床精度的检2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本（包括所有的修改单）适用GB/T7247.1激光产品的安全第1部分：设备分类和要求GB/T14896.1特种加工机床术语第1部分：基本术语GB/T14896.9特种加工机床术语第9部分：激光加工机床GB/T17421.1-2023机床检验通则第1部分：在无负荷或准静态条件下机床的几何精度GB/T17421.2-2023机床检验通则第2部分：数控轴线的定位精度与重复定位精度的确定GB/T19660工业自动化系统与集成机床数值控制坐标系和运动命名GB/T39953-2021五轴联动加工中心RTCP精度检验3术语和定义GB/T7247.1、GB/T14896.1、GB/T14896.9和GB/T39953-2021界定的术语和定义适用于本文3.1五轴联动激光加工机床fiveaxissimultaneouslaserprocessingmachine以激光作为主要能量源，至少具有五个数控轴线，其中三个线性轴线（X、Y、Z）和两个回转轴线(A、B、C任意组合)，并实现五轴同时参与插补运动的机床。4型式4.1五轴联动激光加工机床（以下简称“机床”）分为以下三种形式：a）双回转运动轴在激光加工头（工具）端，示意图如图1a)所示；b）双回转运动轴在工件端，示意图如图1b)所示；c）双回转运动轴分别在工具端、工件端，示意图如图1c)所示。4.2机床的坐标系及主要运动轴的命名规则按照GB/T19660的规定。2a)双回转运动轴在工具端b)双回转运动轴在工件端c)双回转运动轴分别在工具端、工件端标引序号说明：2——横梁；3——主轴滑座；4——溜板；5——加工旋转轴；6——加工摆轴；7——旋转工作台。图1机床结构型式图35通则5.1引用标准使用本文件时，特别是精度检验前的安装及其他运动件的预热、计量方法的说明和测量仪器的推荐精度，应符合GB/T17421.1—2023的要求。第6章“几何精度”应符合GB/T17421.1—2023的规定，并附有GB/T17421.1—2023相关条文的清单。每项几何精度检验都给出了公差（见G1～G14）。5.2机床调平在对机床进行检验前，应根据制造商/供应商的推荐值对机床进行水平调整。5.3检验次序本文件给出的精度检验项目的顺序并不限定实际检验次序。为了简化仪器或量具的安装，精度检验可以按任意次序进行。5.4简图本文件第6章、第7章绘制的简图仅为范例，针对“双回转轴在工具端”的典型结构，即图1a）5.5测量仪器本文件给出的精度检验项目所指定的测量仪器仅是范例，也可使用具有同样测量范围并且相同或更高精度的其他仪器。线性位移传感器应有0.002mm或更高的分辨力。5.6软件补偿使用内置软件功能进行补偿几何、定位轮廓和/或热变形偏差时，应根据机床的预期用途与制造商/供应商及用户协商决定是否使用，并在检验报告中注明使用情况。使用软件补偿时，处于检验目的的坐标轴不应被锁定。5.7最小公差在几何精度检验中，实测长度与本文件给出的长度不同时，公差能可通过比例法确定（见GB/T17421.1—2023中4.1.2），最小公差值应计到0.005mm，角度最小公差值应计到1″。5.8定位精度和重复定位精度定位精度和重复定位精度检测按照GB/T17421.2—2023，特别是在环境条件、机床预热、测量方法及结果的计算和数据处理方面。当有其他数控轴时，应由供应商/制造商与用户协商一致进行检测。5.9工作精度工作精度检验应在机床空运转达到热平衡（稳定温度）的条件下进行。46几何精度6.1线性运动轴的精度线性运动轴的精度检验项目按照表1中G1～G5进行。表1线性运动轴的精度项目G1在XY水平面和XZ垂直面内检查X轴直线度。简图普通级精密级0.04/2000；长度每增加1000，允差值增加0.02，最大公差0.08局部公差：在任意1000测量长度上为0.02在任意300测量长度上为0.005检验工具激光干涉仪（配直线度测量组件）或激光跟踪仪；也可使用平尺、指示器、准直望远镜或直线度校正仪。检验方法引用GB/T17421.1—2023的8.2.2.5、8.2.3溜板（Y轴）置于行程中间位置，滑座（Z轴）置于下端位置并锁紧。a)水平面内直线度：将激光干涉仪的直线度反射镜安装在激光加工头上，干涉镜固定在床身或工作台上，反射镜垂直于X轴移动方向。沿X方向移动横梁，在全行程等间距测点记录直线度偏差。b)垂直面内直线度：将反射镜旋转90°安装，重复上述测量。也可使用平尺法：将平尺平行于X轴放置于工作台上，指示器固定在滑座上，测头在水平（或垂直）方向触及平尺，移动X轴读取偏差。误差评定：以测量偏差的最小二乘法或两端点连线法作为直线度误差。项目G2在XY水平面和YZ垂直面内检查Y轴直线度。简图5表1线性运动轴的精度（续）普通级精密级0.04/1000；测量长度每增加1000，公差增加0.02；最大公差：0.08；局部公差：在任意500测量长度上为0.02在任意300测量长度上为0.005检验工具激光干涉仪（配直线度测量组件）或激光跟踪仪；也可使用平尺、指示器、准直望远镜。检验方法引用GB/T17421.1—2023的8.2.2.5、8.2.3横梁（X轴）和滑座（Z轴）置于行程中间位置并锁紧。将平尺平行于Y轴运动方向放置于工作台（或专用支架）水平面内直线度：使用激光干涉仪的直线度反射镜安装在激光加工头上，固定干涉镜，反射镜垂直于Y轴移动方向，移动Y轴，记录直线度偏差。将反射镜旋转90°,重复上述测量。也可使用平尺法：a）指示器固定在主轴（或横梁）上，测头在水平方向触及平尺的垂直测量面。移动Y轴，记录指示器读数变化。b）将平尺旋转90°放置（或另用一平尺），指示器测头在垂直方向触及平尺的水平测量面。移动Y轴，记录读数变误差评定：按最小二乘法或两端点连线法计算参考直线，评定直线度误差。项目G3在YZ垂直平面和XZ垂直平面内检查Z轴直线度。简图6表1线性运动轴的精度（续）普通级精密级0.02/500；长度每增加300，公差增加0.02最大公差：0.08局部公差：在任意300测量长度上为0.015在任意300测量长度上为0.005检验工具激光干涉仪（配直线度测量组件）或激光跟踪仪；也可使用角尺（或平尺）、指示器、自准直仪。检验方法引用GB/T17421.1—2023的8.2.2.5、8.2.3横梁（X轴）和溜板（Y轴）置于行程中间位置并锁紧。将角尺（或平尺）的测量面垂直放置于工作台，并分别调整使其平行于X轴或平行于Y轴。使用激光干涉仪时，将直线度反射镜安装在Z轴上，干涉镜固定，通过转向镜使激光束沿Z轴方向，分别测量水平（X方向）和垂直（Y方向）的直线度。误差评定按最小二乘法计。项目G4Y轴对X轴的垂直度。简图普通级精密级0.03/5000.02/500检验工具平尺、直角尺、指示器；也可使用方箱与指示器，或激光跟踪仪。检验方法引用GB/T17421.1—2023的10.3.2.2和10.3.2.5滑座（Z轴）置于行程中间位置并锁紧。将方箱放置于工作台上，调整使其一条测量面平行于X轴运动方向。指示器固定在溜板上，测头在水平方向触及方箱的垂直测量面。沿X轴移动横梁，记录平行度误差δx；再将测头转向，触及方箱的另一垂直测量面（理论垂直于X轴），沿Y轴移动溜板，记录平行度误差δy。垂直度误差=δx+δy（代数和）。为消除方箱自身误差，旋转180°重复测量取平均。检验项目G5Z轴对X轴、Y轴的垂直度。简图表1线性运动轴的精度（续）7公差（单位：mm）普通级精密级0.03/500在任意300测量长度上为0.015检验工具圆柱角尺、指示器、平板；也可使用方箱与指示器、激光跟踪仪。检验方法引用GB/T17421.1—2023的10.3.2.2和10.3.2.5横梁（X轴）和溜板（Y轴）置于行程中间位置并锁紧。将方箱放置于工作台上，调整使其一个测量面平行于X轴运动方向，偏差在允差范围内。将指示器固定在滑座（Z轴）上，测头水平触及方箱测量面。Z对X垂直度：沿Z轴移动滑座，记录指示器在全行程上的读数变化，其最大变化量即为Z轴对X轴的垂直度误差。移动X轴至不同位置重复测量，取最大值。Z对Y垂直度：将方箱旋转90°,使其另一测量面平行于Y轴运动方向，重复上述步骤。误差评定：指示器读数在全行程上的最大变化量即为垂直度误差。也可使用圆柱角尺或方尺绕自身轴线旋转180°后重复测量，取两次结果的代数和之半，以消除检具自身垂直度误差。6.2回转运动轴的精度回转运动轴的精度检验项目按照表2中G6～G8进行。项目G6C轴轴线对X项目G6C轴轴线对X轴和Y轴运动的垂直度。公差（单位公差（单位：mm）普通级精密级0.05/3000.025/300检验工具简图表2回转运动轴的精度（续）8激光跟踪仪或平尺（方尺）、指示器和可调量块。检验方法使用激光跟踪仪：靶球固定在激光加工头上，A轴锁定，Y、Z轴置于行程中间并锁定。移动X轴全行程采集不少于5个点，旋转C轴一整圈采集不少于4个点，拟合C轴轴线，计算其与X轴运动方向的垂直度；同法，移动Y轴测量C轴与Y轴的垂直度。使用平尺法：将平尺平行于X轴放置于工作台上，C轴置于0°。指示器固定在激光加工头上，测头触及平尺测量面，移动X轴读取偏差。将C轴旋转180°,再次测量。两次读数代数差之半除以两测点距离即为C轴轴线对X轴垂直度。同法，将平尺平行于Y轴放置，测量C轴轴线对Y轴运动的垂直度。项目G7A轴与C轴的垂直度。简图简图普通级精密级0.05/2000.035/200检验工具激光跟踪仪。检验方法X、Y、Z轴位于行程中间位置并锁定，靶球固定在激光加工头远离A轴回转轴线的位置。C轴旋转360°采集不少于5个点，A轴旋转全行程采集不少于4个点。分别拟合A轴和C轴的轴线，计算两轴线的夹角与90°的偏差。项目G8A轴与C轴在同一平面内的相交度。简图简图9检验工具激光跟踪仪，或平尺、指示器、检验棒。表2回转运动轴的精度检验工具激光跟踪仪，或平尺、指示器、检验棒。检验方法引用GB/T17421.1—2023的10.4.1、10.4.2、10.4.4使用平尺法：将平尺垂直于YZ平面放置。指示器固定在激光加工头端面上，测头触及平尺表面。调整A轴和C轴使指示器读数最小（此时激光加工头出射端轴线垂直于平尺），指示器调零。同时旋转A轴和C轴180°,重新测取读数。误差以指示器读数最大差值的1/2计。也可使用激光跟踪仪直接测量两轴线空间位置，计算最短距离即为相交度误差。6.3光学器件的精度光学器件的精度检验项目按照表3中G9进行。表3光学器件的精度项目G9光束与激光加工头出射口的同轴度。简图0.05。检验工具光束位置探测器或放大镜配合标尺。检验方法将光束位置探测器安装在激光加工头出射口，调节光斑位置，保证光束对中。将A轴和C轴分别置于0°位置，调节光斑对中。旋转C轴360°,记录光斑偏移量；再旋转A轴从+90°至-90°,记录光斑偏移量。取所有测量位置中光斑中心相对于出射口中心的最大偏差作为同轴度误差。6.4工作台的精度工作台的精度检验项目按照表4中G10～G11进行。表4工作台的精度项目G10工作台的平面度。简图表4工作台的精度（续）0.08。检验工具精密水平仪和桥板，或光学方法（如激光干涉仪平面度测量附件）。检验方法引用GB/T17421.1—2023的12.2.4.2将X轴线和Y轴线置于行程的中间位置。将精密水平仪和桥板放置在工作台上，沿O-X和O-Y方向移动桥板，每隔桥板长度记录一次水平仪读数。也可用光学方法（如激光干涉仪配合平面度测量软件）直接测量工作面各点高度，计算平面度误差。项目G11工作台面对X轴线、Y轴线的平行度。简图表4工作台的精度（续）0.1。检验工具指示器、量块或激光跟踪仪。检验方法引用GB/T17421.1—2023的12.3.2.5将指示器固定在激光加工头上，测头触及工作台面或量块表面（若为旋转工作台，则触及支臂上的安装面）。a)将激光加工头位于Z轴行程中间位置，沿X方向移动激光加工头，分别在工作台上沿Y轴方向左、中、右三处测量，记录指示器读数的最大差值;b)将激光加工头位于Z轴行程中间位置，沿Y方向移动激光加工头，分别在工作台上沿X轴方向左、中、右三处测量，记录指示器读数的最大差值。误差分别以3个最大差值中的最大值计。6.5焦点中心点跟随精度焦点中心点跟随（RTCP）精度检验项目按照表5中G12～G14进行。表5RTCP的精度检验项目G12A轴旋转与线性轴X轴、Z轴和Y轴、Z轴同步运动的RTCP精度：a)沿X轴；b)沿Y轴；c)沿Z轴。表5RTCP的精度（续）a）和a）和b）简图0.2。检验工具球头芯轴、指示器或线性位移测试仪。检验方法引用GB/T39953-2021的5.1检验时，未参加检验的线性运动部件置于其行程的中间、回转运动部件置于其零点位置。设定切割头端面至精密球球心距离L为150mm（实际测试中的设置以刀长实际测量值为准）。设定RTCP功能生效，C轴置于+90°并锁紧。a)沿X轴方向固定指示器，移动机床使其测头与芯轴球形端接触，找到球面最高点，将指示器读数调零。分别旋转A轴依次到A0°、A+90°、A-90°、A0°,进给速度为300mm/min～1000mm/min，并在固定位置记录读数；b)沿Y轴方向固定指示器，测量方法同a)；c)沿Z轴方向固定指示器，测量方法同a)。将C轴置于0°并锁紧，再次执行a)～c)过程。a)、b)、c)误差分别计算，误差值以指示器读数的最大绝对值计。注：依据回转轴C轴的运动行程设定C轴的检测位置进行测量。项目G13C轴旋转与线性轴X轴、Y轴同步运动的RTCP精度：a)沿X轴；b)沿Y轴。简图表5RTCP的精度（续）a）和a）和b）0.2。检验工具球头芯轴、指示器或线性位移测试仪。检验方法引用GB/T39953-2021的5.1检验时，未参加检验的线性运动部件置于其行程的中间、回转运动部件置于其零点位置。设定切割头端面至精密球球心距离L为150mm(实际测试中的设置以刀长实际测量值为准)。设定RTCP功能生效，A轴置于-60°(或+60°)及0°位置锁紧。a)沿X轴方向固定指示器，移动机床使其测头与芯轴球形端接触，找到球面最高点，将指示器读数调零。分别旋转C轴到C0°、C+90°、C+180°、C+270°,进给速度为300mm/min～1000mm/min，并在固定位置记录读数。b)沿Y轴方向固定指示器，测量方法同a)。a)、b)误差分别计算，误差值以指示器读数的最大绝对值计。注：依据回转轴C轴的运动行程设定C轴的检测位置进行测量。项目G14A轴和C轴联动与线性轴X轴、Y轴、Z轴同步运动的RTCP精度：a)沿X轴；b)沿Y轴；c)沿Z轴。简图a）和b）表5RTCP的精度（续）公差（单位：mm）0.2检验工具球头芯轴、指示器或线性位移测试仪。检验方法引用GB/T39953-2021的5.1设定切割头端面至精密球球心距离L为150mm(实际测试中的设置以刀长实际测量值为准)。设定RTCP功能生效。a)沿X轴方向固定指示器，移动机床使其测头与芯轴球形端接触，找到球面最高点，将指示器读数调零。分别依次旋转A轴、C轴到A0°C0°、A+90°C+180°、A0°C+360°三个位置，进给速度为300mm/min～1000mm/min，并在固定位置记录下读数；b)沿Y轴方向固定指示器，测量方法同a);c)沿Z轴方向固定指示器，测量方法同a)。a)、b)、c)误差分别计算，误差值以指示器读数的最大绝对值计。注：在指示器不干涉情况下，依据回转轴A轴、C轴的运动行程设定A轴、C轴的检测位置进行测量。7定位精度7.1线性轴线的定位精度和重复定位精度线性轴线的定位精度和重复定位精度检验项目按照表6中P1进行。表6线性轴线的定位精度和重复定位精度检查检验P1线性轴线的定位精度和重复定位精度。简图表6线性轴线的定位精度和重复定位精度检查（续）a）行程≤6000时的测量循环方式（标准检验循环）b）行程＞6000时的测量循环方式（阶梯循环）公差≤500≤1000≤2000≤500≤1000≤2000普通级精密级轴线双向定位精度A0.0400.0500.0600.0200.0250.030轴线双向重复定位精度R0.0150.0250.0300.0120.0150.020轴线反向差值B0.0200.0250.0300.0100.0130.016轴线双向定位系统偏差E0.0300.0400.0500.0160.0200.025轴线双向平均位置偏差M0.0200.0250.0300.0100.0130.016轴线单向定位精度A↑和A↓0.0300.0400.0500.0120.020.025表6线性轴线的定位精度和重复定位精度检查（续）轴线单向重复定位精度R↑和R↓0.0100.0200.0250.0080.0130.016双向定位精度A0.060；每增1000加0.0100.030；每增1000加0.005双向重复定位精度R0.030；每增1000加0.0060.020；每增1000加0.003单向定位精度A↑和A↓0.050；每增1000加0.0100.025；每增1000加0.005单向重复定位0.025；每增1000加0.0060.016；每增1000加0.003注：轴线行程大于2000mm时按照GB/T17421.2-2023的规定。检验工具激光干涉仪或激光跟踪仪或激光测量装置。检验方法引用GB/T17421.2—2023中的第5章和第6章使用激光干涉仪时，按GB/T17421.1—2023中8.3.2.1的规定安装光学元件，确保干涉仪光轴与被测轴线平行。按简图中的循环方式进行测量，目标位置至少5个，双向趋近，每方向测量5次。记录各位置定位偏差，按GB/T17421.2—2023中第8章计算A、R、B、E、M等参数。检验报告应注明温度、压力等环境补偿信息。7.2回转轴线的定位精度和重复定位精度检验回转轴线的定位精度和重复定位精度检验项目按照表7中P2～P3进行。表7回转轴线的定位精度和重复定位精度检查项目P2激光加工头A轴线的定位精度和重复定位精度。简图检验项目轴线双向定位精度A54″轴线单向定位精度A↑和A↓48″轴线双向重复定位精度R18″轴线单向重复定位精度R↑和R↓15″检验工具激光干涉仪（配角度测量附件）和回转轴校准装置（如无限回转轴），或自准直仪与多面体，或激光跟踪仪。表7回转轴线的定位精度和重复定位精度检查（续）检验方法引用GB/T17421.2-2023中的第4章、第5章和8.4.2.3使用激光干涉仪（配角度测量附件）和回转轴校准装置时：将回转轴校准装置（如无限回转轴）安装在A轴激光加工头上，使其回转轴线与A轴回转轴线同轴。激光角度干涉仪固定在床身或固定支架上。编程使A轴依次转动至各目标位置，在每个目标位置记录角度干涉仪的读数，得到实际角度位置与指令角度的偏差。使用自准直仪与多面体时：将多面体安装在A轴上并使其工作面垂直于A轴回转轴线。自准直仪固定在床身上，对准多面体的一个工作面。A轴转动一个分度角后，自准直仪读数变化即为该位置的角度定位偏差。目标位置选择：按GB/T17421.2—2023中5.3.4的规定，测量行程≤90°时，最少测量3个目标位置，其中0°和90°包括在内；90°<测量行程≤180°时，最少测量5个目标位置，其中0°、90°、180°包括在内。测量循环：每个目标位置从两个方向（正向和负向）各趋近5次，记录每次的定位偏差。按GB/T17421.2—2023第6章的规定计算轴线双向定位精度A、单向定位精度A↑和A↓、双向重复定位精度R、单向重复定位精度R↑和R↓等参数。项目P3激光加工头C轴线的定位精度和重复定位精度。简图检验项目轴线双向定位精度A54″轴线单向定位精度A↑和A↓48″轴线双向重复定位精度R18″轴线单向重复定位精度R↑和R↓15″检验工具激光干涉仪（配角度测量附件）和回转轴校准装置（如无限回转轴），或自准直仪与多面体，或激光跟踪仪。检验方法引用GB/T17421.2-2023中的第4章、第5章和8.4.2.3使用激光干涉仪（配角度测量附件）和回转轴校准装置时：将回转轴校准装置（如无限回转轴）安装在C轴激光加工头上，使其回转轴线与C轴回转轴线同轴。激光角度干涉仪固定在床身或固定支架上。编程使C轴依次转动至各目标位置，在每个目标位置记录角度干涉仪的读数，得到实际角度位置与指令角度的偏差。使用自准直仪与多面体时：将多面体安装在C轴上并使其工作面垂直于C轴回转轴线。自准直仪固定在床身上，对准多面体的一个工作面。C轴转动一个分度角后，自准直仪读数变化即为该位置的角度定位偏差。目标位置选择：按GB/T17421.2—2023中5.3.4的规定，测量行程≤90°时，最少测量3个目标位置，其中0°和90°包括在内；90°<测量行程≤180°时，最少测量5个目标位置，其中0°、90°、180°包括在内；180°<测量行程≤360°时，最少测量8个目标位置，其中0°、90°、180°和270°包括在内。若C轴行程超过360°,可按每转至少8个目标位置进行单向趋近检验；若制造商与用户商定在正常工作范围的某一360°角度内检测，则按上述≤360°的要求执行。测量循环：每个目标位置从两个方向（正向和负向）各趋近5次，记录每次的定位偏差。按GB/T17421.2—2023第6章的规定计算轴线双向定位精度A、单向定位精度A↑和A↓、双向重复定位精度R、单向重复定位精度R↑和R↓等参数。8焦点中心点跟