林 敏，郑泽培

（广东省机械研究所，广东广州 510635）

0 引言

当今产品的零部件日趋多样，用于批量加工产品的模具结构越来越复杂，且其倾斜面和曲面越来越多，模具加工精度及配合面要求也越来越高。为了提高模具生产效率，使其迅速地均匀冷却、达到最佳冷却效果，设计的模具水冷系统运水孔随着产品结构要求的不同会有不同的角度要求。对于这一类模具，需要有能够实现空间任意角度铣削和深孔加工的精密五轴钻铣复合机床对其进行加工。模具加工过程中使用五轴钻铣复合机床可以进行细小孔的深孔加工及多角度加工，有效减少零部件在各工序间的装夹次数，大大提高生产效率。

五轴钻铣复合机床在国内属于创新型产品，此前该类机床在国内还没有产品的技术标准。为了规范广东省内五轴钻铣复合机床的研发设计和生产过程，为设备检验和质量保证提供依据，笔者单位联合环球工业机械（东莞）有限公司研制了广东省地方标准DB44/T 2103—2018《五轴钻铣复合机床技术条件》。该标准已于2018年1月2日发布，将于2018年4月2日实施。

该标准在研制过程中，对于数控机床通用的技术指标，参考了已有的数控机床标准；而对于已有标准没有的或不适用的技术指标，则通过分析机床的实际功能和使用情况进行研究确定。其中，对机床直线轴最小设定单位这一关键技术指标，现阶段很多国产精密数控机床最小设定单位已提高到0.001 mm，需要对其最小设定单位指标及相应的试验方法进行研究确定。

1 最小设定单位

最小设定单位是数控机床一项重要的技术指标。数控系统所规定的最小设定单位为脉冲当量，是指数控装置每输出一个脉冲，相应机床移动部件所能达到的位移量。脉冲当量影响数控机床的加工精度，它的值越小，数控系统的控制精度越高。

最小设定单位主要由丝杆螺距、编码器和驱动器细分数等设计参数确定。而实际上，滚珠丝杠的传动误差、传动部件的机械间隙、导轨的几何精度、摩擦阻力和温度等都会影响机床的运动精度，导致机床在最小设定单位指令下的位移存在误差。因此，大多数数控机床标准如GB/T 21012-2007《精密加工中心技术条件》、JB/T 8357.2-2008《数控立式钻床第2部分：技术条件》、JB/T 8648.2—2008《钻削加工中心第2部分：技术条件》等均对机床直线轴的最小设定单位误差提出要求，并规定了试验方法，以衡量机床在小位移移动指令下（在若干个最小设定单位指令下）的响应到位情况[1-5]。部分已有数控机床标准中直线轴最小设定单位指标的要求和试验方法如表1所示。

2 直线轴最小设定单位指标的研究

2.1 按照已有标准的试验方法进行试验

DB44/T 2103—2018《五轴钻铣复合机床技术条件》在研制过程中，首先按照表1已有标准的试验方法，对最小设定单位指标进行试验。

试验在环球工业机械（东莞）有限公司内进行，该企业所研发的五轴钻铣复合机床拥有多件发明专利，在国内处于领先地位。选择在该企业生产的机床进行试验，使得获取的数据更有代表设定单位（0.004 mm）。说明在通常国产机床能达到的制造精度条件下，衡量机床移动0.001 mm位移的误差没有意义。另一方面，对于机床静止不动的情况，按已有标准的计算方法，其单次移动的最小设定单位误差为1个最小设定单位，能符合JB/T 8599.2—1997“推荐Sa不大于五个最小设定单位”的要求，但该情况很明显不应该属于标准推荐的情况。因此，已有标准的试验方法存在局限性。性，标准技术指标的研究结果更可靠。

表1 部分已有机床标准中直线轴最小设定单位指标的要求和试验方法

该企业生产的机床型号主要有CAM⁃DER1.6L、CAMDER2.6L 和 CAMDER3.6L。该类型机床共有4个直线轴，分别为X轴、Y轴、Z轴和W轴，其中W轴是实现钻削功能的轴，各直线轴最小设定单位均为0.001 mm。

按照表1中已有标准的试验方法对型号为CAMDER3.6L的机床进行试验，每次给出一个最小设定单位的指令，即每次向机床某个直线轴发出移动0.001mm的指令，共给出20个最小设定单位的指令，向同方向移动，然后反向。测量并记录各直线轴终端运动部件的实际停止位置。试验结果以散点图表示，X轴表示终端运动部件的理论位移（最小设定单位个数），Y轴表示其实际位移，如图1所示。

从图1机床各直线轴的位移情况可以看到机床在执行1个最小设定单位为0.001mm的指令时，会出现静止不动或者一次移动几个最小设定单位指令的现象。出现这种情况主要是因为机床受到如滚珠丝杠的传动误差、传动部件的机械间隙、导轨的几何精度、摩擦阻力和温度等影响机床定位因素的作用。

从上面试验的结果看，移动1个最小设定单位距离（0.001 mm），其产生的误差可达4个最小

图1 直线轴最小设定单位试验结果（按照已有标准）

2.2 改进的直线轴的最小设定单位试验方法

现阶段国产数控机床最小设定单位一般为0.01 mm，较精密的机床为0.001 mm，已有标准的试验方法适用于最小设定单位为0.01 mm的数控机床，而最小设定单位为0.001 mm的数控机床在按照该方法进行试验时就会出现类似上面的试验结果。因此，考虑到精密数控机床最小设定单位的情况，DB44/T 2103-2018《五轴钻铣复合机床技术条件》中规定直线轴最小设定单位试验方法如下。

先以快速使直线轴上的运动部件向正（或负）向移动一定距离，停止后，向同方向给出若干个最小设定单位的指令，再停止，以此位置作为基准位置。然后同方向移动20次，每次给出n个最小设定单位指令（最小设定单位为0.01 mm时，n=1；最小设定单位为0.001 mm时，n=10），测量各个指令的停止位置，从上述的最终测量位置，再继续向同方向给出若干个最小设定单位的指令，停止后，向负（或正）向给出若干个最小设定单位的指令，使其约回到上述的最终测量位置，这些若干个最小设定单位指令不作测量。然后从上述的最终测量位置开始，每次给出n个最小设定单位指令，继续向负（或正）向移动，使其约回到基准位置，测量各指令的停止位置（见图2）。

图2 直线轴的最小设定单位试验

相邻停止位置间的距离与n个最小设定单位之差的最大值，即为最小设定单位误差Sa，即：

式（1）中：

Li—n个最小设定单位的实际位移，单位为mm；

m—n个最小设定单位的理论位移，单位为mm。

最小设定单位相对误差Sb定义为：

式（2）中：

图3 直线轴最小设定单位试验结果（改进的试验方法）

2.3 按照改进后的试验方法进行试验

按照DB44/T 2103-2018《五轴钻铣复合机床技术条件》规定的试验方法进行试验。因CAM⁃DER3.6L的最小设定单位是0.001 mm，因此每次给出10个最小设定单位指令，即移动0.01 mm的指令，然后同方向移动20次，然后反向移动。CAMDER3.6L各直线轴的试验结果如图3所示。

从图3机床各直线轴的位移情况可以看出，该试验中机床不会出现静止不动的现象。

按照DB44/T 2103—2018《五轴钻铣复合机床技术条件》规定的试验方法在各直线轴行程的中间及两端三个位置分别进行试验，CAM⁃DER1.6L、CAMDER2.6L、CAMDER3.6L的试验结果如表2所示。

2.4 最小设定单位技术指标要求

表2的试验结果显示五轴钻铣复合机床各直线轴的最小设定单位误差Sa不大于0.004 mm，最小设定单位相对误差Sb不大于6%。

已有的机床标准对最小设定单位误差Sa没有规定具体的数值，实际上很多数控机床制造企业也未在其产品技术文件中规定最小设定单位误差，造成该指标无法评判。因此有必要确定最小设定单位误差Sa具体值的大小，用于评判产品的合格与否。另外，由于十多年来，数控机床的精度普遍提高了，有必要将最小设定单位相对误差（已有标准为25%）提高。

考虑到试验的五轴钻铣复合机床在国内处于领先地位，故把标准的最小设定单位误差Sa和Sb在试验结果的基础上适当放大，以使该标准更能体现该行业的实际技术水平，并引导技术水平相对落后的生产企业提高产品质量。因此，DB44/T 2103-2018《五轴钻铣复合机床技术条件》要求“五轴钻铣复合机床直线轴的最小设定单位误差应不大于0.005 mm，最小设定单位相对误差不得超过10%。”。

表2 最小设定单位试验结果

3 结论

DB44/T 2103-2018《五轴钻铣复合机床技术条件》在研制的过程中力求方法科学，贴合实际，可操作强。标准最小设定单位指标的研究结果如下：

（1）现阶段大多国产较精密的数控机床的最小设定单位已提高到0.001 mm，已有标准的试验方法适用于最小设定单位为0.01 mm的数控机床。因此，考虑到精密数控机床最小设定单位的情况，该标准在参考已有数控机床标准试验方法的基础上进行改进，使其适用于较精密的数控机床。

（2）很多数控机床制造企业未在其产品技术文件中规定最小设定单位误差，根据已有标准该指标无法进行评判。因此该标准中将五轴钻铣复合机床的最小设定单位误差Sa的上限值设定为0.005 mm，使产品有了评判依据。

（3）随着数控机床精度的普遍提高，25%的最小设定单位相对误差对于五轴钻铣复合机床来说要求偏低，故将其上限值设定为10%。

参考文献：

［1］GB/T 21012-2007.精密加工中心技术条件［S］.

［2］JB/T 8357.2-2008.数控立式钻床第2部分技术条件［S］.

［3］JB/T 8329—2008.数控床身铣床技术条件［S］.

［4］JB/T 8648.2—2008.钻削加工中心第2部分：技术条件［S］.

［5］JB/T 10792.2—2007.五轴联动立式加工中心第2部分：技术条件［S］.