一種大型臥式五軸加工中心的調(diào)試方法

一種大型臥式五軸加工中心的調(diào)試方法

隨著制造水平的提高，五軸加工中心的高端數(shù)字設(shè)備數(shù)量日益增多。某型臥式五軸加工中心是我公司根據(jù)市場(chǎng)需求開發(fā)的一款新產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該機(jī)床是基于西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)的A擺頭+回轉(zhuǎn)工作臺(tái)B軸結(jié)構(gòu)的大型臥式五軸加工中心，具有大規(guī)格、大轉(zhuǎn)矩、大承重、高轉(zhuǎn)速、高精度的特點(diǎn)，適用于大型鈦合金、鋁合金、高溫合金零件的粗、精加工。西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便、開放性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、航天航空、電力、醫(yī)療、電子行業(yè)。西門子840Dsl五軸轉(zhuǎn)換功能是一種特殊的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在五軸轉(zhuǎn)換狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)配置的數(shù)據(jù)，自動(dòng)實(shí)時(shí)將編程指令轉(zhuǎn)換成各個(gè)機(jī)床軸運(yùn)動(dòng)指令，達(dá)到編程指令的軌跡要求五軸功能調(diào)試關(guān)系到五軸轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)，關(guān)系到五軸加工精度，是五軸機(jī)床調(diào)試中十分重要的環(huán)節(jié)。出于技術(shù)保密或其他原因，系統(tǒng)介紹基于西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)的擺頭+回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)機(jī)床五軸調(diào)試文章很少，影響了五軸機(jī)床的應(yīng)用和推廣。某型臥式五軸加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)規(guī)格太大，當(dāng)A軸旋轉(zhuǎn)到與工作臺(tái)垂直時(shí)，主軸不過回轉(zhuǎn)工作臺(tái)中心，不能用傳統(tǒng)方法測(cè)量B軸回轉(zhuǎn)中心的機(jī)床坐標(biāo)，需要研究新的測(cè)量方法。1定位精度計(jì)算在五軸功能調(diào)試前，需要保證機(jī)床的幾何精度、定位精度、重復(fù)定位精度及反向間隙等滿足要求。通過仔細(xì)研究、分析并結(jié)合機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求，制定了五軸功能調(diào)試流程如圖4所示。1.1直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)軸機(jī)床坐標(biāo)系的正確設(shè)定是機(jī)床調(diào)試的基礎(chǔ)。構(gòu)成機(jī)床直角坐標(biāo)系的X,Y,Z三個(gè)軸為基本直線軸，如果在X,Y,Z軸之外還有平行于它們的直線運(yùn)動(dòng)，分別定義為U,V,W軸。直角坐標(biāo)系遵守右手定則，直線軸運(yùn)動(dòng)方向以刀具運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)。若有旋轉(zhuǎn)軸時(shí)，規(guī)定繞X,Y,Z軸的旋轉(zhuǎn)軸分別定義為A,B,C軸，其正方向依據(jù)右手螺旋定則判定。（圖5所示）某型臥式五軸加工中心包含X,Y,Z三個(gè)直線軸和A,B兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，如圖3所示。1.2旋轉(zhuǎn)及工件類型通用五軸轉(zhuǎn)換模型，支持以下3種結(jié)構(gòu)：(1）轉(zhuǎn)換類型24。刀具旋轉(zhuǎn)類型（圖6）。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都在刀具側(cè)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般剛性較差，但運(yùn)動(dòng)靈活。能改變另一軸所定義角度的軸為第一旋轉(zhuǎn)軸。圖中B軸為第一旋轉(zhuǎn)軸，A軸為第二旋轉(zhuǎn)軸。(2）轉(zhuǎn)換類型40。工件旋轉(zhuǎn)類型（圖7）。兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸都作用于工件上，其旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)工作臺(tái)剛性容易保證、工藝范圍較廣，實(shí)現(xiàn)容易。能改變另一軸所定義角度的軸為第一旋轉(zhuǎn)軸。圖中A軸為第一旋轉(zhuǎn)軸，B軸為第二旋轉(zhuǎn)軸。(3）轉(zhuǎn)換類型56。刀具旋轉(zhuǎn)+工件旋轉(zhuǎn)類型（圖8）。刀具與工件各具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，特點(diǎn)介于上述兩類機(jī)床之間。刀具軸為第一旋轉(zhuǎn)軸。圖中A軸為第一旋轉(zhuǎn)軸，B軸為第二旋轉(zhuǎn)軸。某型臥式五軸加工中心機(jī)床結(jié)構(gòu)屬于轉(zhuǎn)換類型56，有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸A和B，其中旋轉(zhuǎn)軸A在刀具側(cè)，旋轉(zhuǎn)軸B在工件側(cè)（見圖3）。因此，A軸為第一旋轉(zhuǎn)軸，B軸為第二旋轉(zhuǎn)軸。所以MD24100：$MC＿TRAFO＿TYPE＿1值為56。1.3軸分配1.3.1軸分配MD24110：￥MC＿TRAFO＿AXES＿IN＿1定義參與五軸轉(zhuǎn)換的通道軸。索引號(hào)[0,1,2]定義參與轉(zhuǎn)換直線軸，索引號(hào)1.3.2幾何軸的轉(zhuǎn)換MD24120：￥MC＿TRAFO＿GEOAX＿ASSIGN＿TAB＿1定義參與五軸轉(zhuǎn)換的幾何軸，與MD24110有對(duì)應(yīng)關(guān)系。MD24110索引號(hào)[0]=1，1.3.3第二旋轉(zhuǎn)軸的定義MD24570：￥MC＿TRAFO5＿AXIS1＿1定義第一旋轉(zhuǎn)軸，MD24572：￥MC＿TRAFO5＿AXIS2＿1定義第二旋轉(zhuǎn)軸。索引號(hào)[0]定義旋轉(zhuǎn)軸圍繞X軸旋轉(zhuǎn)，索引號(hào)1.3.4方向感設(shè)置MD24574：￥MC＿TRAFO5＿BASE＿ORIENT＿1定義初始狀態(tài)刀具矢量方向。索引號(hào)[0]定義刀具矢量沿X軸方向，1.4回轉(zhuǎn)中心至刀具基準(zhǔn)點(diǎn)距離該型臥式五軸加工中心是旋轉(zhuǎn)頭+旋轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)五軸加工中心，轉(zhuǎn)換類型為56,Base＿Tool,Joint＿Offset,Joint＿Offset＿Part,Part＿Offset定義如下。Base＿Tool：刀具基準(zhǔn)點(diǎn)到第一旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心的距離；Joint＿Offset：第一旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心到刀具基準(zhǔn)點(diǎn)的距離；Joint＿Offset＿Part：機(jī)床零點(diǎn)到第二旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心的距離；Part＿Offset：第二旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心到機(jī)床零點(diǎn)的距離。其中，Joint＿Offset=-Base＿Tool,Part＿Offset=-Joint＿Offset＿Part。Base＿Tool,Joint＿Offset,Joint＿Offset＿Part,Part＿Offset分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)MD24550,MD24560,MD24558,MD24500,MD24550,MD24560,MD24558,MD24500中索引號(hào)[0]，1.5a軸旋轉(zhuǎn)軸線測(cè)量五軸幾何數(shù)據(jù)測(cè)量前，要先檢驗(yàn)旋轉(zhuǎn)軸零位是否正確，若不正確，重新設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸零位。A軸擺長(zhǎng)測(cè)量。將百分表固定在工作臺(tái)上，指針指向Z軸正向，將A軸旋轉(zhuǎn)到-90°位置，移動(dòng)X,Y,Z軸使指針與測(cè)量棒最高點(diǎn)接觸，并將百分表讀數(shù)調(diào)為零，記錄機(jī)床坐標(biāo)值Z該型臥式五軸加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)規(guī)格太大，當(dāng)A軸旋轉(zhuǎn)到與工作臺(tái)垂直時(shí)，主軸中心不過回轉(zhuǎn)工作臺(tái)中心，因此不能用傳統(tǒng)方法測(cè)量B軸回轉(zhuǎn)中心的機(jī)床坐標(biāo)XB軸回轉(zhuǎn)中心的機(jī)床坐標(biāo)XB軸回轉(zhuǎn)中心的機(jī)床坐標(biāo)Z1.6rtcp精度調(diào)試RTCP(RotaryToolCenterPoint）功能指刀軸旋轉(zhuǎn)后為保持刀尖位置不變，五軸控制器自動(dòng)計(jì)算并執(zhí)行線性軸補(bǔ)償機(jī)床五軸相關(guān)參數(shù)設(shè)置好后，通過球頭芯棒、百分表檢驗(yàn)機(jī)床RTCP精度，保證五軸聯(lián)動(dòng)過程中及停止時(shí)，百分表讀數(shù)均在允差范圍內(nèi)（見圖13）。其中停止時(shí)的精度可通過參數(shù)MD24550,MD24560,MD24558,MD24500進(jìn)行補(bǔ)償，聯(lián)動(dòng)過程中的精度需要結(jié)合增益、加速度等參數(shù)進(jìn)行電氣優(yōu)化。RTCP精度調(diào)試流程如下：(1）機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸回到初始位置。(2）夾裝球頭芯棒和百分表。(3）移動(dòng)機(jī)床直線軸，使百分表指針指在球的最高點(diǎn)，設(shè)定當(dāng)前點(diǎn)為工件原點(diǎn)（G54），并將百分表讀數(shù)設(shè)為0。(4）編程RTCP精度調(diào)試運(yùn)動(dòng)程序。(5）運(yùn)行程序，觀察百分表讀數(shù)。(6）根據(jù)百分表讀數(shù)調(diào)整相應(yīng)機(jī)床參數(shù)，重新執(zhí)行（1）～（5）步驟，直至精度達(dá)到要求。該型臥式五軸加工中心A軸在刀具側(cè)，B軸在工件側(cè)，可先分別調(diào)試好A,B軸RTCP精度，再調(diào)試A,B軸聯(lián)動(dòng)的RTCP精度。要合理設(shè)置百分表擺放位置，以避免運(yùn)動(dòng)過程中百分表與機(jī)床干涉、機(jī)床與工裝碰撞以及機(jī)床行程限位。要合理設(shè)置指針指向，以便在更大旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行RTCP精度調(diào)試。1.7軸加工刀軌機(jī)床RTCP精度調(diào)試好后，需要通過五軸機(jī)床切削試件切削和測(cè)量來驗(yàn)證機(jī)床的五軸聯(lián)動(dòng)加工精度。NAS979圓錐臺(tái)試件、中航成飛S試件是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的五軸機(jī)床切削試件（圖14、圖15）。五軸編程一般要用到CAM軟件，應(yīng)用CAM軟件可以設(shè)計(jì)五軸加工刀軌，并對(duì)加工過程和結(jié)果進(jìn)行仿真。五軸加工刀軌完成后，需要通過定制的后處理文件將刀軌轉(zhuǎn)化為機(jī)床識(shí)別的NC代碼，從而實(shí)現(xiàn)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)、切削。常用的CAM軟件有NX,hyperMill,Mastercam,CATIA等。圖16為S試件五軸加工刀軌，圖17為S試件五軸加工程序。NAS979圓錐臺(tái)試件、中航成飛S試件切削完后均需通過三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)加工精度。中航成飛S試件沿“S”緣條高度方向取3條截線，每條截線上等距布置25個(gè)測(cè)量點(diǎn)，一個(gè)面有75個(gè)測(cè)量點(diǎn)，兩個(gè)面共有150個(gè)測(cè)量點(diǎn)。S試件精度要求為：輪廓度允差±0.1mm；無明顯接刀痕；粗糙度R1.8結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)定運(yùn)動(dòng)幾何標(biāo)定循環(huán)CYCLE996通過測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球空間位置，自動(dòng)計(jì)算運(yùn)動(dòng)幾何轉(zhuǎn)換定義的幾何尺寸，可達(dá)到重新設(shè)定五軸幾何數(shù)據(jù)或校驗(yàn)五軸數(shù)據(jù)是否正確的目的。使用循環(huán)CY-CLE996需要選配“五軸銑削工藝包”，還需要一個(gè)已標(biāo)定的3D測(cè)頭和標(biāo)準(zhǔn)球（圖18），以及至少一套與五軸參數(shù)設(shè)置結(jié)構(gòu)一樣的CYCLE800參數(shù)。五軸幾何數(shù)據(jù)校驗(yàn)與重新設(shè)定涉及到3D測(cè)頭標(biāo)定、運(yùn)動(dòng)幾何標(biāo)定循環(huán)CYCLE996的調(diào)用、CYCLE800參數(shù)設(shè)置和調(diào)用，用到相關(guān)專業(yè)知識(shí)太多，這里不作祥述。該型臥式五軸加工中心經(jīng)過系統(tǒng)坐標(biāo)系、轉(zhuǎn)換類型設(shè)定，軸分配，幾何關(guān)系設(shè)定，幾何數(shù)據(jù)測(cè)量，機(jī)床RTCP精度基本在可控范圍內(nèi)；通過幾何數(shù)據(jù)補(bǔ)償和電氣優(yōu)化機(jī)床RTCP精度在允差范圍內(nèi)；通過NAS979圓錐臺(tái)、中航成飛S試件切削和測(cè)量，試件全部合格，驗(yàn)證了機(jī)床的五軸精度；通過編程基于CY-CLE996循環(huán)的測(cè)量程序，校驗(yàn)了五軸幾何數(shù)據(jù)的正確性。完成了