五坐標(biāo)雙擺銑頭主軸回轉(zhuǎn)中心距測(cè)量分析

王勇

[摘 要]本文通過(guò)簡(jiǎn)要介紹五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床雙擺銑頭，論述五坐標(biāo)雙擺銑頭主軸回轉(zhuǎn)中心距的測(cè)量計(jì)算方法，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工精度提高，解決五坐標(biāo)雙擺銑頭安裝調(diào)試維修調(diào)整問(wèn)題，從而達(dá)到提高數(shù)控機(jī)床維修效率的目的，使數(shù)控機(jī)床的維修邁上一個(gè)新臺(tái)階，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]回轉(zhuǎn)中心距? 測(cè)量 分析

1 概述

現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)裝備制造業(yè)注入了強(qiáng)勁的動(dòng)力，同時(shí)也對(duì)它提出更強(qiáng)要求，更加突出了機(jī)械裝備制造業(yè)作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化載體在推動(dòng)整個(gè)社會(huì)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的原動(dòng)力，以五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床為標(biāo)志的機(jī)械裝備制造業(yè)將伴隨著高新技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而共同進(jìn)步。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床代表機(jī)床制造業(yè)最高境界，是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的象征。

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是航空工業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，在現(xiàn)代飛機(jī)研制生產(chǎn)中具有舉足輕重的作用。數(shù)控機(jī)床的精度水平直接影響著航空先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，尤其是制約著現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)中廣泛采用的復(fù)雜型面大型整體結(jié)構(gòu)件的推廣應(yīng)用。具有優(yōu)異性能的飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件的發(fā)展，推動(dòng)了具有強(qiáng)力加工特性的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步，對(duì)數(shù)控機(jī)床的五軸聯(lián)動(dòng)精度提出了越來(lái)越高的要求。

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的五個(gè)坐標(biāo)軸通常是由三個(gè)直線(xiàn)軸外加兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸組成，其結(jié)構(gòu)有多種形式，如銑頭雙擺式、工作臺(tái)擺動(dòng)式、銑頭擺工作臺(tái)回轉(zhuǎn)式等。以雙擺銑頭為例，又分為插式BC擺銑頭和AB擺銑頭兩種。圖1中①不帶TRAORI指令的加工運(yùn)動(dòng)，②帶TRAORI指令的加工運(yùn)動(dòng)。

機(jī)床執(zhí)行RTCP功能，刀具中心點(diǎn)和刀具和工件表面的實(shí)際接觸點(diǎn)將維持不變，此時(shí)刀具中心點(diǎn)落在刀具與工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)處的法線(xiàn)上，而刀柄將圍繞刀具中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，對(duì)于球頭刀而言，刀具中心點(diǎn)就是數(shù)控代碼的目標(biāo)軌跡點(diǎn)。為了達(dá)到讓刀柄在執(zhí)行RTCP功能時(shí)能夠單純地圍繞目標(biāo)軌跡點(diǎn)（即刀具中心點(diǎn)）旋轉(zhuǎn)的目的，就必須實(shí)時(shí)補(bǔ)償由于刀柄轉(zhuǎn)動(dòng)所造成的刀具中心點(diǎn)各直線(xiàn)坐標(biāo)的偏移，這樣才能夠在保持刀具中心點(diǎn)以及刀具和工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)不變的情況，改變刀柄與刀具和工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)處的法線(xiàn)之間的夾角，起到發(fā)揮球頭刀的最佳切削效率，并有效避讓干涉等作用。因而RTCP是站在刀具中心點(diǎn)上，處理旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變化。

在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的日常維修中，必要時(shí)需要對(duì)主軸進(jìn)行拆卸維修，維修完成后重新安裝。這樣以來(lái)，由于重新裝配導(dǎo)致從主軸端面到B軸軸線(xiàn)的主軸回轉(zhuǎn)中心距發(fā)生改變。回轉(zhuǎn)中心距測(cè)量不準(zhǔn)會(huì)造成五軸聯(lián)動(dòng)誤差過(guò)大，如未能及時(shí)修改數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)，將直接影響機(jī)床RTCP精度。準(zhǔn)確測(cè)量回轉(zhuǎn)中心距并正確修改相關(guān)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)，直接關(guān)系到機(jī)床維修質(zhì)量和機(jī)床加工精度。

2 測(cè)量計(jì)算方法

五坐標(biāo)雙擺銑頭中BC擺銑頭和AB擺銑頭兩種最為常見(jiàn)。五軸數(shù)控龍門(mén)銑床通常裝配BC擺銑頭，其中B軸行程≧±90°。當(dāng)五軸數(shù)控龍門(mén)銑床回轉(zhuǎn)坐標(biāo)為主軸選裝的機(jī)床，在回轉(zhuǎn)坐標(biāo)能夠±90°旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸回轉(zhuǎn)中心距的測(cè)量方法如圖4所示。

圖3中機(jī)床主軸安裝測(cè)量芯棒，G為B軸回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，M為主軸回轉(zhuǎn)中心距，C為測(cè)量百分表，R為測(cè)量芯棒半徑。A圖為B軸旋轉(zhuǎn)至0°時(shí)，當(dāng)主軸下端面接觸C表，記下C表數(shù)值，同時(shí)記錄當(dāng)前Z坐標(biāo)值Z1;B圖為B軸旋轉(zhuǎn)至90°時(shí)，當(dāng)測(cè)量芯棒下端母線(xiàn)接觸C表，C表數(shù)值如A圖時(shí)數(shù)值，同時(shí)記錄當(dāng)前Z坐標(biāo)值Z2。由A、B兩圖幾何關(guān)系可得出

五軸數(shù)控立式銑床通常裝配AB擺銑頭，其中B軸行程≧±30°。當(dāng)五軸數(shù)控龍門(mén)銑床回轉(zhuǎn)坐標(biāo)為主軸選裝的機(jī)床，在回轉(zhuǎn)坐標(biāo)能夠±30°旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸回轉(zhuǎn)中心距的測(cè)量方法如圖5所示。

圖4中機(jī)床主軸安裝測(cè)量芯棒，G為B軸回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，M為主軸回轉(zhuǎn)中心距，C為測(cè)量百分表，R為測(cè)量芯棒頂端球頭半徑。A圖為B軸旋轉(zhuǎn)至0°時(shí)，當(dāng)主軸下端面接觸C表，記下C表數(shù)值，同時(shí)記錄當(dāng)前Z坐標(biāo)值Z1;B圖為B軸旋轉(zhuǎn)至30°時(shí)，當(dāng)測(cè)量芯棒下端球頭接觸C表，C表數(shù)值如A圖時(shí)數(shù)值，同時(shí)記錄當(dāng)前Z坐標(biāo)值Z2。由A、B兩圖幾何關(guān)系可得出

3 參數(shù)分析與驗(yàn)證

以SIEMENS SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)為例，MD24100 $MC_TRAFO_TYPE_1=24;定義五坐標(biāo)銑頭形式，24代表雙擺銑頭形式。

MD24500 $MC_TRAFO5_PART_OFFSET_1[2]=-M;MD24550 $MC_TRAFO5_BASE_TOOL_1[2]=M; 是調(diào)整主軸Z向回轉(zhuǎn)中心距的參數(shù)。

通過(guò)修改上述數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)，使機(jī)床正確執(zhí)行RTCP功能。檢測(cè)RTCP運(yùn)動(dòng)精度來(lái)驗(yàn)證主軸Z向回轉(zhuǎn)中心距測(cè)量和數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)是否正確。

RTCP運(yùn)動(dòng)精度的檢測(cè)是通過(guò)在機(jī)床主軸上安裝百分表，沿法向觸及固定在工作臺(tái)上的球頭的表面，通過(guò)編程驅(qū)動(dòng)各坐標(biāo)繞球頭的球心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)測(cè)得。此檢測(cè)方法實(shí)施簡(jiǎn)單、方便快捷，而且能夠有效避免其他因素帶入的干擾誤差，是目前五軸數(shù)控機(jī)床聯(lián)動(dòng)精度檢測(cè)最常用的方法。

4 結(jié)論

根據(jù)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床維修的需求，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)功能，對(duì)五坐標(biāo)雙擺銑頭主軸Z向回轉(zhuǎn)中心距的測(cè)量進(jìn)行分析、研究達(dá)到了預(yù)期效果，解決設(shè)備維修需求。針對(duì)回轉(zhuǎn)中心距的測(cè)量分析確實(shí)值得研究總結(jié)，原理性的分析研究為今后的設(shè)備維修工作積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于今后應(yīng)用具有極大的參考和推廣價(jià)值。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在航空先進(jìn)制造領(lǐng)域的性能發(fā)揮和工程應(yīng)用水平的提高任重而道遠(yuǎn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] SIEMENS，SINUMERIK 840D Tool and Mold Making Manual，GERMANY：SIEMENS? AG，2004;

[2] SIEMENS，SINUMERIK 840D Special Functions Function Manual，GERMANY：SIEMENS? AG，2006。