五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸位置測定與加工設(shè)置

廣東省工商高級(jí)技工學(xué)校 （樂昌 512200） 郎永兵

五軸數(shù)控加工是在三個(gè)基本直線坐標(biāo)軸（X、Y、Z）上增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（A、B、C軸的任意組合）的一種多軸數(shù)控加工方式。五軸機(jī)床的三個(gè)直線軸與兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的聯(lián)動(dòng)加工方式，被稱為五軸聯(lián)動(dòng)加工；兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定位，使刀具呈現(xiàn)一定的姿態(tài)角度不變，三個(gè)直線軸作聯(lián)動(dòng)，這種加工方式被稱為五軸定向加工。

五軸加工數(shù)控機(jī)床根據(jù)旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動(dòng)方式不同，可歸納為雙轉(zhuǎn)臺(tái)、雙擺頭和一轉(zhuǎn)臺(tái)一擺頭三種形式。雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)包括三個(gè)直線坐標(biāo)軸X、Y、Z和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)B（A）、C，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該種結(jié)構(gòu)是中、小型五軸加工機(jī)床采用較多的一種結(jié)構(gòu)形式，其優(yōu)點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)有足夠的行程范圍，工藝性好，適合中小型體零件的五面粗、精銑削加工，機(jī)床能在加工時(shí)減少裝夾次數(shù)，達(dá)到高效率、高精度、高可靠性的要求。

圖1

1.五軸加工設(shè)置內(nèi)容介紹

零件在進(jìn)行五軸加工時(shí)主要設(shè)置的內(nèi)容有：編程方式選擇及轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心到擺動(dòng)中心位置偏置設(shè)置、編程零點(diǎn)到C軸中心位置偏置設(shè)置、加工工件坐標(biāo)系的位置偏置設(shè)置、刀具長度補(bǔ)償設(shè)置、機(jī)床五軸RTCP加工設(shè)置及。下面以廣數(shù)GSK 25i五軸數(shù)控系統(tǒng)、CAXA制造工程師2011軟件五軸后置處理為例，介紹雙轉(zhuǎn)臺(tái)式五軸數(shù)控加工中心的加工設(shè)置與機(jī)床精度的測量、調(diào)整方法。

2.旋轉(zhuǎn)軸與直線軸的位置偏置

（1）旋轉(zhuǎn)中心到擺動(dòng)中心偏置距離測量 如圖2所示，具體操作方法如下：

第1步：通過旋轉(zhuǎn)B軸，采用打表方式校平、校正C軸，使C軸平面與Z軸垂直，然后在C軸上安裝一圓棒，旋轉(zhuǎn)C軸銑出圓棒直徑為D，最后對圓棒進(jìn)行分中，找出XYZ軸的坐標(biāo)系零點(diǎn)位置坐標(biāo)C，使C軸旋轉(zhuǎn)軸軸線與Z軸軸線重合，在機(jī)床坐標(biāo)相對坐標(biāo)系中將X、B軸坐標(biāo)清零。

第2步：手動(dòng)旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)軸B軸至90°位置，采用打表方式校正B軸

使C軸平面與Z軸軸線平行，然后移動(dòng)X軸，用百分表或分中棒對C軸平面進(jìn)行多次校準(zhǔn)取平均值，使Z軸軸線位于旋轉(zhuǎn)軸C軸平面上，即Z軸軸線到旋轉(zhuǎn)軸C軸平面的距離為0，所移動(dòng)的距離為L（Z'+X'），最后移動(dòng)Z、Y軸，采用打表方式，測出圓柱旋轉(zhuǎn)后（B軸相對坐標(biāo)90°位置）其側(cè)面至旋轉(zhuǎn)前（B軸相對坐標(biāo)0度位置）的高度值H。依據(jù)以上步驟得出C軸旋轉(zhuǎn)中心到B軸擺動(dòng)中心的偏置值：

X軸方向?yàn)椋篨'=（H+D/2－L）/2

Z軸方向?yàn)椋篫'=（H+D/2+L）/2

另外，上述偏置坐標(biāo)中均采用已測得的絕對值進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)X方向測得值為－L時(shí)，偏置值為X'，X方向測得值為L時(shí)，偏置值為－X'；當(dāng)Z方向測得值為H時(shí)，偏置值為Z'，Z方向測得值為－H時(shí)，Z軸方向偏置值為－Z'。

（2）零件編程零點(diǎn)到C軸中心偏置距離測量如圖3所示，具體操作方法如下：

圖2

圖3

第1步：通過旋轉(zhuǎn)B軸，采用打表方式校平、校正C軸，使C軸平面與Z軸垂直、C軸軸線與Z軸軸線重合，記錄機(jī)床的機(jī)械坐標(biāo)（X、Y、B、C）或?qū)⒃撟鴺?biāo)輸入不常使用的六號(hào)工件坐標(biāo)系（G59）中。

第2步：安裝、校正夾具。夾具校正時(shí)X方向可采用轉(zhuǎn)動(dòng)C軸的方式進(jìn)行。裝夾加工工件，采用試切法或分中棒對刀并設(shè)置工件坐標(biāo)系。以1號(hào)工件坐標(biāo)系（G54）為例：在MDI方式下運(yùn)行“G90 G54 G0 X0 Y0 B0 C0”→在機(jī)床相對坐標(biāo)系中將各坐標(biāo)軸清零→手動(dòng)移動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)至第1步操作中記錄機(jī)床的機(jī)床坐標(biāo)（X、Y、B、C）或MDI方式下運(yùn)行“G90 G59 G0 X0 Y0 B0 C0”。此時(shí)，機(jī)床坐標(biāo)相對坐標(biāo)系中的坐標(biāo)X、Y就是零件編程零點(diǎn)到C軸中心的偏置（X'、Y'）。

第3步：Z向坐標(biāo)偏置測量，采用打表方式移動(dòng)Z軸使百分表位于工件坐標(biāo)系零平面記錄百分表表針位置，在機(jī)床相對坐標(biāo)系中將Z軸坐標(biāo)清零，移動(dòng)Z軸使位于C軸平面表針位置與前面相同。此時(shí)，機(jī)床坐標(biāo)相對坐標(biāo)系中的坐標(biāo)Z就是零件編程坐標(biāo)系O中的編程零點(diǎn)到C軸中心的偏置Z'。

3.五軸加工功能刀具中心點(diǎn)控制（RTCP）、特征編程的操作和設(shè)置方法

（1）使用CAM軟件后置處理旋轉(zhuǎn)軸位置偏置功能進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)的編程設(shè)置 ①進(jìn)入CAXA制造工程師軟件后置設(shè)置，選擇廣州數(shù)控B－C軸雙工作臺(tái)五軸后置配置文件GSK－5X－TB/TC，進(jìn)入【多軸】界面，根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)型式與轉(zhuǎn)軸參數(shù)設(shè)置如圖4所示。②進(jìn)入CAXA制造工程師軟件后置設(shè)置，選擇廣州數(shù)控B－C軸雙工作臺(tái)五軸后置配置文件GSK－5 X－T B/T C，【多軸2】界面如圖5所示，旋轉(zhuǎn)中心到擺動(dòng)中心偏置距離表示以機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸中心 為參考的坐標(biāo)系中擺動(dòng)中心的位置坐標(biāo)（X'、Z'）（見圖2）。編程零點(diǎn)到C軸中心偏置距離表示以加工工件的輸出坐標(biāo)系O為參考機(jī)床C軸中心的位置坐標(biāo)（X'、Y' 、Z'），如圖3所示。③在非數(shù)控系統(tǒng)五軸功能模式下后置程序時(shí)除上述設(shè)置外，需要?jiǎng)h除后置處理程序中的五軸功能G43.4H_等，若需多把刀具進(jìn)行加工、換刀時(shí)只可單獨(dú)使用刀具長度補(bǔ)償。

圖4

圖5

（2）使用數(shù)控系統(tǒng)五軸加工功能編程時(shí)旋轉(zhuǎn)軸位置偏置的設(shè)置 廣州數(shù)控GSK25i數(shù)控系統(tǒng)在五軸加工中用于設(shè)置轉(zhuǎn)軸位置的參數(shù)主要有轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置參數(shù)8020和工作臺(tái)第一旋轉(zhuǎn)軸和工作臺(tái)第二旋轉(zhuǎn)軸的偏置矢量參數(shù)8021，如圖6所示。

轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置設(shè)置（參數(shù)8020）：轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置是指裝夾工件的第二旋轉(zhuǎn)軸（C軸）的軸心處“機(jī)床坐標(biāo)值”。以BC 雙轉(zhuǎn)臺(tái)為例，此處為C轉(zhuǎn)臺(tái)的軸心位置。當(dāng)對刀方式不同時(shí)，“機(jī)床機(jī)械坐標(biāo)值”會(huì)不同，在設(shè)置時(shí)必須要保持和工件坐標(biāo)系同樣的對刀方式。當(dāng)工件坐標(biāo)系設(shè)置是用主軸端面對刀時(shí)，此處的“轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置”也必須是用主軸端面降到旋轉(zhuǎn)軸心處時(shí)的“機(jī)床機(jī)械坐標(biāo)值”。用刀尖對刀時(shí)，此處的“轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置”也必須是該刀具降到旋轉(zhuǎn)軸心處時(shí)的“機(jī)床機(jī)械坐標(biāo)值”。當(dāng)換刀時(shí)，如果使用刀具補(bǔ)償，而不是重新設(shè)定工件坐標(biāo)系，此參數(shù)不需要修改，否則必須重新設(shè)定坐標(biāo)系。另外，在測量時(shí)，必須首先將旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)放置在水平位置。

第一旋轉(zhuǎn)軸到第二旋轉(zhuǎn)軸的偏置矢量設(shè)置（參數(shù)8021）：以BC雙轉(zhuǎn)臺(tái)為例，在數(shù)控系統(tǒng)中第一旋轉(zhuǎn)軸為B軸，第二旋轉(zhuǎn)軸為C軸。該參數(shù)是一個(gè)矢量，矢量起點(diǎn)為主動(dòng)軸軸心，終點(diǎn)為從動(dòng)軸軸心，參照為機(jī)床坐標(biāo)系。如果C轉(zhuǎn)臺(tái)在B轉(zhuǎn)臺(tái)之上，此參數(shù)為正；如果C轉(zhuǎn)臺(tái)在B轉(zhuǎn)臺(tái)之下，此參數(shù)為負(fù)。即表示以機(jī)床擺動(dòng)中心為參考的坐標(biāo)系中旋轉(zhuǎn)軸中心的位置坐標(biāo)。

第一旋轉(zhuǎn)軸B軸到第二旋轉(zhuǎn)軸C軸的偏置距離測量同圖2中旋轉(zhuǎn)中心到擺動(dòng)中心偏置距離測量，其矢量方向相反坐標(biāo)參考軸為B軸。

圖6

使用五軸加工功能程序后處理：當(dāng)使用五軸加工功能刀具中心點(diǎn)控制（RTCP）、特征編程（傾斜面加工）功能時(shí)，不需要在后處理程序提供機(jī)床類型和結(jié)構(gòu)方面的參數(shù)，只要旋轉(zhuǎn)軸類型相同，可以通用于雙轉(zhuǎn)臺(tái)，擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)和雙擺頭機(jī)床。以BC雙轉(zhuǎn)臺(tái)為例，構(gòu)建后處理器時(shí)選擇雙擺頭方式。旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置為BC方式，機(jī)床坐標(biāo)軸偏置參數(shù)設(shè)置為0。這樣經(jīng)過后處理的坐標(biāo)值就和特定的機(jī)床參數(shù)沒有關(guān)系了。然后手工添加刀具中心點(diǎn)控制G43.4H_，或者修改后處理自動(dòng)添加G43.4H_和刀具中心點(diǎn)控制取消G49，程序就可在機(jī)床運(yùn)行、加工。

4.結(jié)語

文章較為全面地介紹了五軸雙轉(zhuǎn)臺(tái)式機(jī)床加工設(shè)置方法及其五軸加工程序后置設(shè)置等方面的內(nèi)容，并詳細(xì)說明了五軸機(jī)床參數(shù)設(shè)置時(shí)旋轉(zhuǎn)軸、擺動(dòng)軸的位置偏置與坐標(biāo)值的測量方法、技巧。同時(shí)，也為其他形式多軸數(shù)控機(jī)床的加工設(shè)置提供了參考。