FAGOR 五軸數(shù)控系統(tǒng)RPCP 功能實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用*

薛 靜，付學(xué)煒，張 偉

(天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)

0 引言

五軸聯(lián)動(dòng)加工中心是實(shí)現(xiàn)異形復(fù)雜零件高效、高質(zhì)量的重要加工手段。伴隨著加工精度及加工速度不斷提升，五軸數(shù)控系統(tǒng)也發(fā)展了許多新功能，比較典型如:三維空間刀具半徑補(bǔ)償、三維曲線的樣條插補(bǔ)功能、RTCP RPCP 功能［1］等。由于RTCP RPCP 功能可大幅簡(jiǎn)化數(shù)控編程，提高加工質(zhì)量及效率，因此RTCPRPCP 功能對(duì)于提高航空航天、軍工和模具制造等行業(yè)五軸加工應(yīng)用水平具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)RTCP/RPCP 技術(shù)的研究工作主要集中在后置處理［2］、仿真分析［3］、干涉檢查［4］及相關(guān)算法研究［5］，針對(duì)RPCP 研究方面文獻(xiàn)較少［3］。過去，由于發(fā)達(dá)國(guó)家在五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖，因此導(dǎo)致部分進(jìn)口到國(guó)內(nèi)的機(jī)床缺失RTCPRPCP 功能，相關(guān)應(yīng)用案例比較匱乏。本文以SP-5000 加工中心為例，系統(tǒng)闡述以FAGOR 為代表的5 軸數(shù)控系統(tǒng)改造過程，通過典型零件加工實(shí)例，驗(yàn)證改造方案的合理性，并通過與沒有RPCP 功能對(duì)比，證明改造后具備RPCP 功能機(jī)床性能優(yōu)越性。

1 RTCPRPCP 功能簡(jiǎn)介

1.1 五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)形式

五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)主要有三種形式:一是刀具隨主軸做2 軸擺動(dòng)，包括AC 雙擺(頭)和AB 雙擺(頭);二是工件隨工作臺(tái)做2 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，包括AC 雙轉(zhuǎn)臺(tái)和BC 雙轉(zhuǎn)臺(tái);三是主軸做B 軸單擺，工件隨工作臺(tái)做C 軸或A 軸單軸轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。無論何種機(jī)械結(jié)構(gòu)，都不能決定5 軸系統(tǒng)是“真5 軸”還是“假5 軸”，5 軸聯(lián)動(dòng)能力取決于數(shù)控系統(tǒng)軟件。

1.2 RTCPRPCP 功能

RTCP(Rotation Around Tool Center Point)是5 軸機(jī)床刀具旋轉(zhuǎn)中心編程的簡(jiǎn)稱。非RTCP 功能依靠CAM 軟件來規(guī)劃刀心軌跡和切削速度，RTCP 功能的運(yùn)行可以控制系統(tǒng)會(huì)保持刀具中心始終在被編程的XYZ 位置上，為了保持住這個(gè)位置，轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)都會(huì)被XYZ 坐標(biāo)的一個(gè)直線位移所補(bǔ)償。因此，對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)而言，一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起刀具中心的位移;而對(duì)于具有RTCP 功能的數(shù)控系統(tǒng)，是坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)中心的位移，保持刀具中心始終處于同一個(gè)位置上，直接編程刀具中心的軌跡，而不需考慮轉(zhuǎn)軸中心［5］，使系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，以確保刀具中心點(diǎn)在插補(bǔ)過程中始終處在編程軌跡上［6］。如圖1 所示。

圖1 RTCP 與非RTCP 功能對(duì)比

RPCP 功能的定義與上面類似，是五軸機(jī)床工件旋轉(zhuǎn)中心編程(Rotation Around Part Center Point)的簡(jiǎn)稱，其意義同RTCP 功能類似，不同的是該功能是補(bǔ)償工件旋轉(zhuǎn)所造成的平動(dòng)坐標(biāo)的變化。

RTCP 功能主要是應(yīng)用在雙擺頭結(jié)構(gòu)形式的機(jī)床上，而RPCP 功能主要是應(yīng)用在雙轉(zhuǎn)臺(tái)形式的機(jī)床上。SP-5000 屬于第二種AC 雙轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心，所以本文研究的是FAGOR 數(shù)控系統(tǒng)的RPCP 功能。

2 FAGOR 數(shù)控系統(tǒng)的升級(jí)改造

SP-5000 加工中心是西班牙DANOBAT 集團(tuán)SAROLUCE 機(jī)床廠生產(chǎn)的大型五軸加工中心，配置FAGOR8055A 數(shù)控系統(tǒng)，多年來一直采用非RTCP 功能實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)五軸”或“假五軸”加工功能。為了進(jìn)一步開發(fā)機(jī)床功能和研究FAGOR 數(shù)控系統(tǒng)的RTCPRPCP 功能，對(duì)SP-5000 加工中心的FAGOR 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)RPCP 功能編程模式。

直接置換含RPCP 功能的數(shù)控系統(tǒng)或改造數(shù)控機(jī)床，實(shí)現(xiàn)上具有硬件改造難度大且造價(jià)高的缺點(diǎn)，因此選擇在現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)RPCP 功能，具體升級(jí)改造流程為:數(shù)控系統(tǒng)軟件升級(jí)、硬件置換、系統(tǒng)調(diào)試及排錯(cuò)。此功能改造后不但可以在關(guān)閉RTCP功能的情況下使用CAM 編程和后處理，規(guī)劃好刀路。還可以切換RTCP 功能直接在機(jī)床上針對(duì)雙擺銑頭和雙轉(zhuǎn)臺(tái)管理刀具的空間進(jìn)行長(zhǎng)度補(bǔ)償。

2.1 FAGOR 數(shù)控系統(tǒng)的軟件升級(jí)

由于原配置FAGOR 8055A 數(shù)控系統(tǒng)不能滿足在5 軸加工中心使用RTCP/RPCP 功能，所以對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。從機(jī)床硬件條件、系統(tǒng)功能相似度和預(yù)算成本考慮，通過可行性分析，確定升級(jí)到FAGOR 8055 power 數(shù)控系統(tǒng)［7］。因?yàn)镕AGOR 8055 power 數(shù)控系統(tǒng)具有與原FAGOR 8055A 數(shù)控系統(tǒng)在硬件上具有兼容的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)滿足5 軸RTCP/RPCP功能的技術(shù)要求，增加了計(jì)算方法［8］，提高了加工速度。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件置換

數(shù)控系統(tǒng)硬件置換步驟:首先備份機(jī)床系統(tǒng)的參數(shù)、PLC 程序以及加工程序(包括換刀子程序等)是必不可少的一項(xiàng)工作;然后，按照接口順序，拆除系統(tǒng)硬件上的所有電線和數(shù)據(jù)線，更換系統(tǒng)模塊中的CPU 板，新的CPU 板有SERCOS 接口，原有的SERCOS 大板被拆除的同時(shí)更換了軸板，并增加一塊I/O 板。圖2 為數(shù)控系統(tǒng)硬件置換前后對(duì)比。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)硬件置換前后對(duì)比

2.3 數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試

數(shù)控系統(tǒng)硬件改造結(jié)束后，為了保障機(jī)床原有功能的恢復(fù)和新增功能的使用，需對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和修正。主要工作包括:文件重命名，如，8055A中X 軸參數(shù)文件名MX1 更改為8055power 的APX;增添以太網(wǎng)參數(shù)文件;通用參數(shù)、軸參數(shù)增加及參數(shù)設(shè)置;PLC 程序重新修改、編譯等。

2.4 出現(xiàn)的問題和解決方法

數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)改造后，機(jī)床在恢復(fù)功能時(shí)易出現(xiàn)的問題［9］，如換刀問題、機(jī)械零點(diǎn)位置偏差、Z 軸溜軸、丟失剛性攻絲功能等，經(jīng)過分析和研究，通過對(duì)一般參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置、關(guān)閉強(qiáng)電重啟功能、修改PLC 程序等措施和方法，逐步排查并解決問題。

3 RPCP 功能的應(yīng)用實(shí)例

3.1 零件工藝性分析

圖3 為某水輪發(fā)電機(jī)定子繞組圈零件的整形工裝夾具擋板零件。該工件在工作中起到定位和裝夾汽缸活塞的作用，零件上有多處傾斜平面及與傾斜平面垂直的過孔，所有孔的中心距誤差和位置度誤差不能超過±0.01mm。如果使用三軸加工中心，必須設(shè)計(jì)專用的夾具，保證傾斜面的尖角清整操作，且盡可能使用小直徑刀具。

因此選擇5 軸加工中心，一次裝夾完成加工，不需要使用專用夾具來保證加工精度和質(zhì)量［10］。

圖3 夾具擋板零件

3.2 零件加工

3.2.1 安裝與定位

SP5000 型5 軸加工中心為搖籃式結(jié)構(gòu)，工作轉(zhuǎn)臺(tái)直徑800MM，A 軸轉(zhuǎn)角95 度、C 軸轉(zhuǎn)角360 度連續(xù)回轉(zhuǎn)，可加工規(guī)則幾何特征體和非規(guī)則幾何特征體。從零件圖紙要求分析，具有空間傾斜要求的安裝結(jié)合面和安裝連接孔，適合5 軸定位加工。工件采用4點(diǎn)壓板裝夾，如圖4 所示。

圖4 工件安裝定位

3.2.2 加工工藝及數(shù)控編程

刀具為普通加工中心用標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)刀具，工藝步驟為將工件基邊拉平，基角為工件零點(diǎn)，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)被加工部位的空間幾何角度。加工用的NC 程序也是數(shù)控系統(tǒng)中標(biāo)配的循環(huán)指令，并結(jié)合系統(tǒng)附帶的RPCP(工件旋轉(zhuǎn)點(diǎn)偏置)功能，完成5 軸定角度加工。由于提高了NC 程序的可讀性，尤其是點(diǎn)位坐標(biāo)值與圖紙標(biāo)注尺寸的完全一致，可大幅提高加工精度，縮減輔助準(zhǔn)備和程序校驗(yàn)時(shí)間和編程時(shí)間。采用RPCP 和非RPCP 功能加工程序如表1 所示。

表1 采用RPCP 和非RPCP 功能加工程序

3.3 采用RPCP 功能優(yōu)勢(shì)對(duì)比

3.3.1 工作流程對(duì)比

與非RPCP 功能相比，采用RPCP 功能的5 軸加工中心，其加工過程具有如下優(yōu)點(diǎn):采用RPCP 功能時(shí)，編程基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)無關(guān)，因此在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段，工件的裝夾和5 軸CAM 編程可同時(shí)進(jìn)行，不受前后順序制約，進(jìn)而縮短生產(chǎn)周期;由于加工指令的可讀性提高，可以省略試切環(huán)節(jié)，程序直接進(jìn)入正式加工環(huán)節(jié)，兩項(xiàng)綜合優(yōu)勢(shì)可縮短耗時(shí)15%以上，如圖5 和圖6 所示。

3.3.2 加工精度和加工周期對(duì)比

應(yīng)用三座標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)零件進(jìn)行精度檢測(cè)，三坐標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表2 所示。

表2 RPCP 與非RPCP 功能5 軸CNC 加工誤差值對(duì)比

圖5 采用RPCP 功能5 軸加工工作流程

圖6 采用非RPCP 功能5 軸加工工作流程

從“傾斜平面”和“傾斜型腔”兩種幾何特征的三坐標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比上來看，采用RPCP 和采用非RPCP 補(bǔ)償功能的5 軸加工誤差值存在明顯差異，采用RPCP 補(bǔ)償功能在加工精度上高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

在同一機(jī)床上加工零件，采用RPCP 功能的加工周期總耗時(shí)量減少近20%的工時(shí)，如果批量生產(chǎn)，對(duì)于需要轉(zhuǎn)換機(jī)床的加工時(shí)間會(huì)更加明顯突出采用RPCP 功能的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

通過對(duì)FAGOR 數(shù)控系統(tǒng)的升級(jí)改造，SP-5000加工中心具有了RPCP 功能，在生產(chǎn)加工過程中減少裝夾工件的勞動(dòng)量和機(jī)床空閑時(shí)間，而且該控制功能還可以降低夾具成本和產(chǎn)前準(zhǔn)備時(shí)間，甚至可以免除工件的安裝定位面，可以對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度和數(shù)控編程進(jìn)行簡(jiǎn)化。

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