五軸加工中心電主軸更換后恢復(fù)機(jī)床精度

陳彥君 霍衛(wèi)軍 耿海洋 王洪安

(中國(guó)北車(chē)集團(tuán)唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035)

高速五軸加工中心所采用的電主軸加工技術(shù)在航天、汽車(chē)、鐵路領(lǐng)域都已得到廣泛應(yīng)用。由于電主軸承采用的陶瓷軸承，壽命周期較短，一般只有6 000～10 000 小時(shí)，正常使用2 年后，需更換的新主軸。電主軸靠軸肩定位、安裝在五軸頭中間的套筒內(nèi)，其制造、安裝、定位誤差直接影響主軸與A、C 軸等相關(guān)的位置精度，經(jīng)多年實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)更換新主軸后，其與A、C 相關(guān)精度誤差達(dá)到為0.05～0.5 mm，嚴(yán)重影響設(shè)備的加工精度，甚至造成廢品。所以必須對(duì)機(jī)床進(jìn)行相應(yīng)的精度檢測(cè)、調(diào)整和數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置，使其恢復(fù)到機(jī)床原來(lái)的加工精度，以滿足工藝要求。下面以德國(guó)FOOKE五軸加工中為例介紹更換電主軸后機(jī)床精度的調(diào)整方式和原理，雖然不同品牌電主軸性能不同，但精度調(diào)整思路是一致的。

1 調(diào)整五軸頭中A 軸的零點(diǎn)偏差

1.1 用標(biāo)準(zhǔn)試棒檢測(cè)、調(diào)整A 軸的零點(diǎn)偏差

A 軸回轉(zhuǎn)軸線平行于直線軸X 軸，C 軸回轉(zhuǎn)軸線平行于直線軸Z 軸，A、C 旋轉(zhuǎn)軸線垂直立交。A 軸的旋轉(zhuǎn)范圍±90°。A 軸的零點(diǎn)偏差為:A 軸旋轉(zhuǎn)到0°時(shí)，主軸軸線與豎直線的夾角α。更換主軸后，A 軸的零點(diǎn)偏差線性值Δα 一般為0.1～0.3 mm，嚴(yán)重影響工件加工表面的平面度和孔的位置精度。

A 軸零點(diǎn)偏差的調(diào)整(見(jiàn)圖1):機(jī)床A、C 軸旋轉(zhuǎn)至A=0°、C=0°，此時(shí)主軸處于豎直狀態(tài)。在主軸上安裝型號(hào):HSK100(與主軸所采用刀具刀柄的型號(hào)一致)的標(biāo)準(zhǔn)試棒，試棒直徑φ40 mm、長(zhǎng)度300 mm 。百分表吸于工作臺(tái)上，百分表指針打在檢驗(yàn)試棒側(cè)母線最高點(diǎn)，用手輪上、下移動(dòng)Z 軸，范圍0～300 mm，讀取百分表讀數(shù)的最大差值Δα1。讓A=0°、C=180°(C 軸旋轉(zhuǎn)180°)，重復(fù)以上測(cè)量，讀取數(shù)值Δα2。A 軸零點(diǎn)偏差α=arctan(Δα/300)，A 軸的零點(diǎn)偏差線性值Δα=(Δα2+Δα1)/2。此數(shù)值≤0.01 mm(可根據(jù)工件的加工精度調(diào)整此數(shù)值)設(shè)備即可正常使用，此數(shù)值≥0.01 mm，需要對(duì)A 軸零點(diǎn)偏差進(jìn)行補(bǔ)償:讓機(jī)床A、C 軸旋轉(zhuǎn)至A=0°、C=0°，百分表指針打在檢驗(yàn)試棒側(cè)母線最高點(diǎn)，用手輪把A 軸旋轉(zhuǎn)到某一角度，上、下移動(dòng)Z 軸時(shí)，百分表讀數(shù)接近零，此時(shí)操作界面顯示A 軸旋轉(zhuǎn)角度值為α，修改NC 參數(shù)，調(diào)整如下:界面-啟動(dòng)-軸數(shù)據(jù)-A 軸-NC 參數(shù):

修改后-NCK 復(fù)位-數(shù)據(jù)生效。

重復(fù)檢測(cè)A 軸零點(diǎn)偏差，當(dāng)Δα≤0.01 mm 即可滿足使用要求。

1.2 用雷尼紹RMP60 探頭程序測(cè)量A 軸的零點(diǎn)偏差

在實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)，有時(shí)沒(méi)有配備標(biāo)準(zhǔn)試棒，五軸加工中心一般配有雷尼紹RMP60 探頭測(cè)量系統(tǒng)。用雷尼紹探頭和科學(xué)的測(cè)量程序可方便檢測(cè)A 軸零點(diǎn)偏差。經(jīng)多次實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)用此方法測(cè)量的數(shù)值與用標(biāo)準(zhǔn)試棒測(cè)量的A 軸零點(diǎn)偏差數(shù)值基本一致，能保證工件加工精度。測(cè)量原理(見(jiàn)圖2):在工作臺(tái)上安裝一個(gè)固定塊，激活雷尼紹探頭。讓機(jī)床旋轉(zhuǎn)至A=0°、C=0°，移動(dòng)X、Y、Z 軸接近測(cè)量位置，移動(dòng)Y 軸讓探針接觸工件，讀取數(shù)據(jù)r5。Y 軸退回，旋轉(zhuǎn)A、C 軸至A=0°、C=180°再讀取數(shù)據(jù)r6。A 軸零點(diǎn)偏差為r8。此數(shù)值可在機(jī)床操作界面顯示，程序如下:

2 調(diào)整C 軸的零點(diǎn)偏差

C 軸旋轉(zhuǎn)角度范圍為±180°。C 軸的零點(diǎn)偏差(見(jiàn)圖2):當(dāng)A、C 軸旋轉(zhuǎn)至A=90°、C=0°時(shí)，為主軸軸線與X 軸軸線的夾角。更換主軸后C 軸的此偏差一般為0.1～0.2 mm，直接影響工件垂直面的加工精度。C 軸零點(diǎn)偏差的測(cè)量、補(bǔ)償方法(見(jiàn)圖3)與A 軸的零點(diǎn)偏差測(cè)量補(bǔ)償方法相同。

也可用雷尼紹探頭測(cè)量C 軸的零點(diǎn)偏差，其測(cè)量程序與A 軸的點(diǎn)偏差程序相同，只是A、C 軸的擺動(dòng)角度不同。

3 五軸精度的調(diào)整、設(shè)置

五軸聯(lián)動(dòng)加工中心要實(shí)現(xiàn)空間曲面的加工，數(shù)控系統(tǒng)必須配有相應(yīng)的五軸轉(zhuǎn)換軟件，并對(duì)機(jī)床相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、調(diào)整。在斜面、曲面加工中，使用五軸轉(zhuǎn)換TRAORI 指令，即使刀具的刀尖永遠(yuǎn)與曲面上加工點(diǎn)的切線垂直。要實(shí)現(xiàn)此功能，需要在機(jī)床NC 參數(shù)中設(shè)置A 軸回轉(zhuǎn)中心至電主軸端面距離H(圖3)。更換電主軸后H 的尺寸誤差為0.02～0.5 mm，嚴(yán)重影響工件曲面的加工精度。下面介紹H 值的測(cè)量、調(diào)整方法(見(jiàn)圖3):

讓機(jī)床A、C 軸旋轉(zhuǎn)至A=90°、C=0°，主軸處于水平狀態(tài)。百分表指針打在試棒下母線的最低點(diǎn)，此時(shí)百分表小指針在1 mm 位置，大指針在“0”mm 位置，記下此時(shí)Z 軸的坐標(biāo)位置(如Z1=-715.84 mm)，百分表在此位置保持不動(dòng)。提起Z 軸，讓機(jī)床A、C 軸旋轉(zhuǎn)至A=-90°、C=0°，向下移動(dòng)Z 軸，百分表指針打在檢驗(yàn)試棒的下母線最低點(diǎn)，當(dāng)百分表在1 mm 位置，大指針在0 mm 位置時(shí)，停止移動(dòng)Z 軸，記下此位置Z 軸坐標(biāo)(如Z2=-715.86 mm)。

用手輪將Z 軸提升，取下試棒，旋轉(zhuǎn)至A=0°，向下移動(dòng)Z 軸，使主軸端面接觸百分表指針，當(dāng)百分表在1 mm 位置，大指針在0 mm 位置時(shí)，停止移動(dòng)Z 軸，記下此位置Z 軸坐標(biāo)(如Z3=-435.71 mm，檢驗(yàn)試棒的直徑D=40 mm)。

計(jì)算數(shù)值:H=Z3-(Z1+Z2)/2 +D/2=-435.71+(-715.84-715.86)/2+40/2=300.14 mm

進(jìn)入NC 參數(shù)界面:先將參數(shù)MD 24500、MD 24550 中的數(shù)據(jù)設(shè)為零，NCK 復(fù)位，NC 修改數(shù)據(jù)生效。再進(jìn)入NC 參數(shù)界面將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入到下列參數(shù)中:

執(zhí)行NCK 復(fù)位，該數(shù)據(jù)生效。

校驗(yàn)H 值:重復(fù)以上工作，檢測(cè)H(300.14)誤差≤±0.01 mm 即可滿足加工精度要求。

4 機(jī)床主軸準(zhǔn)停點(diǎn)調(diào)整、設(shè)置

加工中心執(zhí)行自動(dòng)換刀指令時(shí)，主軸需要定向停在某一固定角度。這就需要對(duì)主軸的零點(diǎn)偏差進(jìn)行調(diào)整。否則換刀時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡刀、撞刀、飛刀等故障。讓機(jī)床旋轉(zhuǎn)至:A=90°、C=90°、主軸SP=0°主軸處于水平狀態(tài)。安裝主軸檢驗(yàn)試棒(或刀柄)，將水平儀放在試棒定位槽上面，當(dāng)水平儀水平誤差≤0.03 mm 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。水平儀水平誤差讀數(shù)≥0.03 mm 時(shí)。調(diào)整如下:用手輪旋轉(zhuǎn)主軸，使水平儀水平誤差讀數(shù)≤0.03 mm，此時(shí)操作界面顯示主軸旋轉(zhuǎn)的角度θ，進(jìn)入操作界面-啟動(dòng)-軸數(shù)據(jù)-SP 軸-NC 參數(shù):

NCK 復(fù)位，NC 參數(shù)生效?？赏ㄟ^(guò)幾次調(diào)整，當(dāng)水平儀水平誤差讀數(shù)≤0.03 mm，達(dá)到主軸零點(diǎn)偏差的精度要求。保證機(jī)床換刀功能和特殊加工的實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

電主軸更換后，通過(guò)以上方式精度測(cè)量、調(diào)整，可保證主軸與A、C 軸的相關(guān)精度誤差≤0.01 mm，避免其制造、安裝誤差引起的機(jī)床精度下降，可有效恢復(fù)機(jī)床的精度，實(shí)現(xiàn)五軸加工中心高速、高效、高精度的加工目標(biāo)。

［1］聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］吳玉厚.數(shù)控機(jī)床電主軸單元技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］張佰霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.