U軸刀具控制功能的開發(fā)及應(yīng)用*

徐志明 楊家榮 程 松 周 吉

(上海電氣中央研究院，上海200070)

在數(shù)控機床的發(fā)展過程中，僅X、Y、Z軸配合主軸已經(jīng)很難滿足某些加工的要求，針對多功能及復(fù)合加工，又開發(fā)了B、W、U軸及各軸聯(lián)動以實現(xiàn)復(fù)合加工［1］。

在液壓氣動、工程機械、石油化工設(shè)備、汽車、機車車輛及電力設(shè)備等行業(yè)中，以橋殼、差速器殼體、泵體及閥體類型的零件為主要加工對象。由于此類零件有大量的內(nèi)徑不同的同軸孔系且同軸度要求高，使得其加工往往依賴專機。

為了能在數(shù)控機床上加工上述類型的零件，刀具制造商與機床制造商分別推出了具備U軸功能的刀具和能采用U軸刀具的數(shù)控機床。如日本池貝開發(fā)的TVU4、TVU5型立式加工中心就采用了其自行開發(fā)的系列化U軸刀具［2］。U軸功能的應(yīng)用不僅僅解決了上述異型件的加工問題，同時對于普通加工也大大減少了刀具使用數(shù)量，提高刀具集成化。

當(dāng)前只有極少數(shù)的進口高檔數(shù)控系統(tǒng)具備U軸控制功能，國內(nèi)大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)尚不具備U軸控制功能。

1 U軸刀具

刀具旋轉(zhuǎn)的同時，刀頭可沿著刀架端面做徑向運動。這種在NC控制下可達到0.001 mm的精度、沿徑向進行運動的軸，稱之為U軸。

為了能夠采用U軸，數(shù)控機床主軸及刀柄的機械結(jié)構(gòu)必須有所改變。如圖1所示，U軸的驅(qū)動力來自于U軸伺服電動機。U軸伺服電動機通過一套齒輪傳動機構(gòu)把動力傳遞給位于機床主軸中心位置上的U軸桿，U軸桿再把動力傳遞給位于U軸刀柄內(nèi)的一對斜齒輪，斜齒輪把動力傳遞給蝸輪蝸桿，最后驅(qū)動安裝U軸刀具的滑板。U軸刀柄/刀具的實物如圖2所示。本文中提到的U軸與采用行星輪差動機構(gòu)平旋盤［3］中的U軸除了在機械結(jié)構(gòu)上有差別外，在控制上的要求也是完全不一樣的。在控制上，平旋盤中的U軸與數(shù)控機床上其他的線性軸如X、Y、Z軸等完全一樣，而本文中提到的U軸則必須考慮主軸旋轉(zhuǎn)對其造成的影響，控制難度要大得多。

帶U軸的加工中心集車削、銑削等功能于一體，而且能實現(xiàn)單獨的車床加銑床不能實現(xiàn)的加工工藝，對于形狀復(fù)雜工件的加工具有獨特的優(yōu)勢。U軸可以實現(xiàn)的加工工藝包括:階梯加工、圓弧加工、錐面加工、曲面加工、開槽加工以及螺紋加工等等，如圖3所示。

2 U軸的控制

U軸不是一般的線性軸，也不是一般的旋轉(zhuǎn)軸，U軸安裝在U軸刀柄內(nèi)，而U軸刀柄又安裝在主軸內(nèi)，因此這種機械結(jié)構(gòu)方式，使得U軸的運動受到主軸公轉(zhuǎn)的影響。

數(shù)控系統(tǒng)實時讀取主軸的轉(zhuǎn)速信號，在沒有U軸位置指令的時候，U軸伺服電動機必須達到一定的轉(zhuǎn)速以使得U軸桿能和主軸的旋轉(zhuǎn)保持同步;在U軸需要移動的情況下，則必須使U軸電動機以相對較快或較慢的速度旋轉(zhuǎn)以確保U軸桿相對于主軸有一定的轉(zhuǎn)差率。

考慮到U軸的特殊機械結(jié)構(gòu)，本文提出了一種U軸的控制方法，具體如圖4所示。

(1)運動速度控制

考慮到主軸旋轉(zhuǎn)影響后的U軸最終速度指令值Vu由兩部分組成，一部分來自于加工程序中給定的U軸進給速度值V2u，另一部分是當(dāng)前采樣到的主軸轉(zhuǎn)速Vs與U軸到主軸之間傳動比K之間的乘積V1u。即:

(2)運動位置控制

考慮到主軸旋轉(zhuǎn)影響后的U軸最終位置指令值Pu也是由兩部分組成，一部分是沒有考慮到主軸旋轉(zhuǎn)影響時U軸的當(dāng)前位置指令值P2u，另一部分來自于考慮了主軸當(dāng)前旋轉(zhuǎn)運動對U軸位置指令影響的P1u。即:

Kadpa為補償基于速度U軸運動誤差的自適應(yīng)系數(shù)。

3 U軸的編程

考慮到實際使用中的方便性，U軸運動的復(fù)雜性被包裝到數(shù)控系統(tǒng)控制算法中，U軸的編程做到了與其他X、Y、Z軸一樣簡單，如圖5所示。

4 U軸技術(shù)的應(yīng)用

可以簡化加工工藝，提高加工精度和加工效率。如圖6所示的復(fù)雜工件，傳統(tǒng)做法是配重后進行車削加工，現(xiàn)在使用帶U軸刀具的加工中心，則可把工件固定在工作臺上進行加工。

另外，對于有些復(fù)雜的工件，若不使用U軸刀具，則很難加工。如圖7所示的球面加工。

本文所開發(fā)的U軸控制功能已經(jīng)集成到SE300開放式數(shù)控系統(tǒng)中，并且已經(jīng)成功應(yīng)用到了TVU4立式加工中心上，如圖8所示。目前該機床已被上海電氣液壓氣動有限公司用于液壓泵中關(guān)鍵零件的加工。

5 結(jié)語

帶U軸的加工中心集車削、銑削等功能于一體，而且能實現(xiàn)單獨的車床加銑床不能實現(xiàn)的加工工藝，對于形狀復(fù)雜工件的加工具有獨特的優(yōu)勢。本文實現(xiàn)了U軸的復(fù)雜控制功能，改變了國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)不具備U軸控制功能的現(xiàn)狀。

1 焦立濤.具備U軸功能的臥式加工中心的應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機床，2001(10):47～48

2 趙麗平，衡山德衛(wèi)等.U軸刀具在池貝加工中心上的應(yīng)用［J］.工具技術(shù)，2008，42(7)

3 韓永剛，金兆鈞等.行星輪差動機構(gòu)在平旋盤設(shè)計中的應(yīng)用［J］.機械工程師，2005(6)