基于五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)的零件加工誤差分析

王勇

[摘 要]本文通過配置SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)的某五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床加工出現(xiàn)誤差的現(xiàn)象，論述數(shù)控機(jī)床的五坐標(biāo)試件精度的測量方法，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)五軸標(biāo)定功能，實(shí)現(xiàn)五軸數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的精度補(bǔ)償，分析五軸加工的特點(diǎn)和難度，從而達(dá)到降低數(shù)控機(jī)床故障率，提高數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)效率的目的，使數(shù)控機(jī)床的維修邁上一個(gè)新臺階，具有十分重要的意義。

[關(guān)鍵詞]數(shù)控系統(tǒng) ?加工誤差 分析

1 概述

裝備制造業(yè)是一國工業(yè)之基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。機(jī)床是一個(gè)國家制造業(yè)水平的象征。而代表機(jī)床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)五軸聯(lián)動的誤差分析和補(bǔ)償是五軸設(shè)備常見的問題。

2 五軸加工誤差分析

根據(jù)五軸試件測量結(jié)果分析，圓錐圓度、中心孔與圓錐同心度未合格。AB軸五坐標(biāo)頭精度可能不合格，需要檢測AB軸五坐標(biāo)轉(zhuǎn)心距。

測量原理如下：以A軸回轉(zhuǎn)誤差為例，設(shè)A軸理論回轉(zhuǎn)中心G點(diǎn)坐標(biāo)為（m，n），實(shí)際回轉(zhuǎn)中心F點(diǎn)坐標(biāo)為（m+pa，n+qa），誤差為（pa，qa）。由千分表讀數(shù)變化計(jì)算粗測量球球心實(shí)際位置和理論位置之間的水平誤差值為Y1，豎直誤差值為Z1，旋轉(zhuǎn)角度為θ。

pa= [Y1（1-cosθ）- Z1sinθ]/[2（1- cosθ）]

qa=[Y1 sinθ+Z1（1-cosθ）]/[2（1- cosθ）]

同理，B軸回轉(zhuǎn)誤差為

pb= [X1（1-cosθ）+Z1sinθ]/[2（1- cosθ）]

qb=[-X1 sinθ+Z1（1-cosθ）]/[2（1- cosθ）]

SIEMENS 840D sl 數(shù)控系統(tǒng)在激活運(yùn)動測量循環(huán)后，利用 5 軸標(biāo)定測量功能，可以通過 3D 測頭對空間球體的位置進(jìn)行測量，利用測量空間內(nèi)的曲面位置計(jì)算用于定義 5 軸轉(zhuǎn)換（TRAORI和 TCARR）的幾何矢量。該測量功能適用于 5 軸機(jī)床首次調(diào)試，也可以用于精密校正已經(jīng)調(diào)試好的機(jī)床。

采用測量球半徑20mm，測量AB軸五坐標(biāo)轉(zhuǎn)心距，結(jié)果誤差0.02mm，基本符合加工精度要求。檢測方法如下：

①選擇將要檢測的旋轉(zhuǎn)軸（A或B軸），將兩只千分表成直角擺放于大圓插補(bǔ)平面內(nèi)，記錄測量球半徑、機(jī)床結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù);

②將旋轉(zhuǎn)軸角度調(diào)零，千分表對零;

③A軸做大圓插補(bǔ)，觀測并記錄Y、Z兩個(gè)方向上的千分表讀數(shù)變化，變換旋轉(zhuǎn)角度并記錄千分表讀數(shù)變化值;

④B軸做大圓插補(bǔ)，觀測并記錄X、Z兩個(gè)方向上的千分表讀數(shù)變化，變換旋轉(zhuǎn)角度并記錄千分表讀數(shù)變化值;

⑤通過變化角度以及對應(yīng)千分表讀數(shù)變化，再結(jié)合測量球半徑值，換算出球心的位置變化量，再通過球心位置變化量和旋轉(zhuǎn)角度推算出旋轉(zhuǎn)軸心的誤差。

針對產(chǎn)生誤差的測量項(xiàng)目分析，必須檢測其他與AB軸五坐標(biāo)頭有關(guān)的精度項(xiàng)目。在檢測主軸頭只旋轉(zhuǎn)B軸時(shí)，主軸頭沿著A軸旋轉(zhuǎn)軸的軸線方向產(chǎn)生位移，其位移隨B軸旋轉(zhuǎn)的角度增大而增加。如采用機(jī)械調(diào)整的方法來解決工作量較大。根據(jù)誤差量與B軸旋轉(zhuǎn)角度值分析，兩者基本是線性關(guān)系。通過調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)，對誤差進(jìn)行補(bǔ)償。修改MD31030 LEADSCREW_PITCH值，采用邊修改邊測量的方法。

3 五軸加工特點(diǎn)和難度

在五軸系統(tǒng)加工中，由于刀頭可進(jìn)入工件內(nèi)部，刀具方向朝向工件表面，因此可使用短刀具加工。這樣不僅可在不增加刀具負(fù)荷的條件下，提高切削速度，從而可提高刀具壽命、減少刀具損壞。而且還可減少在用三軸加工深型芯和型腔過程中，經(jīng)常出現(xiàn)的刀具顫動，從而可得到質(zhì)量更高的加工表面，減少甚至避免極其耗時(shí)的手工打磨工序。五軸系統(tǒng)加工還可用來加工形狀極其復(fù)雜的、通常只能通過澆鑄方法加工的形體。

總之，五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)能極大地提高加工效率和生產(chǎn)能力、顯著地提高產(chǎn)品加工質(zhì)量、縮短加工周期、大大地降低加工成本、可加工形狀及其復(fù)雜的零件、可實(shí)現(xiàn)極其復(fù)雜的零件的快速成形和小批量生產(chǎn)。

五軸數(shù)控加工由于干涉刀具在加工空間的位置控制、其數(shù)控編程、數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比三軸機(jī)床復(fù)雜。目前，五軸數(shù)控技術(shù)還普遍存在以下問題：

①五軸數(shù)控編程抽象、操作困難：五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)形式多樣，同一段NC代碼可以在不同的三軸數(shù)控機(jī)床上獲得同樣的加工效果，但對于五軸數(shù)控機(jī)床，同樣的NC代碼卻不能適用于所有類型的五軸機(jī)床。五軸數(shù)控程編除了直線運(yùn)動外，還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的相關(guān)計(jì)算，如旋轉(zhuǎn)角度行程檢驗(yàn)、非線性誤差校核、刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動計(jì)算等，處理的信息量很大，數(shù)控編程極其抽象。五軸數(shù)控加工的操作和編程技能密切相關(guān)，如果用戶為機(jī)床增添了特殊功能，則編程和操作會更復(fù)雜。

②刀具補(bǔ)償困難：為了簡化零件的數(shù)控加工編程，使數(shù)控程序與刀具形狀和刀具尺寸盡量無關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)一般都有刀具長度和刀具半徑補(bǔ)償功能。前者可使刀具垂直于走刀平面（比如XY平面，由G17指定）偏移一個(gè)刀具長度修正值;后者可使刀具中心軌跡在走刀平面內(nèi)偏移零件輪廓一個(gè)刀具半徑修正值，兩者均是對2坐標(biāo)數(shù)控加工情況下的刀具補(bǔ)償。

一般而言，刀具長度補(bǔ)償對于二坐標(biāo)和三坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控加工是有效的，但對于刀具擺動的四、五坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控加工，刀具長度補(bǔ)償無效。在進(jìn)行刀位計(jì)算時(shí)可以不考慮刀具長度，但在后置處理的算法及后置處理程序的編寫不易掌握，并且，對于不同類型運(yùn)動關(guān)系的數(shù)控機(jī)床，后置處理算法是不同的。

對于多坐標(biāo)數(shù)控加工，一般的數(shù)控系統(tǒng)目前還沒有刀具半徑補(bǔ)償功能，編程員在進(jìn)行零件加工編程時(shí)必須考慮刀具半徑的影響。對于同一零件，采用相同類型的刀具加工，當(dāng)?shù)毒甙霃讲煌瑫r(shí)，必須編制不同的加工程序。

③刀具軌跡驗(yàn)證困難：用多軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行一些復(fù)雜零件的數(shù)控加工時(shí)，數(shù)控加工程序在加工過程中是否發(fā)生過切，所選擇的刀具、走刀路徑、進(jìn)退刀方式是否合理，刀具與約束控制面（非加工面）是否發(fā)生干涉與碰撞等，編程人員事先往往很難預(yù)料?，F(xiàn)在仿真系統(tǒng)提供了仿真驗(yàn)證，用于檢查刀具軌跡的相關(guān)問題。

④購置機(jī)床需大量投資：五軸機(jī)床和三軸機(jī)床之間的價(jià)格懸殊很大。三軸機(jī)床附加一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸基本上就是普通三軸機(jī)床的價(jià)格，這種機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)多軸機(jī)床的功能。而五軸機(jī)床的價(jià)格比三軸機(jī)床的價(jià)格高出50%以上，有的特色機(jī)種的價(jià)格甚至要高幾十倍。除了機(jī)床本身的投資以外，還必須對CATIA系統(tǒng)軟件和后置處理器進(jìn)行升級，使之適應(yīng)五軸加工的要求;必須對校驗(yàn)程序進(jìn)行升級，使之能夠?qū)φ麄€(gè)機(jī)床進(jìn)行仿真處理。

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)控設(shè)備維修的需求，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)功能，對SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)五軸標(biāo)定功能進(jìn)行分析、研究達(dá)到了預(yù)期效果，解決生產(chǎn)加工需求。由于五軸零件加工的復(fù)雜性，針對其誤差分析確實(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)，對于今后應(yīng)用具有極大的參考和推廣價(jià)值。

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