搖籃式五軸數(shù)控機床轉(zhuǎn)臺設置與加工調(diào)試研究

梁林海，周俊榮，王瑞超，李會軍

(五邑大學 智能制造學部，廣東 江門529020）

0 引 言

搖籃式五軸數(shù)控機床是五軸聯(lián)動機床類型中比較常見的一種。其中轉(zhuǎn)臺更是搖籃式五軸數(shù)控機床的關鍵部件。轉(zhuǎn)臺的類型和設置對五軸加工設備的加工精度有著比較大的影響。因此對于轉(zhuǎn)臺選擇和設置是值得我們?nèi)ヌ接懙?，以此來提升搖籃式五軸機床加工精度，進而推動搖籃式五軸數(shù)控機床的發(fā)展。

1 搖籃式轉(zhuǎn)臺布置

1.1 轉(zhuǎn)臺類型

搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺的類型按支撐形式大致可以分為懸臂型搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺、搖擺軸帶輔助支撐轉(zhuǎn)臺[1]。懸臂型搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺使用單一支撐點，可以節(jié)省機床空間，但支撐點單一不適合加工大型零件；搖擺軸帶輔助支撐轉(zhuǎn)臺增加了一個輔助支撐，可以加強轉(zhuǎn)臺的穩(wěn)定性。

圖1 懸臂型搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺

圖2 搖擺軸帶輔助支撐轉(zhuǎn)臺

1.2 轉(zhuǎn)臺布置

轉(zhuǎn)臺根據(jù)機床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式和加工的零件尺寸來確定，轉(zhuǎn)臺布置方案選用的是BC 軸布置方式，將擺動軸線與Y 軸平行，采用搖擺帶輔助支撐式搖籃轉(zhuǎn)臺，可以實現(xiàn)較高的剛度和加工精度，同時在加工質(zhì)量比較大的工件時，兩點可提供更可靠的支撐。

2 轉(zhuǎn)臺的標定

該機床使用的是華中HNC-818D 總線型數(shù)控系統(tǒng)，是由華中數(shù)控股份有限公司開發(fā)的一款具有五軸加工功能的中高檔數(shù)控機床。

2.1 確定A軸、C軸零點

A 軸:手搖轉(zhuǎn)盤面至與工作臺面平行，X 軸方向打表，平行度在0.01 mm 以內(nèi)。

C 軸：手搖轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，將轉(zhuǎn)盤一邊的梯形槽搖至與X軸向平行，梯形槽內(nèi)側(cè)面打表，平行度0.01 mm 以內(nèi)。

2.2 確定C軸中心

X 軸向和Y 軸向拉表，打表測轉(zhuǎn)盤面的平面度在0.2 mm 以內(nèi)。插φ20 mm 芯棒，測主軸偏擺度在0.004 mm 以內(nèi)。手搖X 軸、Y 軸，將芯棒調(diào)整至轉(zhuǎn)盤中心的大概位置。將千分表架在轉(zhuǎn)盤面上，指針緊貼芯棒徑向線相對機床Y軸線的焦點處并將讀數(shù)對正，手搖轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，觀察指針讀數(shù)變化，微調(diào)X 軸和Y 軸，直至圓跳度在0.01 mm 以內(nèi)。調(diào)好后，記錄當前屏幕的X軸、Y 軸機械坐標，將2 個坐標輸入到系統(tǒng)，如圖3 所示。

圖3 確定C軸中心操作圖

2.3 確定B軸中心

手輪調(diào)至B 軸，將轉(zhuǎn)臺順時針搖至轉(zhuǎn)盤面與工作臺面垂直，觀察屏幕，使B 軸角度示數(shù)為90.00°?？紤]到芯棒直接試觸轉(zhuǎn)盤面的危險性，需找一標準直徑的圓棒做銜接（測試選擇了φ10 的標準圓棒，可選擇其它直徑）。手輪模式打至X 軸，慢慢將芯棒向轉(zhuǎn)盤面移動，靠近后，手動銜接φ10的標準圓棒，以圓棒在轉(zhuǎn)盤面和芯棒圓面移動時略黏澀的手感為準，如圖4 所示。

2.4 設置此時芯棒中心位置的X軸相對零點

圖4 確定B 軸中心操作圖

手搖移開主軸，將轉(zhuǎn)臺反向旋轉(zhuǎn)180°，觀察屏幕，使B 軸角示數(shù)-90.00°后重復操作，記錄此時芯棒中心在X軸上的相對坐標: 根據(jù)記錄的X 軸相對坐標值計算B 軸中心到轉(zhuǎn)盤面的距離，公式為:B 軸中心到轉(zhuǎn)盤面的距離=（X 軸相對坐標值芯棒直徑-2×標準圓棒直徑）/2。

2.5 測量球頭刀球心與主軸中心的同軸度

將主軸移至C 軸中心位置，將芯棒卸下加裝球頭刀。將千分表架在轉(zhuǎn)盤上，指針緊貼圓球赤道面，千分表歸零，手搖轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤。觀察指針示數(shù)變化，微調(diào)球頭刀上的鎖緊螺釘重復操作，在圓球靠近南北極面各測一次，直至圓跳度在0.005 mm 內(nèi)。

2.6 測球頭刀刀長

1）首先將千分表架在轉(zhuǎn)盤面上指針頭緊貼主軸測量端面后，固定千分表，記錄當前指針示數(shù)。

2）手輪模式打至Z 軸，上抬三軸，直至球頭刀球頭南極點大致和千分表指針頭位于同一平面。

3）平移千分表表座，使指針頭與球頭刀球頭南極點緊貼，手搖微調(diào)Z 軸，使千分表指針示數(shù)與步驟1）記錄示數(shù)相同為止。

4）記錄屏幕上Z 軸此時的相對坐標值，該值就代表測量出的球頭刀實際刀長度。

2.7 計算Z軸機械原點至B軸中心距離

1）為防止球頭刀直接觸碰轉(zhuǎn)盤面的危險性，用一標準直徑的圓棒做中間銜接，將主軸沿Z 軸手搖下降，待球頭刀球心南極點靠近轉(zhuǎn)盤面時，中間接標準圓棒。測試用的φ10 圓棒，可選用其他直徑。

2）記錄下此時屏幕上顯示的Z 軸機械坐標值計算所求距離參數(shù)。

3）公式:所求距離=當前Z 軸機械坐標值+球頭刀長度+標準圓棒直徑+B 軸中心到轉(zhuǎn)盤面的距離。

2.8 確定刀補

計算刀補長度=球頭刀刀長球頭半徑（所購球頭刀球頭直徑為25 mm）對應刀具號，輸入刀補值。

2.9 跟隨聯(lián)動

千分表架在轉(zhuǎn)盤上，指針頭緊貼球頭刀球頭南極點，指針示數(shù)對正，輸入跟隨走刀程序:跟隨過程中，觀察千分表指針示數(shù)變化情況，允許誤差在0.01 mm 以內(nèi)。

3 基于UG的加工仿真

利用UG NX12.0 的多軸數(shù)控仿真功能，對簡單葉輪模型進行仿真加工。

3.1 工藝設計

利用UG NX12.0 對簡易葉輪進行三維建模（如圖5），依據(jù)簡易葉輪的規(guī)格大小，選用合適的坯料作為毛坯，本文選用的是圓形坯料。加工時首先使用立銑刀對坯料進行初步加工，留0.4 mm半精加工余量，留0.1 mm 精加工余量。加工所用的刀具均用球銑刀進行加工。

3.2 加工仿真及代碼生成

在仿真開始前要先創(chuàng)建機床坐標系。在UG NX12.0操作界面中切換到加工模塊，調(diào)出坐標系界面，命令導航器中選擇插入坐標系，就可以創(chuàng)建一個坐標系（如圖6）。其中要保證加工坐標系與實際加工坐標系保持相同、物料標定點和物料特征點位置一致[2]。設置好坐標系后利用UG 軟件生成走刀軌跡和加工代碼。

圖5 簡易葉輪三維模型圖

圖6 UG 刀具走刀軌跡圖

圖7 UG 部分加工代碼

3.3 毛坯安裝

因為本次加工的簡易葉輪中心是沒有孔的，所以不能利用中間螺栓固定的方式安裝毛坯，故葉輪的毛坯安裝是利用4 塊墊高塊墊高，再用4 個螺栓壓住墊高塊并固定住，通過反拉使毛坯固定在轉(zhuǎn)臺的工作臺上。

圖8 固定毛坯圖

4 試加工

在裝配完成的機床上進行首次加工，加工完成后可以看到成品加工表面粗糙度高，有明顯刀紋，還出現(xiàn)了過切現(xiàn)象，如圖8 和圖9 所示。

圖9 出現(xiàn)刀紋成品圖

圖10 產(chǎn)生過切部分圖

利用ISCOPE3.1 進行了伺服參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化界面如圖11所示。優(yōu)化后重新對葉輪進行了加工，成品表面質(zhì)量得到較大改善，加工成品如圖12 所示。

圖11 利用ISCOPE3.1 優(yōu)化界面

圖12 優(yōu)化后加工成品圖

5 結(jié) 語

文中分析了一款搖籃式五軸機床轉(zhuǎn)臺的類型，并研究了雙轉(zhuǎn)臺在機床中的布置和標定方式。直觀地了解轉(zhuǎn)臺的布置和標定。再利用布置好的機床實現(xiàn)了一個簡易葉輪的加工。從加工工藝分析到虛擬仿真加工，再到伺服參數(shù)調(diào)試和實際加工完成，為實際操作搖籃式五軸數(shù)控機床提供了參考。