A/C雙擺角銑頭C軸精度控制技術(shù)研究與應(yīng)用

謝靖超

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

五軸數(shù)控機(jī)床是眾多復(fù)雜和重要裝備的工業(yè)母機(jī)，一直是國(guó)家重點(diǎn)關(guān)注的戰(zhàn)略機(jī)器。在“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)持續(xù)推進(jìn)的作用下，我國(guó)高檔五軸數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的階段性突破，并逐漸進(jìn)入精密、高效加工的深水區(qū)。隨著各種高精密、超精密零件加工需求越來(lái)越大，對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床的加工精度和加工效率提出了越來(lái)越高的要求。

A/C雙擺角銑頭機(jī)床，作為五軸數(shù)控機(jī)床的典型結(jié)構(gòu)類(lèi)型，用來(lái)加工各種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)類(lèi)型零件，應(yīng)用普遍，加工效率高，如何保證機(jī)床高精度加工零件，只是單靠線(xiàn)性軸定位精度已無(wú)法保證，擺角精度有問(wèn)題可能出現(xiàn)緣條尺寸超差、零件過(guò)切、表面臺(tái)階以及接轉(zhuǎn)角殘留等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響零件加工質(zhì)量。擺角精度包括旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差及動(dòng)態(tài)加工誤差，幾何誤差取決于旋轉(zhuǎn)軸制造精度及安裝調(diào)試精度，調(diào)整完畢一般不容易發(fā)生變化；動(dòng)態(tài)加工誤差包括旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)行過(guò)程的反向間隙、旋轉(zhuǎn)軸零點(diǎn)定位及擺角全角度定位精度，動(dòng)態(tài)誤差更容易受到日常加工影響及外界因素影響，更容易發(fā)生變化，從而引起加工精度降低，造成零件質(zhì)量問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)更容易發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)加工精度進(jìn)行誤差源分析及檢測(cè)補(bǔ)償研究，利用高精度檢棒及激光干涉儀配合XR20回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)儀，通過(guò)自制工裝實(shí)現(xiàn)C軸全角度誤差檢測(cè)及補(bǔ)償。誤差補(bǔ)償前后均進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)“S”形試件加工，精度檢測(cè)結(jié)果表明研究取得顯著效果，從而驗(yàn)證了A/C雙擺角銑頭機(jī)床C軸精度控制技術(shù)的可行性和有效性，實(shí)現(xiàn)了大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件高效、高精加工的重要技術(shù)要求。本文所有補(bǔ)償均以SINUMERIK 840D系統(tǒng)為例。

1 C軸精度控制技術(shù)研究

1.1 C軸反向間隙調(diào)整

通過(guò)對(duì)A/C雙擺角銑頭C軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析，C軸傳動(dòng)均采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，長(zhǎng)期使用過(guò)程中蝸輪蝸桿磨損，從而產(chǎn)生間隙，該間隙導(dǎo)致C軸在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)不到位，C0偏移、抖動(dòng)等現(xiàn)象，針對(duì)該問(wèn)題，通過(guò)對(duì)蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)分析，研究發(fā)現(xiàn)該蝸桿為雙蝸桿傳動(dòng)如圖1所示，可以通過(guò)調(diào)整雙蝸桿之間的調(diào)整墊片及蝸輪蝸桿預(yù)緊來(lái)消除間隙。

1.2 C軸零點(diǎn)定位精度保證技術(shù)

間隙調(diào)整及測(cè)量系統(tǒng)維護(hù)后，必須對(duì)C軸零點(diǎn)定位進(jìn)行補(bǔ)償，確保C軸零點(diǎn)絕對(duì)準(zhǔn)確，避免因?yàn)镃軸零點(diǎn)偏移而導(dǎo)致的零件質(zhì)量問(wèn)題。

1.2.1C軸零點(diǎn)定位精度檢測(cè)

(1)主軸裝入芯棒。

(2)如圖2所示,機(jī)床執(zhí)行程序：

TRAFOOF

G01F1000

A90 C0

M2

(3)沿X方向架表，移動(dòng)Z軸找到芯棒最高點(diǎn)。

(4)移動(dòng)X軸保證百分表壓表量0.2 mm。

(5)移動(dòng)Y軸分別移動(dòng)到芯棒最近端與最遠(yuǎn)端，記錄兩個(gè)位置的百分表讀數(shù)分別為：ΔC1、ΔC2及Y軸坐標(biāo)位置Y1、Y2。

(6)計(jì)算C軸零點(diǎn)定位誤差ΔC3，

1.2.2C軸零點(diǎn)定位精度補(bǔ)償

(1)根據(jù)檢測(cè)出的C軸零點(diǎn)定位誤差ΔC3，對(duì)C軸原點(diǎn)偏移ΔC3，確保C軸零點(diǎn)誤差在0.02 mm/Δ200 mm范圍內(nèi)。

(2)計(jì)算C軸零點(diǎn)誤差補(bǔ)償值ΔC補(bǔ)，以西門(mén)子840D系統(tǒng)為例：

ΔC補(bǔ)=ΔC±ΔC3

式中：ΔC為機(jī)床系統(tǒng)原有MD34090[1]數(shù)值。ΔC補(bǔ)為調(diào)整后需要輸入到MD34090[1]的值?！辣硎?，C零點(diǎn)偏移在C旋轉(zhuǎn)正方向時(shí)-，在C旋轉(zhuǎn)負(fù)方向時(shí)+。

(3)將ΔC補(bǔ)數(shù)值輸入機(jī)床對(duì)應(yīng)軸的軸參數(shù)MD34090[1]里面，按【set MD to active】生效。

(4)復(fù)查C軸零點(diǎn)定位精度在0.02 mm/200 mm范圍內(nèi)。

1.3 C軸定位精度保證技術(shù)

A/C雙擺角銑頭機(jī)床，用來(lái)加工各種大型高精度復(fù)雜結(jié)構(gòu)類(lèi)型航空結(jié)構(gòu)件。在我國(guó)的航空制造業(yè)中，絕大多數(shù)企業(yè)依然使用最原始的檢測(cè)方法，利用芯棒檢測(cè)C軸4個(gè)特殊角度C0°、C90°、C180°、C270°定位精度，如圖3所示。

通過(guò)4個(gè)角度誤差值來(lái)評(píng)價(jià)C軸精度狀態(tài)，使用基礎(chǔ)的數(shù)控補(bǔ)償功能對(duì)部分誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到局部改善數(shù)控機(jī)床加工精度的目的，

但該方法無(wú)法進(jìn)行任意角度的測(cè)量，定角度檢測(cè)對(duì)于評(píng)價(jià)分析C軸定位精度不夠全面，更無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)C軸各位置的定位精度，導(dǎo)致由于C軸定位問(wèn)題而產(chǎn)生的零件質(zhì)量問(wèn)題故障頻發(fā)，嚴(yán)重限制飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工精度和效率。

1.4 C軸全角度定位精度檢測(cè)

通過(guò)對(duì)A/C雙擺角結(jié)構(gòu)原理分析，充分利用機(jī)床C軸與主軸同心的結(jié)構(gòu)原理，自主設(shè)計(jì)工裝夾具，利用激光干涉儀配合現(xiàn)有轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)垂直C軸任意角度定位精度檢測(cè)及補(bǔ)償。圖4為C軸定位精度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖，相比原始檢測(cè)方法，該方案檢測(cè)精度高、效率高，有效提升五軸橋式機(jī)床C軸定位精度及零件加工安全系數(shù)，保證機(jī)床始終處于高精度加工狀態(tài)。

1.5 C軸定位精度補(bǔ)償

C軸定位精度檢測(cè)，利用雷尼紹雙頻激光干涉儀XL-80配合XR20轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)C軸全角度檢測(cè)，定位精度補(bǔ)償?shù)幕驹硎菍?shù)控機(jī)床某軸的指令位置與高精度位置測(cè)量系統(tǒng)所得的實(shí)際位置相比較，計(jì)算出在全行程上的誤差分布曲線(xiàn)，將誤差輸入數(shù)控系統(tǒng)中，當(dāng)控制該軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)考慮該差值并加以補(bǔ)償，有效提高機(jī)床定位精度,具體補(bǔ)償步驟如下：

(1)修改軸參數(shù)MD32700[1]=0，取消C軸螺距誤差補(bǔ)償生效。

(2)利用激光干涉儀配合轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試儀，以30°間隔，起始點(diǎn)-360°，終止點(diǎn)360°，測(cè)試全行程點(diǎn)位誤差值。

(3)將軟件分析的補(bǔ)償值輸入C軸螺距誤差補(bǔ)償列表，如圖5所示。

(4)AUTO模式加載該補(bǔ)償程序，執(zhí)行該程序。

(5)修改MD32700[1]=1，補(bǔ)償生效。

(6)再次利用激光干涉儀配合轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試儀進(jìn)行驗(yàn)證。

2 應(yīng)用驗(yàn)證

以某國(guó)產(chǎn)高速A/C雙擺角銑頭為驗(yàn)證對(duì)象，對(duì)其C軸進(jìn)行間隙機(jī)械調(diào)整、零點(diǎn)定位補(bǔ)償后對(duì)比如表1所示。

表1 調(diào)整前后精度對(duì)比表

利用雷尼紹雙頻激光干涉儀配合轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試儀，起始位置-360°，終止位置360°，測(cè)量間距30°對(duì)C軸角度定位進(jìn)行全角度檢測(cè)及補(bǔ)償，檢測(cè)結(jié)果如圖6、圖7所示：

所有精度調(diào)整完成后對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)“S”形試切件加工，通過(guò)試切“S”試件可以反映出五軸數(shù)控機(jī)床的多項(xiàng)精度指標(biāo)。目前大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工允許尺寸公差范圍大多數(shù)均為±0.1 mm，而國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)“S”試件公差范圍為±0.05 mm，因此通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)“S”件加工，可以有效檢驗(yàn)該機(jī)床的動(dòng)態(tài)加工精度是否能滿(mǎn)足加工需求，充分驗(yàn)證了C軸精度控制的可行性和有效性。補(bǔ)償前后試切標(biāo)準(zhǔn)“S”試件測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖8所示，通過(guò)對(duì)A/C雙擺角銑頭C軸精度的控制研究，可以將S試件的最大加工誤差改善30.9%，平均誤差改善24.4%。

3 結(jié)語(yǔ)

本文旨在解決面向復(fù)雜飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的A/C雙擺角銑頭機(jī)床高效、高精加工中的C軸精度保證的難點(diǎn)問(wèn)題，針對(duì)實(shí)際加工中引起零件加工質(zhì)量的C軸精度問(wèn)題進(jìn)行刨根溯源的分析，通過(guò)對(duì)引起C軸精度變化的誤差源進(jìn)行逐一分析，將誤差源分為幾何誤差和定位誤差，針對(duì)各項(xiàng)誤差制定機(jī)械調(diào)整、參數(shù)補(bǔ)償?shù)确桨?，理論結(jié)合實(shí)際，將C軸精度控制在合理范圍內(nèi)，有效提高機(jī)床加工精度及零件加工質(zhì)量。