基于多軸數(shù)控加工的智能輔助工藝研究

楊 帆 竇林源

（南陽(yáng)科技職業(yè)學(xué)院，鄧州 474150）

21 世紀(jì)，科技發(fā)展速度不斷加快。智能技術(shù)作為先進(jìn)科技的代表，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)多軸數(shù)控加工領(lǐng)域。結(jié)合大量實(shí)踐來(lái)看，智能輔助工藝不僅具有加工柔性好、產(chǎn)品精度高等優(yōu)勢(shì)，還在一定程度上減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了機(jī)械制造企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益。智能輔助工藝作為一種先進(jìn)工藝技術(shù)，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、精度要求高、生產(chǎn)周期較短及需要100%檢驗(yàn)的機(jī)械產(chǎn)品加工。近年來(lái)，隨著數(shù)控系統(tǒng)對(duì)人機(jī)交互界面系統(tǒng)要求的不斷提高，智能輔助工藝成為多軸數(shù)控加工領(lǐng)域不可或缺的一部分。因此，對(duì)智能輔助工藝展開(kāi)分析，無(wú)論是在提高多軸數(shù)控銑削加工水平，還是促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展方面，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 軸零件及材料介紹

在機(jī)械加工領(lǐng)域，軸是極為常見(jiàn)的一種零件。以發(fā)電機(jī)軸為例，其本身具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀不一等特點(diǎn)。作為數(shù)控機(jī)床車(chē)削加工中不可或缺的組成部分，它既能夠滿足單件加工要求，也能夠?qū)崿F(xiàn)批量加工目標(biāo)[1]。軸零件示意圖，如圖1 所示。

圖1 軸零件示意圖（單位：mm）

金屬材料主要包括銅、鋁、合金鋼、碳鋼和不銹鋼等。由于多軸數(shù)控機(jī)床本身對(duì)材料質(zhì)量要求較高，需要選擇強(qiáng)度較高、質(zhì)量較輕的45#鋼材料，毛坯使用直徑為30 mm、長(zhǎng)為115 mm 的棒料。由于毛坯需要后期加工，為了確保精度達(dá)標(biāo)，應(yīng)預(yù)留足夠加工量。同時(shí)，要嚴(yán)格控制尺寸精度，通常高精度要控制在0.02 mm 范圍內(nèi)，中精度控制在0.02 ～0.05 mm，低精度控制在0.5 mm 范圍內(nèi)。

2 多軸數(shù)控加工的智能輔助工藝

在數(shù)控技術(shù)蓬勃發(fā)展背景下，越來(lái)越多的機(jī)械制造企業(yè)引入滾珠絲桿副，并將其作為數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)功能構(gòu)件。國(guó)內(nèi)企業(yè)使用的多軸數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)，大多以滾珠絲桿為主，相對(duì)于直線電機(jī)來(lái)說(shuō)造價(jià)較低[2]。但是，多軸數(shù)控加工過(guò)程受機(jī)械磨損、工藝不當(dāng)?shù)纫蛩赜绊懀瑫?huì)導(dǎo)致絲桿螺距不均勻，進(jìn)而影響零件加工精度，需要使用智能輔助工藝進(jìn)行精度補(bǔ)償。

2.1 智能輔助工藝補(bǔ)償絲桿螺距誤差

2.1.1 測(cè)量誤差

使用激光干涉儀測(cè)量X軸的螺距誤差。具體來(lái)說(shuō)，如果多軸數(shù)控機(jī)床的行程為600 mm，那么可以確定X軸的精度補(bǔ)償距離是0 ～600 mm。在使用智能輔助工藝補(bǔ)償過(guò)程中，將補(bǔ)償間隔確定為20 mm，總共需要設(shè)置31 個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)。通常情況下，多軸數(shù)控機(jī)床需要根據(jù)返回參考點(diǎn)建立坐標(biāo)系，因此可以將坐標(biāo)系零點(diǎn)作為精度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)點(diǎn)，補(bǔ)償量為0。在設(shè)置好激光干涉儀后，即可測(cè)量螺距誤差。技術(shù)人員每測(cè)量一個(gè)點(diǎn)后，都要向后移動(dòng)20 mm 繼續(xù)測(cè)量，總共測(cè)量30 次[3]。每完成一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量工作都要準(zhǔn)確計(jì)算補(bǔ)償區(qū)間的脈沖數(shù)，最后將其轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)量距離。從0 mm 處向600 mm 處測(cè)量完畢后，技術(shù)人員還要從600 mm 處向0 mm 處再測(cè)量一次，通過(guò)反復(fù)測(cè)量，取所有測(cè)量點(diǎn)的平均數(shù)，將其作為螺距誤差的最終值。

2.1.2 軟件補(bǔ)償

技術(shù)人員在測(cè)量各段螺距誤差的基礎(chǔ)上，在軟件系統(tǒng)中輸入所有補(bǔ)償點(diǎn)的補(bǔ)償量，補(bǔ)償量實(shí)際上就是負(fù)誤差量。例如，如果X軸第一段螺距誤差量為-1.1 μm，那么補(bǔ)償量就是+1.1 μm。在多軸數(shù)控機(jī)床運(yùn)行至各段時(shí)，技術(shù)人員開(kāi)展一次查表補(bǔ)償工作，然后疊加所有補(bǔ)償量并輸出。在此過(guò)程中，智能化系統(tǒng)需設(shè)置補(bǔ)償間隔。通?？梢詫⒀a(bǔ)償間隔設(shè)置為10 mm或20 mm。一般補(bǔ)償間隔越小，定位精度就會(huì)越高，但是會(huì)存在一定不足，即補(bǔ)償量數(shù)據(jù)缺乏準(zhǔn)確性。因此，技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定補(bǔ)償間隔。

以X軸為例進(jìn)行分析，智能化軟件將螺距誤差原點(diǎn)設(shè)置為0，補(bǔ)償間隔設(shè)置為20 mm，補(bǔ)償原理如圖2所示。從多軸數(shù)控機(jī)床的零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償點(diǎn)1 只有在坐標(biāo)軸零點(diǎn)位置沿著坐標(biāo)系正向運(yùn)動(dòng)，才能補(bǔ)償螺距誤差。每間隔20 mm 設(shè)置一個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，最后一個(gè)點(diǎn)即補(bǔ)償點(diǎn)30 對(duì)應(yīng)600 mm 處的補(bǔ)償量[4]。如果刀具處于參考點(diǎn)，智能系統(tǒng)為4 維定位精度，那么從參考點(diǎn)正向移動(dòng)20 mm 位置需要補(bǔ)償+1.1 μm，即多軸數(shù)控機(jī)床需要運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置20 mm 處，并發(fā)出200 011 個(gè)脈沖。

圖2 補(bǔ)償原理

2.2 智能輔助工藝補(bǔ)償絲桿反向間隙

在多軸數(shù)控機(jī)床使用過(guò)程中，受多種因素影響，傳動(dòng)鏈容易產(chǎn)生機(jī)械間隙，進(jìn)而出現(xiàn)反向間隙誤差。如果間隙數(shù)值較小，一般不會(huì)對(duì)零件加工精度造成不良影響。但是，如果間隙數(shù)值較大，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，使得零件加工過(guò)程產(chǎn)生誤差。因此，使用智能輔助工藝對(duì)絲桿反向間隙進(jìn)行補(bǔ)償尤為重要。

2.2.1 測(cè)量間隙數(shù)值

機(jī)械制造企業(yè)使用的多軸數(shù)控機(jī)床，大多通過(guò)連接伺服電機(jī)和絲桿螺母構(gòu)成傳動(dòng)系統(tǒng)。受制造工藝復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境多變等因素影響，絲桿和滾珠之間會(huì)產(chǎn)生一定間隙。在數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)出反向運(yùn)動(dòng)指令，刀架并不會(huì)及時(shí)移動(dòng)，而是在頻繁發(fā)出給進(jìn)脈沖后再運(yùn)動(dòng)。如果此時(shí)沒(méi)有及時(shí)補(bǔ)償反向間隙，將會(huì)導(dǎo)致刀架位置出現(xiàn)變化。在測(cè)量反向間隙時(shí)，要從X軸中間位置開(kāi)始，先移動(dòng)X軸，使其位于左側(cè)位置，然后向右移動(dòng)，到零點(diǎn)位置后，反向間隙即可消除。在主軸上設(shè)置千分表，確保表頭指向工作臺(tái)，并在所指位置上進(jìn)行標(biāo)記，將其作為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)[5]。在保證千分表狀態(tài)不變的情況下，逐漸向上移動(dòng)主軸，然后由智能化系統(tǒng)發(fā)出指令。X軸先移動(dòng)-10 mm 脈沖量，移動(dòng)完畢后再向左移動(dòng)+10 mm 的脈沖量，最后下降主軸，記錄表頭所指位置，進(jìn)而測(cè)量出反向間隙數(shù)值。

2.2.2 補(bǔ)償反向間隙

在智能化系統(tǒng)發(fā)出反向運(yùn)動(dòng)指令前，先發(fā)出一定量的間隙補(bǔ)償脈沖，主要目的是讓工作臺(tái)越過(guò)絲桿間隙，然后發(fā)出反向運(yùn)動(dòng)指令。這意味著在反向間隙補(bǔ)償前，應(yīng)先判定電機(jī)正反轉(zhuǎn)情況，再發(fā)出補(bǔ)償脈沖。具體來(lái)說(shuō)，在了解電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上確定給進(jìn)方向，計(jì)算下條代碼的插補(bǔ)量，根據(jù)是否超過(guò)0 確定下條代碼的給進(jìn)方向。如果此時(shí)電機(jī)處于正方向運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，那么下條代碼給進(jìn)方向則與電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反；如果電機(jī)處于反方向運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，則下條代碼給進(jìn)方向?yàn)檎较颉?/p>

在電機(jī)處于正向、下條代碼為反向的情況下，絲桿運(yùn)行距離S為

式中：Km為目標(biāo)坐標(biāo)；Kd為當(dāng)前坐標(biāo)；l為絲桿間隙。

在電機(jī)處于負(fù)向、下條代碼為正向的情況下，絲桿運(yùn)行距離S'為

以X軸為例，如果絲桿間隙為10 mm，絲桿滾珠直徑為10 mm，智能化系統(tǒng)顯示坐標(biāo)為10 mm 處，指令要求X軸走到原點(diǎn)，此時(shí)電機(jī)處于正向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，下條代碼則反向運(yùn)動(dòng)。在電機(jī)處于反向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后，滾珠會(huì)從20 mm 逐漸向10 mm 運(yùn)動(dòng)，此過(guò)程中工作臺(tái)并沒(méi)有發(fā)生變化。在滾珠繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到達(dá)原點(diǎn)時(shí)，工作臺(tái)也會(huì)處于原點(diǎn)位置。按照式（1）進(jìn)行計(jì)算，可得S為-20 mm，即絲桿實(shí)際運(yùn)行距離為20 mm，X軸反向運(yùn)動(dòng)10 mm。

2.3 智能輔助工藝控制雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸空間誤差

雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床沒(méi)有旋轉(zhuǎn)刀具中心（Rotation Tool Center Point，RTCP）功能，在零件加工過(guò)程中離不開(kāi)計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）軟件的支持，由軟件自動(dòng)化生成數(shù)字計(jì)算機(jī)控制（Numerical Control，NC）刀路。NC 刀路按照代碼加工零件過(guò)程中會(huì)受多種因素影響，出現(xiàn)刀具碰撞、切削精度不足等問(wèn)題，因此會(huì)導(dǎo)致零件加工精度不足。而先裝加工件，找坐標(biāo)系原點(diǎn)，并在NC 編程過(guò)程中處理空間誤差，則會(huì)消耗大量時(shí)間、精力，因此需要通過(guò)智能輔助工藝控制空間誤差。

2.3.1 建立空間誤差模型

在雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床投入使用后，如果旋轉(zhuǎn)中心和所加工零件的坐標(biāo)系原點(diǎn)不重合，則會(huì)導(dǎo)致X軸、Y軸、Z軸出現(xiàn)偏差。例如，在C軸轉(zhuǎn)盤(pán)中安裝工件，將A軸和C軸交匯點(diǎn)設(shè)為L(zhǎng)，如果L值產(chǎn)生空間誤差，并采用后置處理方式對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，那么會(huì)導(dǎo)致NC代碼缺乏通用性。一旦安裝工件過(guò)程X軸或Y軸偏移，就需要重新編寫(xiě)NC 代碼，處理空間誤差。建立空間誤差模型，要先找到坐標(biāo)系原點(diǎn)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)狀態(tài)穩(wěn)定且不發(fā)生任何變化的情況下，只需找一次坐標(biāo)系原點(diǎn)即可。在后續(xù)操作中，只需保證對(duì)刀找到坐標(biāo)系原點(diǎn)，并將數(shù)值輸入智能化系統(tǒng)，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制功能，進(jìn)而精準(zhǔn)計(jì)算偏移量。

2.3.2 找到名義上的坐標(biāo)系原點(diǎn)

在雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床運(yùn)行中，應(yīng)先找到坐標(biāo)系原點(diǎn)，然后找到名義上的坐標(biāo)系原點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上安裝圓棒，圓棒的高度和直徑均為50 mm。將A軸的轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置為0，并在主軸上安裝千分表，保證表針處于C 轉(zhuǎn)盤(pán)表面。沿著Y軸方向移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程按照從正到負(fù)的順序進(jìn)行，觀察表盤(pán)數(shù)值變化情況。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變大，則意味著Y軸的負(fù)方向較高，此時(shí)需要逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)A轉(zhuǎn)臺(tái)；如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變小，則需要順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)A 轉(zhuǎn)臺(tái)，確保誤差水平在合理范圍內(nèi)。由于C軸本身能夠?qū)崿F(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，任意角度都可以設(shè)置坐標(biāo)零點(diǎn)。

2.3.3 空間誤差補(bǔ)償算法

由于雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如果X軸、Y軸或Z軸出現(xiàn)變異情況，則其他軸也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，因此需要準(zhǔn)確計(jì)算不同軸的位置補(bǔ)償量。通過(guò)高精度的傳感器測(cè)量機(jī)床的幾何誤差、熱誤差等建立誤差模型，并利用算法進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)表明，空間誤差補(bǔ)償算法可以有效提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，減少?gòu)U品率。通過(guò)對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)角度進(jìn)行精確測(cè)量和建模，可以精確控制焊接軌跡。另外，空間誤差補(bǔ)償算法可以加快焊接速度，提升焊縫質(zhì)量，減少焊接缺陷。

2.4 優(yōu)化切削參數(shù)

多軸數(shù)控機(jī)床車(chē)削參數(shù)的優(yōu)化方法有很多，包括控制給進(jìn)速度、優(yōu)化刮削長(zhǎng)度、改善磨削速度等。在零件加工中，參數(shù)的確定既關(guān)系到加工速度，也與投資成本密切相關(guān)。通常情況下，在選擇處理參數(shù)過(guò)程中，由于選擇空間較大，在一定程度上降低了連續(xù)優(yōu)化水平，并且會(huì)對(duì)加工后的零件質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。為了盡可能降低技術(shù)參數(shù)誤差，提高優(yōu)化水平，可在實(shí)踐中歸納切削參數(shù)，建立數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)在一定范圍內(nèi)的相關(guān)規(guī)則可以保證表面粗糙度，并通過(guò)綜合優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)減少許多不必要的切削參數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

多軸數(shù)控加工的智能輔助工藝規(guī)劃是未來(lái)制造行業(yè)的重要發(fā)展方向。目前，該領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果，但是仍然存在一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究和探索。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相信多軸數(shù)控加工的智能輔助工藝將實(shí)現(xiàn)更加高效和智能化的生產(chǎn)，為制造業(yè)帶來(lái)更廣闊的發(fā)展前景。