高精度五軸聯(lián)動數(shù)控設(shè)備回轉(zhuǎn)中心與主軸端面距離的意義及測量方式

邊成明++藺琦斌++夏才

文章編號：2095-6835（2016）17-0086-02

摘 要：在加工汽輪機葉片的葉身曲面、凸臺、葉身與葉冠、葉根連接處的弧面時，必須由五軸聯(lián)動數(shù)控設(shè)備來完成，而設(shè)備回轉(zhuǎn)中心與主軸端面的距離值直接參與了數(shù)控系統(tǒng)的插補運算。該值的準確性成為了影響汽輪機葉片加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此，對多種不同類型設(shè)備提出了該距離值的兩種測量方式。

關(guān)鍵詞：汽輪機葉片；五軸聯(lián)動；回轉(zhuǎn)中心；主軸端面

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.086

眾所周知，葉片是汽輪機的心臟，其復(fù)雜的曲面造型必然會成為加工中的重點和難點。我公司現(xiàn)有多種類型的高精度五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心，包括C.B.Ferrari S630/A176、Mazak e-420H、DMG CTXgamma1250TC、XKH1600/800、LIECHTI TM2000/1400、HAMUELHSTM300等80余臺設(shè)備。葉片的加工精度要求非常高，有些公差要求甚至在0.02 mm內(nèi)，因此，設(shè)備回轉(zhuǎn)中心與主軸端面距離值的準確性顯得尤為重要。由于該數(shù)值直接影響了系統(tǒng)插補運算的準確性，根據(jù)多年對五軸聯(lián)動設(shè)備的使用、加工經(jīng)驗，本文首先介紹了該距離值的應(yīng)用意義，并對不同類型的設(shè)備提出了不同的測量解決方案。

1 應(yīng)用介紹

1.1 五軸聯(lián)動設(shè)備結(jié)構(gòu)

五軸聯(lián)動加工中心有高效率、高精度的特點，工件一次裝夾就可完成多面體的加工，它可以使刀具與加工零件實現(xiàn)五軸聯(lián)動，從而使刀具的切削刃部分始終沿著所需加工曲面的切面方向移動，使曲面加工達到理想的切削狀態(tài)。五軸聯(lián)動加工中心大多為“3+2”的結(jié)構(gòu)，即x，y，z三條直線運動軸加上分別圍繞x，y，z軸旋轉(zhuǎn)的a，b，c三個旋轉(zhuǎn)軸中的兩個旋轉(zhuǎn)軸組成。

1.2 回轉(zhuǎn)中心與主軸端面距離值

回轉(zhuǎn)中心與主軸端面距離值如圖1所示。

無論何種結(jié)構(gòu)形式的五軸聯(lián)動機床，都有一個共同特點——刀具中心與旋轉(zhuǎn)主軸頭部的中心有一段距離，這段距離稱為樞軸中心距，即主軸端面到旋轉(zhuǎn)主軸頭中心的距離。由于該距離的存在，導(dǎo)致五軸數(shù)控系統(tǒng)零件加工程序的編制具有特殊性。如果對刀具中心編程，則旋轉(zhuǎn)坐標的運動必將導(dǎo)致直線坐標的變化，即產(chǎn)生一個位移。消除這個位移有2種辦法：①在后置處理中添加樞軸中心距。以往，在兩臺不同H值的設(shè)備使用同一個加工程序時，必須要進行2次后置處理，導(dǎo)致整個工藝過程十分煩瑣。②將H值作為變量設(shè)定到系統(tǒng)參數(shù)中，再對加工程序進行通用后置處理，并在程序的開頭調(diào)用相應(yīng)參數(shù)獲取變量值，以實現(xiàn)加工程序的通用性。這樣的加工程序適用于不同的設(shè)備，大大提高了生產(chǎn)效率。

2 設(shè)備類型分類

在上述各種不同類型的五軸聯(lián)動設(shè)備中，有必要先進行設(shè)備分類，從而針對不同的類型設(shè)備制訂不同的測量方案。

2.1 按回轉(zhuǎn)中心與主軸的位置關(guān)系分類

不同類型的五軸聯(lián)動設(shè)備的回轉(zhuǎn)中心與主軸端面的位置關(guān)系大體可分為2類：①主軸端面在旋轉(zhuǎn)中心之上，如圖2所示；②主軸端面在旋轉(zhuǎn)中心之下，如圖3所示。位置關(guān)系的不同決定了測量H值時的運算公式不同，以下將有詳細闡述。

2.2 按主軸最大回轉(zhuǎn)角度值分類

由于各類設(shè)備設(shè)計結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致主軸最大回轉(zhuǎn)角度不同，一般可分為兩大類：①由于受到機械結(jié)構(gòu)的限制，最大回轉(zhuǎn)角度大約在50°以內(nèi)；②最大回轉(zhuǎn)角度可超過90°。最大回轉(zhuǎn)角度決定了測量H值時的難易程度和精確度。

3 測量方式

根據(jù)分類總結(jié)，以下2種測量方式可適用于大多數(shù)設(shè)備：①測量主軸端面在回轉(zhuǎn)中心以下，且最大回轉(zhuǎn)角度可超過90°的設(shè)備；②測量主軸端面在回轉(zhuǎn)中心以上，且最大回轉(zhuǎn)角度在50°以內(nèi)的設(shè)備。雖然有個別設(shè)備不在上述兩種情況中，但測量原理相同，得到準確的H值比較容易。下面主要針對上述2種測量方式進行重點闡述。

3.1 測量方式一

3.1.1 測量工具

測量工具如圖4所示。

圖4展示的是刀柄類型為SHK63-A的測量刀具，其測量頭部為圓柱形。

3.1.2 測量步驟

先將千分表放置在工作臺上，然后將主軸擺到垂直狀態(tài)（0°），如圖5所示，移動X，Y，Z軸，使表針與測量工具的下端面接觸，此時，記錄表針的指針位置和Z軸的坐標值Z1；如圖6所示，將主軸擺到水平狀態(tài)（90°），然后移動X，Y，Z軸，使表針與測量工具的側(cè)母線接觸（有一個找最低點的過程），保證表針的指針位置和上一次相同時，記下Z軸的坐標值Z2，整個測量過程中千分表不能有任何移動。

3.1.3 計算公式

測量方式一的計算公式為：

H=|Z1-Z2|-r-L. （1）

式（1）中：H為回轉(zhuǎn)中心與主軸端面距離值；r為測量頭部的半徑；L為測量工具的刀長。

3.2 測量方式二

3.2.1 測量工具

測量工具如圖7所示。

圖5 主軸垂直狀態(tài) 圖6 主軸水平狀態(tài) 圖7 測量工具

圖7展示的是刀柄類型為SHK63-A的測量刀具，它的測量頭部為球形。

3.2.2 測量步驟

將千分表放置在工作臺上，然后將主軸擺到垂直狀態(tài)（0°），如圖8所示，移動X，Y，Z軸，使表針與測量工具的球頭底部最低點接觸（有一個找最低點的過程），記錄表針的指針位置和X軸的坐標值X1；如圖9所示，Y軸保持不動，將主軸擺任意一個角度（控制在15°～40°以內(nèi)），移動X，Y軸，使表針與測量工具的此時球頭的最低點接觸（有一個找最低點的過程），保證表針的指針位置與上一次相同，記錄X軸的坐標值X2，整個測量過程中千分表不能有任何移動。

3.2.3 計算公式

測量方式二的計算公式可由圖10得出。

由圖10可知：

x=|X2-X1|. （2）

. （3）

. （4）

式（4）中：H為回轉(zhuǎn)中心與主軸端面距離值；r為測量頭部的半徑；L為測量工具的刀長；?為主軸偏轉(zhuǎn)角度。

意角度交叉時的距離

4 結(jié)束語

本文介紹了關(guān)于五軸聯(lián)動設(shè)備回轉(zhuǎn)中心到主軸端面距離值的意義，提出了最具典型代表的兩種測量方式。通過相關(guān)示意圖的展示及公式推導(dǎo)，完整地闡述了整個測量方法和過程。其中，測量方式一的精確度非常高，測量誤差可以控制在0.01 mm以內(nèi)；測量方式二的測量誤差較大，且在測量過程中要精確地找到球面最低點的難度較大，因此，在計算H值時必然有一定的波動，但通過在不同偏轉(zhuǎn)角度下的多次測量，取其平均值后可將測量誤差控制在0.02 mm以內(nèi)，從而保證產(chǎn)品的加工精度。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕