無(wú)RTCP五軸數(shù)控機(jī)床的功能提升

王欽

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

0 引言

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床比三軸機(jī)床多了2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，可以任意調(diào)整刀軸方向，因而在復(fù)雜零件的加工中具有很大優(yōu)勢(shì)。可以加工出更高質(zhì)量、更復(fù)雜的曲面，主要適用于飛機(jī)、模具、汽車、透平等行業(yè)的特殊加工。產(chǎn)品質(zhì)量好，加工效率高，大幅降低了工藝、工裝的技術(shù)難度。目前五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化，在性價(jià)比方面比進(jìn)口五軸機(jī)床具有很大優(yōu)勢(shì)。但是，國(guó)產(chǎn)五軸機(jī)床在控制系統(tǒng)的核心技術(shù)上面仍然處于起步和積累階段。其中五軸機(jī)床的RTCP聯(lián)動(dòng)技術(shù)，就是國(guó)產(chǎn)五軸數(shù)控機(jī)床的短板。比如東汽葉片分廠采購(gòu)的北京機(jī)電院的XKH800、XKH1600五軸機(jī)床的控制系統(tǒng)就不支持RTCP。沒(méi)有RTCP模塊支持，意味著數(shù)控程序就會(huì)受限于具體的機(jī)床結(jié)構(gòu)和刀具長(zhǎng)度，一旦更換了機(jī)床 （即使是相同型號(hào)）或者更換了刀具以及刀具出現(xiàn)了磨損，數(shù)控程序都需要重新后置處理。這不但降低了機(jī)床使用效率、耽誤了生產(chǎn)進(jìn)度、而且還可能因?yàn)榈毒唛L(zhǎng)度的輸入錯(cuò)誤造成產(chǎn)品報(bào)廢甚至撞機(jī)。因此研究如何在不升級(jí)機(jī)床硬件的情況下，實(shí)現(xiàn)類似RTCP的技術(shù)方案就成了一項(xiàng)很有經(jīng)濟(jì)效益和能提升質(zhì)量的課題。

1 五軸數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介及北機(jī)院 XKH系列機(jī)床結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)多軸數(shù)控機(jī)床是否具有RTCP功能進(jìn)行分類。一種是不帶RTCP功能的多軸機(jī)床，另一種是帶RTCP功能的多軸機(jī)床。

（1）不帶RTCP功能的多軸機(jī)床

此類機(jī)床特征是擺動(dòng)軸在做運(yùn)動(dòng)時(shí)，移動(dòng)軸（X、Y、Z軸）無(wú)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸線運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

不帶RTCP功能的情況下，控制系統(tǒng)不考慮刀具長(zhǎng)度。刀具圍繞軸的中心旋轉(zhuǎn)。刀尖將移出零件外。該類機(jī)床的缺點(diǎn)是同樣一個(gè)零件，機(jī)床或者刀具換了，都必須重新進(jìn)行后處理。并且操作工在裝夾工件時(shí)需要保證工件在其工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心位置。對(duì)操作者來(lái)說(shuō)，意味著需要大量的裝夾找正時(shí)間，且精度得不到保證。

（2）帶RTCP功能的多軸機(jī)床

如圖2所示，帶RTCP功能的情況下，控制系統(tǒng)只改變刀具方向，刀尖位置仍保持不變。X，Y，Z軸上的運(yùn)動(dòng)通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)補(bǔ)償。

圖1 不帶RTCP功能的多軸機(jī)床

圖2 帶RTCP功能的多軸機(jī)床

東汽葉片分廠引進(jìn)的多臺(tái)XKH800和XKH1600機(jī)床是由北京機(jī)電研究院生產(chǎn)，主要用于汽輪機(jī)葉片加工的轉(zhuǎn)臺(tái)擺頭式銑床。平動(dòng)軸為X、Y、Z，轉(zhuǎn)動(dòng)軸為A、B。主軸端面在旋轉(zhuǎn)中心之下。刀具軸最大回轉(zhuǎn)角度大約在50°以內(nèi)。該類機(jī)床的控制系統(tǒng)為Sinumerik 840D，但不帶RTCP模塊。面向機(jī)床，右手方向?yàn)閄軸正向，工作臺(tái)向外為Y軸正向，刀具軸向上為Z軸正向。A軸正向滿足右手螺旋法則，B軸順時(shí)針為正，如圖3所示。

圖3 機(jī)床坐標(biāo)系

2 RTCP技術(shù)簡(jiǎn)介及優(yōu)勢(shì)

RTCP是 “Rotational Tool Center Point” 的縮寫，意思是 “旋轉(zhuǎn)刀具中心”。也有稱之為TCPM技術(shù)。

假設(shè)以手動(dòng)方式定點(diǎn)執(zhí)行RTCP功能，刀具中心點(diǎn)和刀具與工件表面的實(shí)際接觸點(diǎn)將維持不變，此時(shí)刀具中心點(diǎn)落在刀具與工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)處的法線上，而刀柄將圍繞刀具中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，對(duì)于球頭刀而言，刀具中心點(diǎn)就是數(shù)控代碼的目標(biāo)軌跡點(diǎn)。該功能最大的好處是一個(gè)數(shù)控加工程序可以在工廠中不同的機(jī)床上使用，盡管這些機(jī)床的軸心偏差各不相同。另外，由于RTCP控制的是刀心軌跡，因而與刀具長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。更換刀具后，只需要修改機(jī)床中的刀具長(zhǎng)度參數(shù)，就可以繼續(xù)使用原有數(shù)控程序進(jìn)行加工。使用RTCP，軸心偏差、刀長(zhǎng)參數(shù)都存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中，數(shù)控程序與后置無(wú)關(guān)，因而真的可以做到一次編程多處使用的效果。雖然RTCP具有諸多優(yōu)點(diǎn)，然而作為數(shù)控系統(tǒng)的高端模塊，很多國(guó)產(chǎn)五坐標(biāo)機(jī)床卻沒(méi)有配置此功能。沒(méi)有此模塊的五軸機(jī)床由于軸心偏差不同，意味著相同制造廠商甚至型號(hào)完全一樣的機(jī)床之間，數(shù)控程序也無(wú)法通用。另外，如果在加工過(guò)程中刀具出現(xiàn)了磨損或者更換，則程序需要重新后置處理才能使用。這給實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)了極大不便。

3 五軸機(jī)床實(shí)現(xiàn)類似RTCP功能的原理

由五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可知，要想實(shí)現(xiàn)加工程序和機(jī)床結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，就要求擺長(zhǎng)參數(shù)不能是一臺(tái)具體機(jī)床的結(jié)構(gòu)數(shù)值，因此需要解決擺長(zhǎng)參數(shù)可變的問(wèn)題。聯(lián)想到機(jī)床的控制系統(tǒng)有很多存放參數(shù)的寄存器，通過(guò)查閱Sinumerik 840D相關(guān)手冊(cè)發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)刀具軸回轉(zhuǎn)半徑參數(shù)$MC_TRAFO5_BASE_TOOL_1和刀具長(zhǎng)度參數(shù)$TC_DP3[$P_TOOLNO,1]來(lái)存放每臺(tái)機(jī)床的刀具軸回轉(zhuǎn)半徑和刀具長(zhǎng)度。這樣在加工程序里直接調(diào)用這兩個(gè)參數(shù)就可以保證程序本身與機(jī)床的無(wú)關(guān)性。由于XKH800和XKH1600均為A-B型的五軸數(shù)控機(jī)床，其運(yùn)動(dòng)學(xué)公式完全一樣。為減小加工程序，增加程序的可讀性，需要使用Sinumerik 840D的子程序功能。

主程序格式：

子程序格式：

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)北機(jī)院XKH系列機(jī)床的深入研究，結(jié)合Sinumerik 840D的系統(tǒng)功能，找到了一種通過(guò)參數(shù)化編程來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)用，模擬RTCP功能中與機(jī)床具體結(jié)構(gòu)參數(shù)和刀具長(zhǎng)度無(wú)關(guān)的功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，證明該方法完全適用于東汽葉片分廠XKH800、XKH1600系列機(jī)床進(jìn)行實(shí)際加工。由于實(shí)現(xiàn)了 “一次編程，多機(jī)通用”的功能，縮短了生產(chǎn)調(diào)度、技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間。國(guó)產(chǎn)五軸數(shù)控機(jī)床的加工費(fèi)用普遍在￥200/h以上，應(yīng)用此技術(shù)方案可以減少生產(chǎn)調(diào)整和機(jī)床空置時(shí)間，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。此外，該技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了程序和機(jī)床參數(shù)的關(guān)聯(lián)，不但減少了刀具長(zhǎng)度手工測(cè)量錯(cuò)誤的發(fā)生，而且方便了校模調(diào)試和批量加工時(shí)的尺寸調(diào)整，減少了因此造成的產(chǎn)品質(zhì)量損失，節(jié)約了成本。最后，該方法作為一種通用的技術(shù)方案，完全可以擴(kuò)展到其它型號(hào)的數(shù)控機(jī)床，具有較高的推廣價(jià)值。

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