高速立式五軸聯(lián)動(dòng)雕銑中心的開發(fā)與應(yīng)用

張 健 ,霍鳳偉 ,姜成偉

(1.營口理工學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,遼寧營口 115014;2.通用技術(shù)集團(tuán)沈陽機(jī)床有限責(zé)任公司中捷友誼廠,遼寧沈陽 110142)

0 引言

高速立式五軸聯(lián)動(dòng)雕銑中心是數(shù)控機(jī)床中難度最大的,主要應(yīng)用于連續(xù)、平滑復(fù)雜曲面類零件的高效、精密、自動(dòng)化加工。國際上通常把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)作為一個(gè)國家制造裝備自動(dòng)化發(fā)展水平的標(biāo)志之一。早期,由于其技術(shù)門檻和應(yīng)用成本較高,僅僅用于航空、航天、軍事工業(yè)等領(lǐng)域。近年來,隨著航空航天高技術(shù)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用,以及民用消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的提升,高速五軸雕銑中心逐步向民用領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用[1-2]。

國內(nèi)貴金屬加工行業(yè)技術(shù)水平不高,目前大部分以手工作業(yè)為主、半機(jī)械化操作為輔的生產(chǎn)方式,加工精度和效率較低,加工一致性很難保證。尤其是在貴金屬首飾加工領(lǐng)域,為了保證首飾的美觀性,其幾何結(jié)構(gòu)往往采用復(fù)雜的自由曲面,同時(shí)為了減少同體積貴金屬材料的質(zhì)量(克重)以節(jié)約成本,通常產(chǎn)品設(shè)計(jì)成薄壁結(jié)構(gòu),而由于目前毛坯電鑄工藝的局限性,其幾何尺寸大小往往與設(shè)計(jì)模型有所偏差,且壁厚分布不均勻即有薄有厚。采用傳統(tǒng)的數(shù)控加工技術(shù),廢品率較高,急需配置在機(jī)測量技術(shù)的高速五軸雕銑中心。

目前工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)和智能制造技術(shù)發(fā)展很快,貴金屬首飾行業(yè)客戶也逐漸意識(shí)到有些品類的產(chǎn)品完全可以采用先進(jìn)的高速五軸雕銑中心進(jìn)行加工。市場上針對(duì)貴金屬首飾加工的高檔數(shù)控機(jī)床主要由歐洲一些專用數(shù)控機(jī)床制造商提供,國內(nèi)在該領(lǐng)域還處于發(fā)展的初期。因此,研制適用于貴金屬首飾加工的高速雕銑中心產(chǎn)品尤其迫切。

1 五軸機(jī)床總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)床總體布局

高速五軸雕銑中心系列產(chǎn)品采用多種配置型式的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),總體結(jié)構(gòu)型式為立式主軸、三個(gè)直線軸在主軸側(cè)、兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸在零件側(cè)的雙轉(zhuǎn)臺(tái)式五軸機(jī)床。五個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)分配如下:X軸為橫向滑板及其上部件沿著門式立柱左右運(yùn)動(dòng),Y軸為縱向滑板及其上部件沿橫向滑板前后運(yùn)動(dòng),Z軸為主軸滑枕沿縱向滑板上下運(yùn)動(dòng),A軸為類似搖籃式橋板繞X軸前后轉(zhuǎn)動(dòng),C軸為夾具體基座及工件毛坯繞Z 軸連續(xù)回轉(zhuǎn)。刀庫設(shè)計(jì)在立柱中間的下方,刀具自動(dòng)交換采用主軸滑枕移動(dòng)來進(jìn)行。機(jī)床操作站鑲嵌在機(jī)床正面右側(cè),電控柜配置在機(jī)床后側(cè),氣動(dòng)、冷卻及切屑回收等輔助裝置設(shè)計(jì)在機(jī)床下部。機(jī)床總體布局如圖1 所示。

圖1 機(jī)床總體布局

1.2 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)行業(yè)市場需求,確定該機(jī)床的主要技術(shù)指標(biāo)。

工作臺(tái)最大行程(X軸):360 mm

縱滑板最大行程(Y軸):220 mm

主軸箱最大行程(Z軸):210 mm

主軸最高轉(zhuǎn)速:40 000 r/min

主軸電機(jī)功率:2.5 kW

X/Y/Z軸快移:24 m/min

A/C軸旋轉(zhuǎn)角度:±135°/360°

刀庫型式:直排

刀庫驅(qū)動(dòng)形式:氣動(dòng)

刀庫刀具數(shù)量:12 把

機(jī)床數(shù)控系統(tǒng):國內(nèi)i5 數(shù)控系統(tǒng)

1.3 機(jī)床主要技術(shù)特點(diǎn)

機(jī)床結(jié)構(gòu)采用主軸豎直、十字交叉滑板,三個(gè)直線軸設(shè)計(jì)在主軸側(cè),兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸呈搖籃式且設(shè)計(jì)在零件側(cè)的布局型式。這種方案,零件在切削過程中的重量變化不會(huì)對(duì)直線坐標(biāo)軸的動(dòng)態(tài)性能造成負(fù)面影響。機(jī)床床身中間倒錐漏斗形設(shè)計(jì),可以保證貴金屬切屑集中回收。

機(jī)床三個(gè)直線坐標(biāo)軸采用交流伺服電機(jī)和高精度滾珠絲杠直接聯(lián)結(jié),結(jié)構(gòu)緊湊,傳動(dòng)精度高;采用直線滾動(dòng)式導(dǎo)軌,摩擦阻力小,可以實(shí)現(xiàn)高剛性,切削進(jìn)給時(shí)無爬行現(xiàn)象。兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸采用交流伺服電機(jī)和高精度減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu),不僅定位精度高,而且穩(wěn)定性和抗沖擊性能好。

機(jī)床配置高速電主軸,最高轉(zhuǎn)速可達(dá)40 000 rpm,可以滿足有色金屬等硬度較低材料的高速切削加工需求,加工表面質(zhì)量好。

機(jī)床具有刀具自動(dòng)交換功能,刀庫容量為12把,可以根據(jù)加工工藝需求配置不同種類的刀具。

該機(jī)床同時(shí)具有工件在機(jī)測量系統(tǒng)和刀具自動(dòng)測量功能,一方面可以測量工件毛坯表面的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù),另一方面也可以檢測刀具磨損和破損情況。

2 五軸機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)

2.1 RTCP 精度檢測技術(shù)

2.1.1 RTCP 功能簡介

RTCP 是“Rotational Tool Center Point”的縮寫,即旋轉(zhuǎn)刀具中心。該功能實(shí)現(xiàn)了以刀具中心進(jìn)行編程[3],通過該功能可以直接在機(jī)床上針對(duì)雙轉(zhuǎn)臺(tái)管理刀具的空間長度補(bǔ)償。一般情況下,五軸機(jī)床的RTCP 補(bǔ)償值是先通過檢測工具或切削樣件進(jìn)行測量。

國內(nèi)i5 數(shù)控系統(tǒng)RTCP 參數(shù)設(shè)置界面如圖2所示。

圖2 RTCP 參數(shù)設(shè)置界面

2.1.2 RTCP 功能調(diào)試步驟

1)測量C軸軸線機(jī)械坐標(biāo)值,填入RTCP_OFFSET1 X 和RTCP_OFFSET2 Y 中。如X軸、Y軸零點(diǎn)在C軸軸線上,可以將RTCP_OFFSET1 X 和RTCP_OFFSET2 Y 設(shè)為0。

2)開啟RTCP 功能,測量XY軸聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心與C軸軸線坐標(biāo)的差值,將差值疊加到RTCP_OFFSET1 X 和RTCP_OFFSET2 Y 中。

3)測量A軸軸線機(jī)械坐標(biāo)值,填入RTCP_OFFSET1 Y 和RTCP_OFFSET1 Z 中,此時(shí)將RTCP_OFFSET2 Y 改為RTCP_OFFSET2 Y-RTCP_OFFSET1 Y 的值。

4)開啟RTCP 功能,測量YZ軸聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心與A軸軸線坐標(biāo)的差值,將差值疊加RTCP_OFFSET1 Y,RTCP_OFFSET1 Z 中,并同時(shí)修改RTCP_OFFSET2 Y 的值。

2.2 五軸加工后處理技術(shù)

后處理是計(jì)算機(jī)輔助編程軟件中基于零件CAD 模型進(jìn)行的一系列加工設(shè)置后生成的刀具中心和刀軸矢量數(shù)據(jù)文件,該文件不能為數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)識(shí)別,需進(jìn)行相應(yīng)地處理,轉(zhuǎn)換為數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別的加工程序文件[4]。

為討論方便,在此做以下設(shè)定:工件坐標(biāo)系為OwXwYwZw;機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系為ORXRYRZR,OwOR=h;刀具中心C0在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(xc0,yc0,zc0);刀軸矢量a在工件坐標(biāo)系中為(ax,ay,az),如圖3 所示;下面簡要討論機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)值X、Y、Z、A、C的計(jì)算方法。

圖3 五軸加工刀軸矢量轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系

2.2.1 AC 轉(zhuǎn)角的計(jì)算

對(duì)于該類五軸數(shù)控雕銑中心回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)角度計(jì)算的思路是,回轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)是工作臺(tái)及夾具一方面繞著Z軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)C角,另一方面繞X軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)A角。A、C角的數(shù)值可以通過基本的三角函數(shù)關(guān)系解算。A、C軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系如圖3 所示。

2.2.2X、Y、Z位置坐標(biāo)的計(jì)算

機(jī)床X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo),即是求刀具中心C0經(jīng)工作臺(tái)及夾具回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后在機(jī)床坐標(biāo)系ORXRYRZR中的位置。

先將工件坐標(biāo)系OwXwYwZw平移到機(jī)床坐標(biāo)系ORXRYRZR,接著工件繞Z軸回轉(zhuǎn)-C角,最后工件再繞X軸回轉(zhuǎn)-A角。通過基本的坐標(biāo)變換矩陣計(jì)算可得各坐標(biāo)計(jì)算式,見式(1)～(3)。

另外,需要指出的是,機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)在開啟RTCP 功能時(shí),回轉(zhuǎn)軸A、C運(yùn)動(dòng)引起的直線軸X、Y、Z位置坐標(biāo)變化是由機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)計(jì)算并進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。后置處理過程不需要把機(jī)床A、C回轉(zhuǎn)軸中心的偏差值代入求解,并且刀具中心和刀軸矢量數(shù)據(jù)也不需要進(jìn)行幾何坐標(biāo)的變換,只需計(jì)算出機(jī)床回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)即可。

2.3 在機(jī)測量技術(shù)

2.3.1 在機(jī)測量簡介

在機(jī)測量技術(shù)是一種零件在不停機(jī)的狀態(tài)下進(jìn)行的測量技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)零件在加工的過程前、過程中和過程后的自動(dòng)化高精密的測量。此項(xiàng)技術(shù)不僅可以減少零件的周轉(zhuǎn)過程,避免因夾具和毛坯變形引起的誤差,而且可以顯著減少工件找正和補(bǔ)充加工編程等時(shí)間[5-6],保證了加工質(zhì)量、降低廢品率、提高了加工效率,充分發(fā)揮機(jī)床的加工潛能。

由于在機(jī)測量技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢,目前很多的數(shù)控加工機(jī)床都配備觸發(fā)式測頭實(shí)現(xiàn)高精度測量。但是,由于在機(jī)測量的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜,被測量工件的形狀不完全相同,在這些影響測量精度因素中,觸發(fā)式測頭系統(tǒng)自身的測量精度顯得最為突出。因此,研究規(guī)范而有效的標(biāo)定方法來減小測量誤差,進(jìn)而提高在機(jī)測量系統(tǒng)的測量精度顯得尤為重要。

2.3.2 觸發(fā)式測頭的標(biāo)定方法

(1)測頭安裝偏心的標(biāo)定。初始安裝前使測頭中心線與主軸中心線重合。通常使用與測針球頭接觸的低測力千分表來測量偏心,然后通過安裝在刀柄上的幾個(gè)螺釘進(jìn)行調(diào)整。

(2)測頭Z軸基準(zhǔn)的標(biāo)定。采用標(biāo)準(zhǔn)刀具或測試棒(長度量棒),以及標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)和環(huán)規(guī)設(shè)定長度標(biāo)定基準(zhǔn)位置。將標(biāo)準(zhǔn)刀具或測試棒安裝到機(jī)床上,然后緩慢移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)刀具,使之與放置在環(huán)規(guī)面上的塊規(guī)接觸。通過標(biāo)準(zhǔn)刀具的長度和塊規(guī)的厚度,進(jìn)而確定環(huán)規(guī)頂面的Z軸位置,并在當(dāng)前工件坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行設(shè)定。接下來,將測頭安裝到機(jī)床上,使用測頭測量Z軸環(huán)規(guī)頂面(即基準(zhǔn)),確定標(biāo)準(zhǔn)長度并將結(jié)果輸入到機(jī)床系統(tǒng)相關(guān)刀補(bǔ)參數(shù)中。

(3)測頭X、Y軸基準(zhǔn)的標(biāo)定。采用環(huán)規(guī)、千分表來輔助進(jìn)行此項(xiàng)的標(biāo)定。首先在XY平面上準(zhǔn)確確定環(huán)規(guī)的中心。將環(huán)規(guī)放在機(jī)床工作臺(tái)上,千分表安裝在主軸端面,表針與環(huán)規(guī)內(nèi)徑圓周表面接觸,緩慢旋轉(zhuǎn)直到在360 度范圍內(nèi)表針顯示在一個(gè)固定讀數(shù)位置。保持機(jī)床的X、Y坐標(biāo)不動(dòng),然后將測頭安裝到主軸上。測頭按照X+、X-、Y+、Y-四個(gè)基準(zhǔn)方向運(yùn)動(dòng)并保持測頭上同一點(diǎn)與環(huán)規(guī)接觸,沿環(huán)規(guī)內(nèi)徑徑向方向測量,測點(diǎn)坐標(biāo)分別為A、B、C、D,因此測頭X向偏置為(A+B)/2,Y向偏置為(C+D)/2。然后將X向和Y向標(biāo)定的偏置值輸入到機(jī)床系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)參數(shù)中。

(4)測頭XY矢量方向的標(biāo)定。采用環(huán)規(guī)、千分表來輔助進(jìn)行此項(xiàng)的標(biāo)定。首先在XY平面上準(zhǔn)確確定環(huán)規(guī)的中心,然后保持機(jī)床的X、Y坐標(biāo)不動(dòng),將測頭安裝到主軸上。接下來按照?qǐng)A周不同方向n(n為正整數(shù),數(shù)值越大,標(biāo)定精度越高)等分角度間隔方向運(yùn)動(dòng)并保持測頭上同一點(diǎn)與環(huán)規(guī)接觸,沿環(huán)規(guī)內(nèi)徑法向方向測量,得到測點(diǎn)分別為A1、A2,…,An。接著以環(huán)規(guī)半徑為基準(zhǔn),計(jì)算不同矢量方向測點(diǎn)處半徑誤差值R1,R2,…,Rn,再將此誤差值沿X、Y向進(jìn)行分解,即可獲得各矢量方向測點(diǎn)處的誤差坐標(biāo)分量,從而形成不同矢量方向的誤差補(bǔ)償標(biāo)定參數(shù)。

3 五軸機(jī)床應(yīng)用

3.1 在機(jī)測量測頭標(biāo)定

采用觸發(fā)式測頭,利用前述的標(biāo)定方法,在開發(fā)的高速立式五軸雕銑中心上進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)證[7],如圖4 所示。由于測頭Z軸和X、Y軸等單向基準(zhǔn)的標(biāo)定方法比較常規(guī),下面重點(diǎn)介紹在機(jī)測量系統(tǒng)中觸發(fā)式測頭XY矢量方向標(biāo)定應(yīng)用示例。

圖4 觸發(fā)式測頭標(biāo)定應(yīng)用示例

采用內(nèi)圓直徑為62 mm 的環(huán)規(guī),在圓周360 度上均勻布置60 個(gè)測量點(diǎn),即圓周方向上每6 度布置一個(gè)測點(diǎn)。按照前述測頭標(biāo)定規(guī)范流程進(jìn)行操作,分別經(jīng)過測頭偏心校正、環(huán)規(guī)中心確定等步驟,在測量軟件上分別生成初始測量程序,然后在高速五軸聯(lián)動(dòng)雕銑中心上進(jìn)行實(shí)際測量。獲得環(huán)規(guī)的測量數(shù)據(jù)和標(biāo)定結(jié)果如下:環(huán)規(guī)各矢量方向測量的半徑值,極大值為31.0396 mm,極小值為為31.009 0 mm,極差為0.030 6 mm。根據(jù)前文的標(biāo)定方法計(jì)算不同矢量方向的誤差補(bǔ)償標(biāo)定參數(shù),進(jìn)而生成帶標(biāo)定補(bǔ)償?shù)臏y量程序,然后再通過測量環(huán)規(guī)進(jìn)行驗(yàn)證。此次獲得的測量數(shù)據(jù)顯示,半徑極大值為31.006 9 mm,半徑極小值為30.997 8 mm,極差為0.009 1 mm。

由此可見,對(duì)測頭進(jìn)行XY矢量方向標(biāo)定,可以顯著提升測頭的測量精度,滿足貴金屬首飾在機(jī)測量和加工需求。

3.2 五軸聯(lián)動(dòng)加工應(yīng)用

在貴金屬首飾加工領(lǐng)域,通常產(chǎn)品設(shè)計(jì)成厚度在0.2～0.3 mm 之間,而由于毛坯制造工藝的局限性,其壁厚有薄有厚。傳統(tǒng)的加工方法是根據(jù)理論設(shè)計(jì)模型編制數(shù)控加工程序,并且按照一定的切削深度來進(jìn)行加工,這樣一方面會(huì)由于毛坯壁厚的不均勻而導(dǎo)致局部欠切或過切現(xiàn)象,甚至局部切漏的情況也時(shí)有發(fā)生;另外,這種切削方式毛坯材料去除量較大,從而會(huì)在一定程度上增加貴金屬材料的損耗率,造成生產(chǎn)成本上升。為了解決上述問題,就要求切削時(shí)必須按照毛坯的實(shí)際幾何形狀進(jìn)行去除材料加工,即沿實(shí)際毛坯表面輪廓進(jìn)行逐層均勻去除加工?；诖?五軸機(jī)床需要具有在機(jī)測量功能,實(shí)現(xiàn)毛坯先在機(jī)床上進(jìn)行測量,獲得毛坯的真實(shí)幾何信息,然后再進(jìn)行編程和銑削加工。

下面以復(fù)雜曲面類貴金屬手鐲樣件為例,在高速五軸立式五軸雕銑中心上進(jìn)行在機(jī)測量和實(shí)際切削加工。首先通過CAD/CAM 軟件進(jìn)行理論設(shè)計(jì)模型測量路徑規(guī)劃和刀具路徑規(guī)劃、在機(jī)測量程序生成,然后進(jìn)行機(jī)床在機(jī)測量標(biāo)定和實(shí)際測量,進(jìn)而生成毛坯真實(shí)曲面和補(bǔ)償加工刀具路徑,接下來運(yùn)用后置處理算法生成補(bǔ)償加工的NC 程序。加工后的手鐲樣件經(jīng)過檢測,滿足質(zhì)量要求。

4 結(jié)語

本文以高速立式五軸聯(lián)動(dòng)雕銑中心為研究對(duì)象,從五軸機(jī)床總體設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)以及五軸機(jī)床應(yīng)用等進(jìn)行了較為全面的研究,得到如下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)該高速立式五軸雕銑中心總體采用模塊化設(shè)計(jì),床身采用獨(dú)特漏斗型設(shè)計(jì),以及優(yōu)質(zhì)不銹鋼內(nèi)防護(hù)可以確保貴金屬回收率高,回收方便。

2)該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)配置RTCP 功能,針對(duì)該雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)五軸機(jī)床可有效管理刀具的空間長度補(bǔ)償,同時(shí)闡述了RTCP 功能應(yīng)用的調(diào)試方法步驟。

3)推導(dǎo)出后置處理過程運(yùn)動(dòng)變換計(jì)算方法,同時(shí)指出該類機(jī)床應(yīng)用過程中開啟和關(guān)閉RTCP 功能時(shí),要注意后處理器的合理應(yīng)用。為其他類似的五軸數(shù)控機(jī)床應(yīng)用提供了借鑒。

4)提出了在機(jī)測量觸發(fā)式測頭安裝偏心、X、Y、Z單向以及XY矢量方向的完整標(biāo)定方法;并在開發(fā)的高速立式五軸聯(lián)動(dòng)雕銑中心上進(jìn)行了矢量方向標(biāo)定的成功應(yīng)用,提高了在機(jī)測量系統(tǒng)的測量精度。

5)以復(fù)雜曲面類貴金屬手鐲樣件為例在高速五軸立式五軸雕銑中心上進(jìn)行在機(jī)測量和實(shí)際切削加工。加工后的手鐲樣件經(jīng)過檢測,滿足質(zhì)量要求,達(dá)到了預(yù)期效果。該方法可以推廣應(yīng)用到其他類似的薄壁復(fù)雜曲面類零件的高精度加工領(lǐng)域。