UCP1350在運行中遇到的問題淺析 (上)

中國航空工業沈陽發動機設計研究所(遼寧 110015）王 博 高凱龍

1.設備簡介

五軸五聯動立式加工中心UCP1350是瑞士米克朗公司設計、德國制造的高精度準高速數控加工中心。它的行程范圍是X軸:1350mm，Y軸:890mm，Z軸立式行程:700mm，臥式行程:890mm。主軸A可以繞平行于 X軸的回轉中心軸線旋轉15°～－120°，工作臺直徑1100mm，回轉直徑最大可達1200mm，C軸可以圍繞Z軸為回轉中心正負無限旋轉。

2.編控系統和格式簡介

UCP1350采用的是海德漢的INTC530編控系統。這個系統是海德漢最新版本的編控系統，據手冊上介紹是“可靠的輪廓控制器，可讓您在簡單易用的對話語言編程模式，對傳統的銑鉆鏜機床操作進行編程。它設計用于鉆銑鏜機床，也可用于加工中心。INTC530最多可控制9個軸，在程序控制下，還可以改變主軸的角度。”

INTC530控制系統下生成的數控程序名的后綴為“.H”格式。現在把一個小程序提供出來，分析一下它和普通我們所熟悉的FANUC格式代碼的格式上的異同點。

海德漢格式:

首先我們注意到，在海德漢的格式里有一些字母存在，比如:L、CALL、TOOL、BLKFORM、FMAX等。這里解釋一下，海德漢系統就是這種規定的格式，每一行開始如果輸入的是坐標，前面就有L，直線Line的開頭字母。在調用刀具時，不是用M06T+刀號來進行，而是TOOLCALL;而第一句BLKFORM和第二句BLKFORM后邊表示的是一個工件的毛坯，給機床上系統進行仿真切削用的，對于實際加工不發生作用。而FMAX則相當于FANUC系統中的G0，快速進給的意思。

對于圓弧命令和各種循環指令，海德漢與FANUC也在表述形式上有不同。這里就不敘述。

3.加工中遇到的問題

(1)刀長的介入 數控機床中有一個操作者最主要的操作，就是對刀。對刀，就是測量調整刀具長度直徑等參數并正確輸入相應的刀具參數寄存器中，以便加工時調用。一般的三、四軸機床，直接就可以設定工件的原點，刀具直接在Z軸方向上測量調整就能設定加工坐標系的Z軸零點。如圖1所示。

圖1

在五軸加工機床中，對刀分為幾種形式，如圖2所示，這是IMSpost的刀具原點設定的宏命令。從圖2中可以看出，有好幾種機床工具零點的設定方式。UCP1350采用的就是Pivot形式的，這點所在的垂直于刀具軸線的平面與刀柄ISO40內錐面的交線行成一個圓，這個圓的稱為刀具安裝平面，這個平面距主軸擺頭回轉中心的距離D是214.889mm，如圖3所示。在UCP1350的五軸加工中，機床按我們所給的程序坐標進行運動，是以圖3中的工具原點進行計算的，并不把刀具長度計算在內。原本在三軸四軸加工中很簡單的問題到了五軸，便成了一個很棘手的問題。

圖2

圖3

(2)刀長的解決辦法 如果要引入刀具長度，以滿足加工零件的要求，目前可以采用兩種辦法，一種，就是我們在做數控程序時直接把刀具長度也輸入進去，后處理之后得到的就是機床本身的工具原點的運動軌跡坐標，如圖4所示。圖4中的曲線a是后處理后得到的引入了刀長的刀位軌跡連線，它對應于機床工具原點的軌跡，曲線b是零件實際輪廓的刀位軌跡。

圖4

但是這樣帶來一定的麻煩，首先是如果刀具實際長度與我們做數控程序時輸入的刀長不一致，將導致切削錯誤，或者過切，或者欠切，再有就是帶來刀具軌跡驗算錯誤。一般地講，我們可以在數控程序中抽取幾個點進行驗算，比如從軌跡b中抽出幾個點的坐標，看它是否在我們希望的位置上。如果不加入刀長的話，可以很方便的，但是加入了刀長，那么點的計算又引入了刀長數據，不光是刀具長度，還有刀具的法向矢量參與了計算，大大增加了出錯的幾率。

(3)控制系統提供的解決辦法 另外一種解決刀長問題的方法就是把這個刀長的事情交給機床編控系統本身去處理，我們依舊提供實際刀位軌跡b的數據。由機床編控系統自身通過輔助命令在b軌跡的基礎上加上刀長計算出機床工具原點所走過的刀位軌跡a。在海德漢INTC530控制系統中，對于傾斜軸時機床幾何尺寸自動補償的控制，提供了兩個輔助命令:M114和M128。通過這兩個命令，可以分別由兩種格式的數控程序計算出機床刀具原點的實際軌跡a。

(4)M114和M128的命令和區別 M114特性:若程序中控制傾斜軸的位置改變，則TNC用三維長度補償，自動補償刀具偏移，由于單個機床刀具幾何尺寸在機床參數中設定，所以TNC也自動補償機床特性偏移。即使程序再不同機床上運行，后處理器也僅計算一次程序。M128特性:若程序中被控傾斜軸的位置改變，則刀尖位置到工件距離不變。M128有效時，若您編程傾斜工作臺運動，則TNC旋轉相應的坐標系，還轉換由于旋轉工作臺運動而移動的定義原點。

在實際應用中，我們這兩個輔助命令都用到了，各自引發了一些問題。M114的問題:M114加在程序頭后，最主要的問題是，工作臺的轉動不是我們所期望的那樣勻速、以加工進給率轉動，而是會很猛烈地竄著轉動。這種竄動的結果之一就是刀具折斷。M128的問題:我們就實驗了 M128，直接把M128加入到UG生成的后處理程序之中。但是帶來的是另外一種結果:就是進給速率看上去還可以，但是坐標全不對，本來應該走X軸C90，實際機床走的是Y軸C90。這樣的結果顯然不是我們所能接受的。

4.對存在的問題的分析

(1)M114格式引發問題的分析 數控機床的第四軸、第五軸的引入與采用，對于坐標點的計算，提出了很高的要求。最簡單的，就是對于工件的加工表面進行分析，按要求進行坐標求值。然后給出每個點的三維坐標值和這個點的法向矢量值。求出這些值之后，再根據刀軸的設定，進行刀軸方向值的計算，給定后輸出刀位文件。刀位文件中包含的信息基本上有刀具信息，比如刀具號、是否換刀、換刀平面、刀具平面等，剩下的就是刀位信息:刀尖點的三維坐標值、刀具刀軸的方向矢量值。對應于UCP1350機床，則表現為X、Y、Z值，C、A值。這里的XYZ坐標的單位是mm，而A、C軸的坐標單位是度。對于一個工件，如果應用到五軸五聯動的機床了，那么必然存在著A、C軸轉角的問題。機床以刀具的刀尖為參考原點進行運動，反向補償出相應的坐標值，以滿足刀尖在工件加工表面的正確位置上。在機床運動的過程中，五個軸是要匹配進行的。就是說，A點到B點，不僅XYZ要運行到位，A、C軸也要運行到位。這里就存在著一個默認速率的問題。有的機床可能是以轉角優先，有的機床是以直線優先。對與米克朗UCP1350來說，五軸聯動，就是優先考慮的XYZ軸速率。由于機床的工作臺快速回轉速率很大，達到了40r/min，換算成度的話就是14400°/min，每秒鐘可以轉240°。如果工件的加工表面對回轉中心的直徑為1000mm，那么，加工表面的回轉線速度就達到了2093.333mm/s，折合成線速度進給率就是125600mm/min。而一般機床的加工進給率小于3500mm/min。如果數控程序相鄰兩句之間的XYZ的線性距離很小，那么在一個固定的進給率的條件下，兩句之間機床運行的時間是固定的，但是很短，而對于圓周上的加工管表面來說，如果這兩句的角度變化是以度為最小變化單位的話，再考慮到圓周直徑的放大作用，圓周上的線速度就會變化很大，表現為工作臺轉動的竄動，如圖5所示。

圖5

(待續)