FANUC-15i數控系統5坐標控制功能在維修中的應用

席勇，潘海蘭

（中航飛機西安飛機分公司，陜西西安710089）

FANUC-15i數控系統5坐標控制功能在維修中的應用

席勇，潘海蘭

（中航飛機西安飛機分公司，陜西西安710089）

針對5坐標數控機床的5軸頭在安裝、維修過程中所產生的幾何精度誤差，利用FANUC-15i數控系統5坐標控制功能中的5坐標補償功能進行補償，以解決由于5軸頭幾何精度誤差所導致的零件加工精度誤差。同時介紹5軸頭相關幾何精度的測量辦法。

FANUC 15i；五坐標控制功能；五坐標補償功能

0 前言

在航空、航天、船舶等機械加工領域，5坐標數控機床在復雜零件的加工中得到了廣泛應用。一臺5坐標機床具備良好的5軸幾何精度，且數控系統具備高精度的5軸控制精度是保證復雜零件加工精度必不可少的前提條件。但5坐標機床在實際使用過程中，5軸頭的幾何精度在安裝、維修過程中會產生誤差，并隨著使用年限的增加而逐漸降低。5軸頭幾何精度降低后，通常采用2種方法進行修復，機械修復和數控系統補償。前一種方法可較徹底的解決，5軸頭幾何精度下降問題，但一次性投入成本較高，一般在幾何精度嚴重下降時使用；后一種方法依賴于數控系統是否具備5坐標補償功能，若數控系統不具備該功能，則需要在后置處理中進行相應的調整，一般在幾何精度下降較小時使用。

為了使數控系統更好的完成對5坐標機床的運動控制，提升數控系統與機械結構之間的匹配性，世界上主要的數控系統生產商不斷完善、改進其數控系統的5坐標控制功能。FANUC公司的15i系列數控系統相比之前的15系列數控系統，5坐標控制功能更加完善，降低了數控機床在后置處理時的處理難度，更為用戶在5坐標機床的日常維修中提供了一些便捷的維修方式。

1 5坐標補償的原理

在進行5坐標幾何精度補償之前，維修者需首先理解數控系統五坐標補償的原理。以5坐標機床幾何精度檢測項目中的C軸旋轉中心和主軸旋轉中心同心度為例進行說明。

如圖1所示，其中A點為C軸旋轉中心，B點為主軸旋轉中心，在機械精度良好的情況下，則圖中X=0，Y=0，即兩旋轉中心完全重合。但5軸頭隨著使用年限的增加，圖中A點和B點會逐漸不重合，即X＞0，Y＞0，其結果將導致刀尖在實際使用過程中的軌跡偏離理論加工軌跡，即零件外形尺寸產生誤差。

數控系統的五5坐標補償功能即可解決上述問題。在機床加工零件之前，將圖1所示的A點和B點之間的偏差值X和Y輸入數控系統，數控系統會在插補運算時自動對上述偏差值進行計算，以保證刀尖的運行軌跡和實際編程軌跡吻合。

2 5軸頭的機械結構形式

5坐標機床根據3個直線坐標X，Y，Z有A，B，C的3個旋轉坐標與之對應。根據加工對象的不同，3個旋轉坐標兩兩進行組合，組成5軸加工頭。常見的5軸頭形式有C/A，C/B，A/B等結構形式（圖2），字母的先后順序決定了那個旋轉軸為主導軸。在一些特殊加工場合，5坐標機床也可采用轉臺的形式組成5坐標形式（圖3）。在FANUC 15i數控系統中配置五坐標關系時，數控系統的內部配置必須和數控機床5坐標機械配置形式完全一致，這是保證數控系統進行正確插補運算的關鍵。

在進行5坐標補償之前，維護者必須確定5軸頭的結構形式，這是進行5坐標補償工作前進行幾何測量的前提條件。

圖1 C軸和主軸旋轉中心空間關系

3 FANUC-15i數控系統的5坐標配置

如前所述，為保證數控系統對5坐標數控機床的正確控制，在FANUC 15i數控系統中進行5坐標配置時，必須保證和機械結構完全一致。以C/A5軸頭結構形式為例（圖2）。

圖2 C/A結構5軸頭

刀具坐標方向Z軸；坐標配置X，Y，Z，A，C；旋轉坐標A，C；主旋轉坐標C。根據此配置，在FANUC-15i系統參數中進行設置，見表1。

4 FANUC-15i數控系統的5坐標補償功能

4.1 主軸中心線相對C軸中心線的同心度誤差補償

4.1.1 誤差測定方法

（1）保證主軸徑向跳動，A，C軸0°位置滿足幾何精度要求。

（2）在C軸0°時將檢測芯棒裝到主軸上，在芯棒的X，Y方向分別放置一塊百分表，并將百分表調零。

（3）取消FANUC-15i系統的5坐標聯動模式。

（4）將C軸在0～315°的范圍內每45°旋轉1次，并分別記錄2塊百分表的測量數值（圖4）。

（5）測量完成后，分別將C軸0°和180，45°和225°，90°和270°，135°和315°在X，Y方向的測量值相加并除以2。

（6）對上述在X，Y方向的數值求平均值，從而得出C軸旋轉中心和主軸旋轉中心在X，Y方向的平均偏差值。

4.1.2 FANUC-15i同心度補償方法

在FANUC-15i系統的5坐標補償功能中，參數7519用于進行C軸和主軸同心度的補償，該參數主要用于沿刀具坐標方向的長度補償功能，用于設置從第一旋轉軸至第二旋轉軸的矢量誤差。

（1）根據在4.1.1中測定的C軸和主軸同心度在X，Y方向的平均偏差值，按照百分表放置的位置，判斷測誤差值的方向，將同心度在X，Y方向的誤差值輸入FANUC 15i系統參數7519相應的位置之中（圖5）。

（2）將數控機床返回參考點后，在EDIT模式下執行G43.4，使數控系統置于五坐標聯動模式。

（3）按4.1.1中（2）～（3）步驟所示方法進行測量，對補償效果進行校驗。

圖3 C/A轉臺結構

表1 FANUC 15i 5軸配置參數表

圖4 同心度誤差測量圖示

4.2 主軸中心線相對A軸旋轉中心線的誤差補償

在5坐標機床的5軸頭安裝、維修過程中，主軸中心線和A軸的旋轉中心線在Y軸方向會出現不重合的現象。在FANUC-15i的 5坐標控制功能中提供了針對這一現象的誤差補償功能。

圖5 參數7519設置界面

在FANUC-15i的5坐標補償功能中，參數7520主要用于上述誤差的補償。該參數主要用于沿刀具坐標方向設定主軸旋轉中心的補償矢量。誤差值的測量方法如下。

（1）保證主軸徑向跳動，A，C軸0°位置滿足幾何精度要求。

（2）在主軸上安裝一根標準芯棒（長度300 mm）用于誤差測量。

（3）如圖6所示，將A軸分別旋轉至0°，90°，-90°，根據FANUC-15i系統的坐標顯示值分別測量并計算出圖中所示L1，L2，L3，L4的數值。

（4）根據L1，L2，L3，L4的測量值按以下公式分別計算出當A軸在90°，-90°時的主軸中心線相對A軸旋轉中心線的偏差量可用式（1）和式（2）計算，式中E1，E2表示A軸90°，-90°時主軸中心線相對A軸旋轉中心線誤差量。

圖6 主軸相對A軸誤差

（5）將步驟（4）中所求得的E1，E2求平均值后輸入FANUC-15i 5坐標補償參數7520的Y軸位置（圖5）。

4.3 主軸端面至A軸旋轉中心的距離補償（轉心距）

轉心距對于5坐標機床而言是一個非常重要的技術參數，其不同于我之前所列舉的兩種補償情況。5軸頭的機械結構決定了刀具的安裝基準面至A軸的旋轉中心有一定的距離，在數控系統的五坐標控制功能中必須對這一段距離進行處理；此外，5軸頭安裝維修后，該距離也會發生變化。FANUC 15i系統5坐標控制功能中的系統參數7548用于轉心距的補償。

轉心距的具體數值可根據5.2中所測得的L1，L2，L3，L4進行計算，公式見（3）和（4）。

式中E3，E4表示A軸90°，-90°時所測得的轉心距長度，L5表示檢測芯棒的長度，D1表示檢測芯棒的直徑。

則轉心距的數值等于90°和-90°所測數值E3，E4的平均值。將該數值輸入FANUC 15i系統參數7548中即可完成轉心距補償。

5 結語

FANUC-15i數控系統提供了豐富的5坐標補償功能，為5坐標機床的5軸頭維修提供了更多的解決方案。補償功能的應用，對FANUC公司最新數控系統的5坐標補償功能，也具有實際借鑒意義。

［1］FANUC Series 15i MODEL A PARAMETER MANUAL.B-63330 EN/03[M].JAPAN，FANUCLTD，1999.

［2］張策，高斯脫等，機床實驗的原理和方法[M].北京：機械工業出版社，1986.

〔編輯 利文〕

TP273

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.19