數控系統在五軸葉片專機的應用

徐洪健

（上海諾倬力機電科技有限公司，上海201111）

0 引言

圖3 類型56

我國航空、航天工業的大力發展對于國產機床是千載難逢的機遇及挑戰，我司緊緊抓住這次機遇，針對葉片、葉輪行業自主研發制造了幾款專機（圖1），在機床結構設計和制造等方面吸收了國內外先進技術，按模塊化設計方法開發研制，是融先進機電技術為一體的高科技產品，并實現了對進口產品的全面超越及替代。

五軸機床主要應用于航空航天、汽車等領域，有的新產品零件及成型模具形狀很復雜，精度要求也很高，而具備高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力的五軸數控加工中心可很好地解決復雜零件加工的精度和周期問題，大大縮短研發周期，提高新產品的成功率。針對五軸機床功能的特殊性，本文主要做以下介紹：

圖1 機床外觀圖

1 五軸功能

所有五軸功能的設定一般通過機床數據設定來實現，需經過精確計算和多次測試，從而保證功能的穩定性。五軸轉換原理（TRAORI指令）是一種特殊的坐標轉換，如同TRANSMIT（端面銑削）、TRACYL（柱面銑削）、TRAANG（斜軸功能）的坐標轉換，在系統中設置5個機床軸（直線軸和旋轉軸）的幾何關系及尺寸鏈。在五軸轉換狀態下，系統根據配置的數據，自動實時將編程指令轉換成各個機床軸運動指令，達到編程指令的軌跡要求。840D sl支持20組坐標轉換。

2 五軸參數設置

五軸機床的軸分配規定為：三個直線軸分別對應五軸的第一、二、三軸，第一旋轉軸對應第四軸，第二旋轉軸對應第五軸；第一旋轉軸的運動會改變第二旋轉軸的傾向。

通用五軸轉換模型，支持以下三種結構：

2.1 轉換類型（設定參數MD24100）

2.1.1 轉換類型24

刀具旋轉類型，C軸為1st旋轉軸，B軸為2nd旋轉軸，兩個旋轉軸都在主軸側。這種類型（圖2）主要應用于五軸龍門機床，可進行多面體及大型船用螺旋槳、葉輪等曲面加工。

2.1.2 轉換類型56

刀具旋轉+工件旋轉，刀具旋轉軸B軸為1st旋轉軸，工件旋轉軸C軸為2nd旋轉軸，兩個旋轉軸，一個在主軸側，另一個在工件側。這種形式（圖3）的五軸頭多用于專機型五軸，我司葉片五軸專機應用了這個形式結構。

2.1.3 轉換類型40

工件旋轉，B軸為1st旋轉軸，C軸為2nd旋轉軸，兩個旋轉軸都在工件側。這種（圖4）就是我們常說的搖籃轉臺，主要應用于小型回轉類零件加工，如葉輪、磨具等產品。

圖4 類型40

2.2 根據轉換類型56做五軸方面的設置

2.2.1 定義參與五軸轉換的通道軸[步驟1：設定MD24110、MD24120（通道軸號）]

TRAFO_AXES_IN(MD24110)：設置參與五軸轉換的通道軸。

TRAFO_GEOAX_ASSIGN_TAB_1(MD24120)：設置五軸轉換的幾何軸。

五軸轉換：

MD24110 TRAFO_AXES_IN[0..2]：X/Y/Z軸 參與轉換的直線軸。

MD24110 TRAFO_AXES_IN[3]：B軸1st旋轉軸。MD24110 TRAFO_AXES_IN[4]：A軸2nd旋轉軸。

2.2.2 旋轉軸定義（步驟2：設定MD24570、MD24572）

TRAF05_AXIS1(MD24570)：定義1st旋轉軸

TRAF05_AXIS2(MD24572)：定義2nd旋轉軸索引號：

[0]：圍繞X軸旋轉——A軸；

[1]：圍繞Y軸旋轉——B軸；

[2]：圍繞Z軸旋轉——C軸。

根據以上參數的定義設置：

MD24570TRAF05_AXIS1[1]=1；設置第一回轉軸（B軸）圍繞Y軸旋轉。

MD24572TRAF05_AXIS2[0]=-1；設置第二回轉軸（A軸）圍繞X軸旋轉。

2.2.3 刀具矢量方向（步驟3：設定MD24574）

Base_Orient：定義刀具矢量方向，一般都是沿Z軸方向。

Base_Orient[0]：沿X軸方向；

Base_Orient[1]：沿Y軸方向；

Base_Orient[2]：沿Z軸方向。

根據以上參數的定義設置：

MD24574 Base_Orient[2]=1：刀具矢量Z方向。

2.2.4 五軸的幾何參數（步驟4：設定MD24500、MD24550、MD24558、MD24560）

2.2.4.1 幾何尺寸設定

MD24500——Part_Offset；

MD24550——Base_Tool；

MD24558——Joint_Offset_Part；

MD24560——Joint_Offset。

2.2.4.2 類型56

Base_Tool：刀具基準點到1st旋轉軸的回轉中心；

Joint_Offset：1st旋轉軸的回轉中心到刀具基準點；

幾何關系：Joint_Offset=-Base_Tool。

Joint_Offset_Part：機床零點到2nd旋轉軸的回轉中心；

Part_Offset：2nd旋轉軸的回轉中心到機床零點；

幾何關系：Part_Offset=-Joint_Offset_Part。

3 以BA混合式機床為例說明參數輸入情況

硬件要求：（1）3D表；（2）千分表；（3）3D測量球。

幾何數據的取得主要有兩種途徑：（1）成品機械部件可由制造商提供幾何尺寸，由于零部件加工及裝配過程中肯定會存在一些零件本身的誤差和人為裝配誤差，所以必須要借用工具進行多次測量補正。（2）借助工具在機床上測量。

3.1 Joint_Offset=-Base_Tool刀具基準點和1st旋轉軸的回轉中心尺寸鏈測量

在Z向借用3D表和千分表測量，首先要知道測量工具長度L：

（1）主軸抓取3D表，Z軸方向上找高點對表（千分表），讀表固定數Z0（圖5），例如：表數為0.10。

（2）千分表對主軸鼻端（圖6），讀表固定數Z1。

圖5 3D表和千分表測量

圖6 千分表對主軸鼻端

（3）通過兩次機床坐標讀取求出刀長。

其次，借用工具3D表和3D測量球求主軸鼻端到B軸軸線Z向的距離。主軸抓取3D表，B軸為0°。在Z軸方向上找測量球高點，讀表固定數（圖7），例如：表數為0.10。

B軸旋轉90°，對測量球上沿高點（圖8）。

圖7 B軸為0°時進行量測

圖8 B軸旋轉90°時進行量測

用B軸0°的Z軸坐標Z10減去B軸90°的Z軸坐標Z11，去除刀長240.5，再加上3D表球的半徑（因為B軸0°時，減去刀長多減了3D球的半徑1.977）。

設置：MD24550 Base_Tool[2]=-ZL；MD24560 Joint_Offset[2]=ZL。

3.2 B軸軸線與主軸軸線偏差尺寸鏈測量

B軸旋轉90°時，對測量球上沿高點，Z軸坐標為Z20；B軸旋轉-90°時，對測量球上沿高點，Z軸坐標為Z21。

通過計算：Z20-Z21=ZX，單邊差：ZH/2（即X向B軸軸線和主軸軸線偏差），判斷確定主軸中心線偏移方向。

設置：MD24550 Base_Tool[0]=-ZX；MD24560 Joint_Offset[0]=ZX。

3.3 Part_Offset=-Joint_Offset_Part機床零點和2nd旋轉軸的回轉中心尺寸鏈測量

在Z向借用3D表，Z軸方向上找A軸盤面高點對表（千分表），讀表固定數Z30（圖9），例如：表數為0.10。

圖9 Z軸方向尋找A軸盤面高點

4 精優曲面的設置

精優曲面是用于模具加工的功能，包含G功能、壓縮器、輪廓控制、預讀等功能。使用精優曲面的最簡單方法是在模具加工程序中使用Cycle832循環，其一是在程序編輯器中有支持畫面，其二是一般CAM系統里有相應的后處理（如UG的NX軟件），如果靠輸入各個功能指令比較繁瑣。精優曲面的激活需要設置若干機床參數，為此西門子專門提供機床參數設置檢查程序。使用精優曲面的步驟為：

（1）將機床數據檢查程序拷貝進系統；

（2）修改參數MD11420≥10，并生效；

（3）運行該程序，會在子程序目錄中生成一個新的程序（MDADVS.SPF）；

（4）機床數據檢查程序會比較系統當前的設置與標準設置的區別，并在新生成的程序中顯示出來；根據這個新生成程序的提示修改系統的設置。

5 五軸轉換指令TRAORI

用TRAORI指令可以激活五軸轉換功能，能進行同步五軸加工，TRAORI指令編程時，NC程序中參考尺寸發生變化，線性軸X、Y、Z的坐標關系到刀尖的位置。如果除了線性位置之外還編程了定向變化，則通過線性軸的補償運動來補償回轉軸對刀尖位置的影響。除了明顯的回轉軸位置編程外，TRAORI還確定了基本的刀具定向信息的使用，該信息允許獨立于運動，對定向進行編程和插補。使用其他刀具的長度時，系統自動從刀具列表中接收、計算新的刀具數據，所編程的進給率始終關系到相對于工件的相對運動。

指令說明如下：TRAORI（n），激活用n個配置的定向轉換；n轉換的編號（n=1或n=2）；TRAORI（1）與TRAORI相同。

TRAFOOF取消五軸功能轉換。

6 結語

目前國產五軸機床在深耕和細分市場，在航空類零部件加工領域五軸機床不可或缺，需要所有機床人努力打造“國之重器”，為實現替代進口的目標而努力。

[1]編程手冊：SINUMERIK 840D sl/828D基礎部分[Z].

[2]DOConCD SINUMERIK V4.7 SP2(01 2016)[Z].

[3]簡明調試手冊：SINUMERIK 840D sl/828D基礎部分[Z].