五坐標雙擺銑頭主軸回轉中心距測量分析

王勇

[摘 要]本文通過簡要介紹五軸聯動數控機床雙擺銑頭，論述五坐標雙擺銑頭主軸回轉中心距的測量計算方法，結合數控系統進行分析，實現五軸聯動數控機床加工精度提高，解決五坐標雙擺銑頭安裝調試維修調整問題，從而達到提高數控機床維修效率的目的，使數控機床的維修邁上一個新臺階，具有一定應用價值。

[關鍵詞]回轉中心距? 測量 分析

1 概述

現代信息科學技術的發展對裝備制造業注入了強勁的動力，同時也對它提出更強要求，更加突出了機械裝備制造業作為高新技術產業化載體在推動整個社會技術進步和產業升級的原動力，以五軸聯動數控機床為標志的機械裝備制造業將伴隨著高新技術和新興產業的發展而共同進步。五軸聯動數控機床代表機床制造業最高境界，是一個國家制造業水平的象征。

五軸聯動數控機床是航空工業先進制造技術的重要組成部分，在現代飛機研制生產中具有舉足輕重的作用。數控機床的精度水平直接影響著航空先進技術的發展，尤其是制約著現代飛機設計中廣泛采用的復雜型面大型整體結構件的推廣應用。具有優異性能的飛機鈦合金結構件的發展，推動了具有強力加工特性的五軸聯動數控機床的技術進步，對數控機床的五軸聯動精度提出了越來越高的要求。

五軸聯動數控機床的五個坐標軸通常是由三個直線軸外加兩個回轉軸組成，其結構有多種形式，如銑頭雙擺式、工作臺擺動式、銑頭擺工作臺回轉式等。以雙擺銑頭為例，又分為插式BC擺銑頭和AB擺銑頭兩種。圖1中①不帶TRAORI指令的加工運動，②帶TRAORI指令的加工運動。

機床執行RTCP功能，刀具中心點和刀具和工件表面的實際接觸點將維持不變，此時刀具中心點落在刀具與工件表面實際接觸點處的法線上，而刀柄將圍繞刀具中心點旋轉，對于球頭刀而言，刀具中心點就是數控代碼的目標軌跡點。為了達到讓刀柄在執行RTCP功能時能夠單純地圍繞目標軌跡點（即刀具中心點）旋轉的目的，就必須實時補償由于刀柄轉動所造成的刀具中心點各直線坐標的偏移，這樣才能夠在保持刀具中心點以及刀具和工件表面實際接觸點不變的情況，改變刀柄與刀具和工件表面實際接觸點處的法線之間的夾角，起到發揮球頭刀的最佳切削效率，并有效避讓干涉等作用。因而RTCP是站在刀具中心點上，處理旋轉坐標的變化。

在五軸聯動數控機床的日常維修中，必要時需要對主軸進行拆卸維修，維修完成后重新安裝。這樣以來，由于重新裝配導致從主軸端面到B軸軸線的主軸回轉中心距發生改變。回轉中心距測量不準會造成五軸聯動誤差過大，如未能及時修改數控系統參數，將直接影響機床RTCP精度。準確測量回轉中心距并正確修改相關數控系統參數，直接關系到機床維修質量和機床加工精度。

2 測量計算方法

五坐標雙擺銑頭中BC擺銑頭和AB擺銑頭兩種最為常見。五軸數控龍門銑床通常裝配BC擺銑頭，其中B軸行程≧±90°。當五軸數控龍門銑床回轉坐標為主軸選裝的機床，在回轉坐標能夠±90°旋轉時，主軸回轉中心距的測量方法如圖4所示。

圖3中機床主軸安裝測量芯棒，G為B軸回轉中心點，M為主軸回轉中心距，C為測量百分表，R為測量芯棒半徑。A圖為B軸旋轉至0°時，當主軸下端面接觸C表，記下C表數值，同時記錄當前Z坐標值Z1;B圖為B軸旋轉至90°時，當測量芯棒下端母線接觸C表，C表數值如A圖時數值，同時記錄當前Z坐標值Z2。由A、B兩圖幾何關系可得出

五軸數控立式銑床通常裝配AB擺銑頭，其中B軸行程≧±30°。當五軸數控龍門銑床回轉坐標為主軸選裝的機床，在回轉坐標能夠±30°旋轉時，主軸回轉中心距的測量方法如圖5所示。

圖4中機床主軸安裝測量芯棒，G為B軸回轉中心點，M為主軸回轉中心距，C為測量百分表，R為測量芯棒頂端球頭半徑。A圖為B軸旋轉至0°時，當主軸下端面接觸C表，記下C表數值，同時記錄當前Z坐標值Z1;B圖為B軸旋轉至30°時，當測量芯棒下端球頭接觸C表，C表數值如A圖時數值，同時記錄當前Z坐標值Z2。由A、B兩圖幾何關系可得出

3 參數分析與驗證

以SIEMENS SINUMERIK 840D數控系統為例，MD24100 $MC_TRAFO_TYPE_1=24;定義五坐標銑頭形式，24代表雙擺銑頭形式。

MD24500 $MC_TRAFO5_PART_OFFSET_1[2]=-M;MD24550 $MC_TRAFO5_BASE_TOOL_1[2]=M; 是調整主軸Z向回轉中心距的參數。

通過修改上述數控系統參數，使機床正確執行RTCP功能。檢測RTCP運動精度來驗證主軸Z向回轉中心距測量和數控系統參數是否正確。

RTCP運動精度的檢測是通過在機床主軸上安裝百分表，沿法向觸及固定在工作臺上的球頭的表面，通過編程驅動各坐標繞球頭的球心旋轉運動測得。此檢測方法實施簡單、方便快捷，而且能夠有效避免其他因素帶入的干擾誤差，是目前五軸數控機床聯動精度檢測最常用的方法。

4 結論

根據五軸聯動數控機床維修的需求，結合數控系統功能，對五坐標雙擺銑頭主軸Z向回轉中心距的測量進行分析、研究達到了預期效果，解決設備維修需求。針對回轉中心距的測量分析確實值得研究總結，原理性的分析研究為今后的設備維修工作積累了大量的經驗，對于今后應用具有極大的參考和推廣價值。五軸聯動數控機床在航空先進制造領域的性能發揮和工程應用水平的提高任重而道遠。

[參考文獻]

[1] SIEMENS，SINUMERIK 840D Tool and Mold Making Manual，GERMANY：SIEMENS? AG，2004;

[2] SIEMENS，SINUMERIK 840D Special Functions Function Manual，GERMANY：SIEMENS? AG，2006。