高速立式五軸聯動雕銑中心的開發(fā)與應用

張 健 ,霍鳳偉 ,姜成偉

(1.營口理工學院機械與動力工程學院,遼寧營口 115014;2.通用技術集團沈陽機床有限責任公司中捷友誼廠,遼寧沈陽 110142)

0 引言

高速立式五軸聯動雕銑中心是數控機床中難度最大的,主要應用于連續(xù)、平滑復雜曲面類零件的高效、精密、自動化加工。國際上通常把五軸聯動數控技術作為一個國家制造裝備自動化發(fā)展水平的標志之一。早期,由于其技術門檻和應用成本較高,僅僅用于航空、航天、軍事工業(yè)等領域。近年來,隨著航空航天高技術的轉化應用,以及民用消費產品設計技術的提升,高速五軸雕銑中心逐步向民用領域進行推廣應用[1-2]。

國內貴金屬加工行業(yè)技術水平不高,目前大部分以手工作業(yè)為主、半機械化操作為輔的生產方式,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域,為了保證首飾的美觀性,其幾何結構往往采用復雜的自由曲面,同時為了減少同體積貴金屬材料的質量(克重)以節(jié)約成本,通常產品設計成薄壁結構,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計模型有所偏差,且壁厚分布不均勻即有薄有厚。采用傳統的數控加工技術,廢品率較高,急需配置在機測量技術的高速五軸雕銑中心。

目前工業(yè)自動化技術和智能制造技術發(fā)展很快,貴金屬首飾行業(yè)客戶也逐漸意識到有些品類的產品完全可以采用先進的高速五軸雕銑中心進行加工。市場上針對貴金屬首飾加工的高檔數控機床主要由歐洲一些專用數控機床制造商提供,國內在該領域還處于發(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品尤其迫切。

1 五軸機床總體設計

1.1 機床總體布局

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

圖1 機床總體布局

1.2 機床主要技術參數

根據行業(yè)市場需求,確定該機床的主要技術指標。

工作臺最大行程(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

主軸最高轉速:40 000 r/min

主軸電機功率:2.5 kW

X/Y/Z軸快移:24 m/min

A/C軸旋轉角度:±135°/360°

刀庫型式:直排

刀庫驅動形式:氣動

刀庫刀具數量:12 把

機床數控系統:國內i5 數控系統

1.3 機床主要技術特點

機床結構采用主軸豎直、十字交叉滑板,三個直線軸設計在主軸側,兩個回轉軸呈搖籃式且設計在零件側的布局型式。這種方案,零件在切削過程中的重量變化不會對直線坐標軸的動態(tài)性能造成負面影響。機床床身中間倒錐漏斗形設計,可以保證貴金屬切屑集中回收。

機床三個直線坐標軸采用交流伺服電機和高精度滾珠絲杠直接聯結,結構緊湊,傳動精度高;采用直線滾動式導軌,摩擦阻力小,可以實現高剛性,切削進給時無爬行現象。兩個回轉軸采用交流伺服電機和高精度減速傳動機構,不僅定位精度高,而且穩(wěn)定性和抗沖擊性能好。

機床配置高速電主軸,最高轉速可達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,加工表面質量好。

機床具有刀具自動交換功能,刀庫容量為12把,可以根據加工工藝需求配置不同種類的刀具。

該機床同時具有工件在機測量系統和刀具自動測量功能,一方面可以測量工件毛坯表面的幾何坐標數據,另一方面也可以檢測刀具磨損和破損情況。

2 五軸機床關鍵技術

2.1 RTCP 精度檢測技術

2.1.1 RTCP 功能簡介

RTCP 是“Rotational Tool Center Point”的縮寫,即旋轉刀具中心。該功能實現了以刀具中心進行編程[3],通過該功能可以直接在機床上針對雙轉臺管理刀具的空間長度補償。一般情況下,五軸機床的RTCP 補償值是先通過檢測工具或切削樣件進行測量。

國內i5 數控系統RTCP 參數設置界面如圖2所示。

圖2 RTCP 參數設置界面

2.1.2 RTCP 功能調試步驟

1)測量C軸軸線機械坐標值,填入RTCP_OFFSET1 X 和RTCP_OFFSET2 Y 中。如X軸、Y軸零點在C軸軸線上,可以將RTCP_OFFSET1 X 和RTCP_OFFSET2 Y 設為0。

2)開啟RTCP 功能,測量XY軸聯動回轉中心與C軸軸線坐標的差值,將差值疊加到RTCP_OFFSET1 X 和RTCP_OFFSET2 Y 中。

3)測量A軸軸線機械坐標值,填入RTCP_OFFSET1 Y 和RTCP_OFFSET1 Z 中,此時將RTCP_OFFSET2 Y 改為RTCP_OFFSET2 Y-RTCP_OFFSET1 Y 的值。

4)開啟RTCP 功能,測量YZ軸聯動回轉中心與A軸軸線坐標的差值,將差值疊加RTCP_OFFSET1 Y,RTCP_OFFSET1 Z 中,并同時修改RTCP_OFFSET2 Y 的值。

2.2 五軸加工后處理技術

后處理是計算機輔助編程軟件中基于零件CAD 模型進行的一系列加工設置后生成的刀具中心和刀軸矢量數據文件,該文件不能為數控機床控制系統識別,需進行相應地處理,轉換為數控機床能夠識別的加工程序文件[4]。

為討論方便,在此做以下設定:工件坐標系為OwXwYwZw;機床運動坐標系為ORXRYRZR,OwOR=h;刀具中心C0在工件坐標系中的坐標為(xc0,yc0,zc0);刀軸矢量a在工件坐標系中為(ax,ay,az),如圖3 所示;下面簡要討論機床運動坐標值X、Y、Z、A、C的計算方法。

圖3 五軸加工刀軸矢量轉動關系

2.2.1 AC 轉角的計算

對于該類五軸數控雕銑中心回轉軸回轉運動角度計算的思路是,回轉軸的運動是工作臺及夾具一方面繞著Z軸順時針轉動C角,另一方面繞X軸順時針轉動A角。A、C角的數值可以通過基本的三角函數關系解算。A、C軸轉動關系如圖3 所示。

2.2.2X、Y、Z位置坐標的計算

機床X、Y、Z軸的運動位置坐標,即是求刀具中心C0經工作臺及夾具回轉運動后在機床坐標系ORXRYRZR中的位置。

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

另外,需要指出的是,機床數控系統在開啟RTCP 功能時,回轉軸A、C運動引起的直線軸X、Y、Z位置坐標變化是由機床數控系統內部自動計算并進行實時補償。后置處理過程不需要把機床A、C回轉軸中心的偏差值代入求解,并且刀具中心和刀軸矢量數據也不需要進行幾何坐標的變換,只需計算出機床回轉軸的轉動坐標即可。

2.3 在機測量技術

2.3.1 在機測量簡介

在機測量技術是一種零件在不停機的狀態(tài)下進行的測量技術,可以實現零件在加工的過程前、過程中和過程后的自動化高精密的測量。此項技術不僅可以減少零件的周轉過程,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充加工編程等時間[5-6],保證了加工質量、降低廢品率、提高了加工效率,充分發(fā)揮機床的加工潛能。

由于在機測量技術的獨特優(yōu)勢,目前很多的數控加工機床都配備觸發(fā)式測頭實現高精度測量。但是,由于在機測量的應用環(huán)境復雜,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)范而有效的標定方法來減小測量誤差,進而提高在機測量系統的測量精度顯得尤為重要。

2.3.2 觸發(fā)式測頭的標定方法

(1)測頭安裝偏心的標定。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螺釘進行調整。

(2)測頭Z軸基準的標定。采用標準刀具或測試棒(長度量棒),以及標準塊規(guī)和環(huán)規(guī)設定長度標定基準位置。將標準刀具或測試棒安裝到機床上,然后緩慢移動標準刀具,使之與放置在環(huán)規(guī)面上的塊規(guī)接觸。通過標準刀具的長度和塊規(guī)的厚度,進而確定環(huán)規(guī)頂面的Z軸位置,并在當前工件坐標系內進行設定。接下來,將測頭安裝到機床上,使用測頭測量Z軸環(huán)規(guī)頂面(即基準),確定標準長度并將結果輸入到機床系統相關刀補參數中。

(3)測頭X、Y軸基準的標定。采用環(huán)規(guī)、千分表來輔助進行此項的標定。首先在XY平面上準確確定環(huán)規(guī)的中心。將環(huán)規(guī)放在機床工作臺上,千分表安裝在主軸端面,表針與環(huán)規(guī)內徑圓周表面接觸,緩慢旋轉直到在360 度范圍內表針顯示在一個固定讀數位置。保持機床的X、Y坐標不動,然后將測頭安裝到主軸上。測頭按照X+、X-、Y+、Y-四個基準方向運動并保持測頭上同一點與環(huán)規(guī)接觸,沿環(huán)規(guī)內徑徑向方向測量,測點坐標分別為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向標定的偏置值輸入到機床系統的對應參數中。

(4)測頭XY矢量方向的標定。采用環(huán)規(guī)、千分表來輔助進行此項的標定。首先在XY平面上準確確定環(huán)規(guī)的中心,然后保持機床的X、Y坐標不動,將測頭安裝到主軸上。接下來按照圓周不同方向n(n為正整數,數值越大,標定精度越高)等分角度間隔方向運動并保持測頭上同一點與環(huán)規(guī)接觸,沿環(huán)規(guī)內徑法向方向測量,得到測點分別為A1、A2,…,An。接著以環(huán)規(guī)半徑為基準,計算不同矢量方向測點處半徑誤差值R1,R2,…,Rn,再將此誤差值沿X、Y向進行分解,即可獲得各矢量方向測點處的誤差坐標分量,從而形成不同矢量方向的誤差補償標定參數。

3 五軸機床應用

3.1 在機測量測頭標定

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

圖4 觸發(fā)式測頭標定應用示例

采用內圓直徑為62 mm 的環(huán)規(guī),在圓周360 度上均勻布置60 個測量點,即圓周方向上每6 度布置一個測點。按照前述測頭標定規(guī)范流程進行操作,分別經過測頭偏心校正、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,然后在高速五軸聯動雕銑中心上進行實際測量。獲得環(huán)規(guī)的測量數據和標定結果如下: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。根據前文的標定方法計算不同矢量方向的誤差補償標定參數,進而生成帶標定補償的測量程序,然后再通過測量環(huán)規(guī)進行驗證。此次獲得的測量數據顯示,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,對測頭進行XY矢量方向標定,可以顯著提升測頭的測量精度,滿足貴金屬首飾在機測量和加工需求。

3.2 五軸聯動加工應用

在貴金屬首飾加工領域,通常產品設計成厚度在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。傳統的加工方法是根據理論設計模型編制數控加工程序,并且按照一定的切削深度來進行加工,這樣一方面會由于毛坯壁厚的不均勻而導致局部欠切或過切現象,甚至局部切漏的情況也時有發(fā)生;另外,這種切削方式毛坯材料去除量較大,從而會在一定程度上增加貴金屬材料的損耗率,造成生產成本上升。為了解決上述問題,就要求切削時必須按照毛坯的實際幾何形狀進行去除材料加工,即沿實際毛坯表面輪廓進行逐層均勻去除加工。基于此,五軸機床需要具有在機測量功能,實現毛坯先在機床上進行測量,獲得毛坯的真實幾何信息,然后再進行編程和銑削加工。

下面以復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行在機測量和實際切削加工。首先通過CAD/CAM 軟件進行理論設計模型測量路徑規(guī)劃和刀具路徑規(guī)劃、在機測量程序生成,然后進行機床在機測量標定和實際測量,進而生成毛坯真實曲面和補償加工刀具路徑,接下來運用后置處理算法生成補償加工的NC 程序。加工后的手鐲樣件經過檢測,滿足質量要求。

4 結語

本文以高速立式五軸聯動雕銑中心為研究對象,從五軸機床總體設計、關鍵技術以及五軸機床應用等進行了較為全面的研究,得到如下幾點結論:

1)該高速立式五軸雕銑中心總體采用模塊化設計,床身采用獨特漏斗型設計,以及優(yōu)質不銹鋼內防護可以確保貴金屬回收率高,回收方便。

2)該機床數控系統配置RTCP 功能,針對該雙轉臺結構五軸機床可有效管理刀具的空間長度補償,同時闡述了RTCP 功能應用的調試方法步驟。

3)推導出后置處理過程運動變換計算方法,同時指出該類機床應用過程中開啟和關閉RTCP 功能時,要注意后處理器的合理應用。為其他類似的五軸數控機床應用提供了借鑒。

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

5)以復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行在機測量和實際切削加工。加工后的手鐲樣件經過檢測,滿足質量要求,達到了預期效果。該方法可以推廣應用到其他類似的薄壁復雜曲面類零件的高精度加工領域。