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提高雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床加工精度方法研究

2021-3-4 來(lái)源：廣州數(shù)控信息科技有限公司作者：劉風(fēng)帆

摘要：精度是五軸機(jī)床最重要的技術(shù)指標(biāo)，它直接決定加工產(chǎn)品的精度和表面質(zhì)量，因此機(jī)床精度是機(jī)床制造商和機(jī)床用戶共同關(guān)注的焦點(diǎn)。先進(jìn)五軸機(jī)床多數(shù)配備高精度探頭，并且具備自動(dòng)調(diào)整精度的自適應(yīng)能力，有一些五軸機(jī)床不具備昂貴的探頭工具，也不支持自動(dòng)校正的功能，一旦五軸機(jī)床精度喪失，機(jī)床用戶需花巨額的費(fèi)用聘請(qǐng)具有資質(zhì)的檢測(cè)單位進(jìn)行調(diào)整，浪費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力。本文針對(duì)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控系統(tǒng)功能的工作原理進(jìn)行分析，介紹如何通過(guò)一些簡(jiǎn)易的方法快速提高機(jī)床加工精度，減少機(jī)床的停機(jī)時(shí)間，提高機(jī)床產(chǎn)值和產(chǎn)能，間接地為公司企業(yè)創(chuàng)造效益。文章從五軸功能的工作原理出發(fā)，闡述如何通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)來(lái)提高雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床的加工精度，解決機(jī)床加工不合格的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：雙轉(zhuǎn)臺(tái)；五軸數(shù)控機(jī)床；精度；企業(yè)效益

1、機(jī)床加工精度

我司在利用雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床加工腕體零件時(shí)，出現(xiàn)個(gè)別形位公差不合格的現(xiàn)象。該零件為典型的五面體零件，有兩個(gè)孔的同軸度要求在 0.025mm 以內(nèi)，但這兩孔中間的特征小，屬于兩頭大，中間小的產(chǎn)品，無(wú)法從一個(gè)方向進(jìn)行加工，所以選擇使用雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床一次性裝夾，從兩個(gè)方向進(jìn)行加工。但工件加工后的同軸度均在 0.04mm以上，不能達(dá)到圖紙的加工要求，經(jīng)過(guò)調(diào)整加工工藝，問(wèn)題依然存在。最后，公司決定對(duì)機(jī)床精度進(jìn)行檢測(cè)。

2、機(jī)床加工精度檢查

造成五軸機(jī)床加工精度差的因素有很多，各平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸定位精度、重復(fù)精度的影響，機(jī)床幾何精度的影響，環(huán)境溫度的影響，五軸結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的影響等。為此，針對(duì)各個(gè)可能產(chǎn)生的影響作一一排查：利用激光干涉儀對(duì)平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸對(duì)定位精度進(jìn)行檢測(cè)，并重新進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償。利用方尺、平尺、角尺等工具對(duì)機(jī)床幾何精度進(jìn)行檢測(cè)。均未發(fā)現(xiàn)很大的偏差，不是問(wèn)題的根源所在，最后針對(duì)五軸結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。

目前先進(jìn)的五軸數(shù)控系統(tǒng)均具備五軸聯(lián)動(dòng) RPCP 功能和傾斜面加工功能，操作者在使用這些功能時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)根據(jù)輸入的 NC 程序進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)調(diào)用機(jī)床的一些數(shù)據(jù)信息，而這些數(shù)據(jù)信息如果不能準(zhǔn)確反映機(jī)床的真實(shí)情況時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)也就會(huì)出現(xiàn)偏差，也就會(huì)造成機(jī)床的加工精度變差，不能達(dá)到用戶的使用要求。而機(jī)床在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中受溫度、以及絲桿導(dǎo)軌磨損等因素的影響，實(shí)際的位置必然會(huì)產(chǎn)生變化，比如轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的位置發(fā)生位移，而系統(tǒng)本身不能檢測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際位置，系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)并不是機(jī)床當(dāng)前真實(shí)的位置，所以就造成腕體零件加工不合格的根源所在。

下面將詳細(xì)介紹與五軸加工精度相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)以及如何進(jìn)行校正。

3 、五軸相關(guān)參數(shù)

五軸機(jī)床在出廠前除了調(diào)試好基本功能外，還需對(duì)五軸相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。以廣州數(shù)控 GSK25I 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)為例，介紹雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床的調(diào)試過(guò)程：

①機(jī)床結(jié)構(gòu)類型參數(shù)（8010）：雙轉(zhuǎn)臺(tái)類型的五軸機(jī) 床，參數(shù)設(shè)置為“12”。“0”沒(méi)有旋轉(zhuǎn)軸“2”雙擺頭（分別用第一軸和第二軸做主從軸）“12”雙轉(zhuǎn)臺(tái)（分別用第一軸和第二軸做主從軸）“21”擺頭+轉(zhuǎn)臺(tái)（第 1 旋轉(zhuǎn)軸為刀具旋轉(zhuǎn)軸，第 2 旋轉(zhuǎn)軸為工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸）

②第一旋轉(zhuǎn)軸軸向參數(shù)（8012）和第二旋轉(zhuǎn)軸的軸向參數(shù)（8016）：以 AC 雙轉(zhuǎn)臺(tái)為例：主動(dòng)軸為 A 軸，第一旋轉(zhuǎn)軸軸向參數(shù)（8012），設(shè)置為“1”，從動(dòng)軸為 C 軸，第二旋轉(zhuǎn)軸的軸向參數(shù)（8016）設(shè)置為“3”。

③刀具軸方向參數(shù)（8019），以立式五軸機(jī)床為例，參數(shù) 8019# 設(shè)置為“3”Z 軸。

④轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置參數(shù)（8020）：轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置是第二旋轉(zhuǎn)軸的軸心處“機(jī)床坐標(biāo)值”。以 AC 雙轉(zhuǎn)臺(tái)為例，為 C 轉(zhuǎn)臺(tái)的軸心位置。

⑤第一旋轉(zhuǎn)軸到第二旋轉(zhuǎn)軸的偏置矢量參數(shù)（8021）：此參數(shù)是一個(gè)矢量，矢量起點(diǎn)為主動(dòng)軸軸心，終點(diǎn)為從動(dòng)軸軸心，參照為機(jī)床坐標(biāo)系。以 AC 雙轉(zhuǎn)臺(tái)為例，如果C 轉(zhuǎn)臺(tái)在 A 轉(zhuǎn)臺(tái)之上，此參數(shù)為正，如果為“搖籃式”結(jié)構(gòu)，此參數(shù)為負(fù)。

4 、五軸加工精度校正

①旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置 XY 軸檢查：利用高精度尋邊器對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)止口進(jìn)行分中，完畢之后將基準(zhǔn)孔中心位置的 XY 軸機(jī)械坐標(biāo)值設(shè)置到系統(tǒng)參數(shù)8020#X 和 Y 上。

②檢查參數(shù) 8020Z 方向的數(shù)值，利用高精度 Z 軸設(shè)定器檢測(cè)主軸端面到 C 軸工作臺(tái)的機(jī)械坐標(biāo)值，并修正參數(shù)。將 A 軸移動(dòng)至+90°工作臺(tái)垂直狀態(tài)，利用尋邊器，尋找工作臺(tái)面 Y軸的機(jī)械坐標(biāo)位置，記錄數(shù)值。再將 A 軸移至-90°工作臺(tái)垂直狀態(tài)，尋找工作臺(tái)面 Y 軸的機(jī)械坐標(biāo)位置，記錄數(shù)值。將兩組數(shù)據(jù)相減再除以 2，即可得出 8021Z軸的數(shù)據(jù)。XY 軸數(shù)據(jù)默認(rèn)為零。

③球頭檢棒檢查五軸聯(lián)動(dòng)動(dòng)態(tài)精度：調(diào)整好參數(shù)之后，利用球頭檢棒檢查五軸的工作精度，分別檢測(cè) A 軸、C 軸、以及 AC 聯(lián)動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)精度。觀察千分表的跳動(dòng)情況，并修改參數(shù) 8020 和 8021，直到表跳動(dòng)的刻度在公差范圍內(nèi)。球頭檢棒安裝好后，測(cè)量好主軸端面到球心的長(zhǎng)度（135.351mm），將數(shù)值寫入系統(tǒng)中。先檢測(cè) C 軸，將主軸移至離旋轉(zhuǎn)中心約 60mm 處，校

表吸在工作臺(tái)面上，調(diào)整校表的位置使指針接觸圓球的側(cè)面（盡量找到圓球的最大直徑處），壓表 0.1mm 左右，在系統(tǒng) MDI 方式下執(zhí)行：“G43.4H1C360”指令，觀察表針在四個(gè)象限的跳動(dòng)情況，反復(fù)調(diào)整，直至指針跳動(dòng)在 0.005mm范圍時(shí)則視為通過(guò)檢測(cè)。

同樣的方法檢測(cè) A 軸，不過(guò) A 軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度只能旋轉(zhuǎn)-30°～100°，此時(shí)注意程序的編寫，不要超出行程。同樣當(dāng)表針跳動(dòng)在 0.005mm 范圍時(shí)則視為通過(guò)檢測(cè)。再檢測(cè) AC 軸聯(lián)動(dòng)的動(dòng)態(tài)精度，同樣方法當(dāng)表針跳動(dòng)在 0.005mm 范圍時(shí)則視為通過(guò)檢測(cè)。

5 、工件對(duì)刀

①找正工件坐標(biāo)系：使用五軸功能時(shí)，工件可以不用放在轉(zhuǎn)臺(tái)中心，但是必須要注意坐標(biāo)系測(cè)量的順序?；镜臏y(cè)量順序?yàn)椋篈軸設(shè)置：將可傾軸 A 軸放置水平狀態(tài)時(shí)設(shè)置為 A軸零點(diǎn)。

C 軸設(shè)置：通常的做法是毛坯的長(zhǎng)邊平行于工件的 X軸，做法同樣是利用千分表進(jìn)行校正。X、Y 軸設(shè)置：X、Y 軸方法與三軸機(jī)床的設(shè)置方法一致，根據(jù)編程需要進(jìn)行設(shè)置。X、Y 軸對(duì)刀時(shí)不可再移動(dòng) A、C 旋轉(zhuǎn)軸。Z 軸設(shè)置：主軸不裝刀具，移動(dòng) Z 軸，當(dāng)主軸端面碰到工件上表面時(shí)設(shè)置為 Z 軸工件坐標(biāo)系零點(diǎn)（編程零點(diǎn)在工件上表面），操作時(shí)可借助 Z 向設(shè)定器進(jìn)行對(duì)刀，防止損壞主軸或工件。

②刀長(zhǎng)設(shè)置：五軸機(jī)床一般都使用絕對(duì)刀長(zhǎng)，即其刀長(zhǎng)偏置 H 值為由主軸端面到刀尖的長(zhǎng)度，測(cè)量方法是利用 Z 向設(shè)定器測(cè)量刀長(zhǎng)。

6 、校正前后工件加工對(duì)比

校正前，連續(xù)加工了五件，同軸度均不能達(dá)到圖紙0.025mm 的要求，校正機(jī)床以后，同樣加工五件，該位置的同軸度均在合格范圍內(nèi)，達(dá)到圖紙的設(shè)計(jì)要求。

表 1 孔￠78mm 和孔￠72mm 同軸度數(shù)據(jù)（單位：mm）

7、結(jié)束語(yǔ)

機(jī)床的加工精度直接影響加工工件的質(zhì)量，因此掌握五軸精度的檢驗(yàn)和校正方法有著重要的意義，而上述的校正補(bǔ)正的方法已經(jīng)在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的使用中發(fā)揮了重要的作用。通過(guò)這些簡(jiǎn)易的方法，機(jī)床操作者就可以進(jìn)行調(diào)整，無(wú)需花費(fèi)任何費(fèi)用便達(dá)到了提高機(jī)床精度的目的，為企業(yè)減少不必要的開(kāi)支，而且充分利用了機(jī)床，增加了機(jī)床的產(chǎn)能和產(chǎn)值。

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