数控系统在五轴叶片专机的应用

2018-05-31徐洪健

机电信息 2018年15期

徐洪健

（上海诺倬力机电科技有限公司，上海201111）

0 引言

图3 类型56

我国航空、航天工业的大力发展对于国产机床是千载难逢的机遇及挑战，我司紧紧抓住这次机遇，针对叶片、叶轮行业自主研发制造了几款专机（图1），在机床结构设计和制造等方面吸收了国内外先进技术，按模块化设计方法开发研制，是融先进机电技术为一体的高科技产品，并实现了对进口产品的全面超越及替代。

五轴机床主要应用于航空航天、汽车等领域，有的新产品零件及成型模具形状很复杂，精度要求也很高，而具备高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力的五轴数控加工中心可很好地解决复杂零件加工的精度和周期问题，大大缩短研发周期，提高新产品的成功率。针对五轴机床功能的特殊性，本文主要做以下介绍：

图1 机床外观图

1 五轴功能

所有五轴功能的设定一般通过机床数据设定来实现，需经过精确计算和多次测试，从而保证功能的稳定性。五轴转换原理（TRAORI指令）是一种特殊的坐标转换，如同TRANSMIT（端面铣削）、TRACYL（柱面铣削）、TRAANG（斜轴功能）的坐标转换，在系统中设置5个机床轴（直线轴和旋转轴）的几何关系及尺寸链。在五轴转换状态下，系统根据配置的数据，自动实时将编程指令转换成各个机床轴运动指令，达到编程指令的轨迹要求。840D sl支持20组坐标转换。

2 五轴参数设置

五轴机床的轴分配规定为：三个直线轴分别对应五轴的第一、二、三轴，第一旋转轴对应第四轴，第二旋转轴对应第五轴；第一旋转轴的运动会改变第二旋转轴的倾向。

通用五轴转换模型，支持以下三种结构：

2.1 转换类型（设定参数MD24100）

2.1.1 转换类型24

刀具旋转类型，C轴为1st旋转轴，B轴为2nd旋转轴，两个旋转轴都在主轴侧。这种类型（图2）主要应用于五轴龙门机床，可进行多面体及大型船用螺旋桨、叶轮等曲面加工。

2.1.2 转换类型56

刀具旋转+工件旋转，刀具旋转轴B轴为1st旋转轴，工件旋转轴C轴为2nd旋转轴，两个旋转轴，一个在主轴侧，另一个在工件侧。这种形式（图3）的五轴头多用于专机型五轴，我司叶片五轴专机应用了这个形式结构。

2.1.3 转换类型40

工件旋转，B轴为1st旋转轴，C轴为2nd旋转轴，两个旋转轴都在工件侧。这种（图4）就是我们常说的摇篮转台，主要应用于小型回转类零件加工，如叶轮、磨具等产品。

图4 类型40

2.2 根据转换类型56做五轴方面的设置

2.2.1 定义参与五轴转换的通道轴[步骤1：设定MD24110、MD24120（通道轴号）]

TRAFO_AXES_IN(MD24110)：设置参与五轴转换的通道轴。

TRAFO_GEOAX_ASSIGN_TAB_1(MD24120)：设置五轴转换的几何轴。

五轴转换：

MD24110 TRAFO_AXES_IN[0..2]：X/Y/Z轴参与转换的直线轴。

MD24110 TRAFO_AXES_IN[3]：B轴1st旋转轴。MD24110 TRAFO_AXES_IN[4]：A轴2nd旋转轴。

2.2.2 旋转轴定义（步骤2：设定MD24570、MD24572）

TRAF05_AXIS1(MD24570)：定义1st旋转轴

TRAF05_AXIS2(MD24572)：定义2nd旋转轴索引号：

[0]：围绕X轴旋转——A轴；

[1]：围绕Y轴旋转——B轴；

[2]：围绕Z轴旋转——C轴。

根据以上参数的定义设置：

MD24570TRAF05_AXIS1[1]=1；设置第一回转轴（B轴）围绕Y轴旋转。

MD24572TRAF05_AXIS2[0]=-1；设置第二回转轴（A轴）围绕X轴旋转。

2.2.3 刀具矢量方向（步骤3：设定MD24574）

Base_Orient：定义刀具矢量方向，一般都是沿Z轴方向。

Base_Orient[0]：沿X轴方向；

Base_Orient[1]：沿Y轴方向；

Base_Orient[2]：沿Z轴方向。

根据以上参数的定义设置：

MD24574 Base_Orient[2]=1：刀具矢量Z方向。

2.2.4 五轴的几何参数（步骤4：设定MD24500、MD24550、MD24558、MD24560）

2.2.4.1 几何尺寸设定

MD24500——Part_Offset；

MD24550——Base_Tool；

MD24558——Joint_Offset_Part；

MD24560——Joint_Offset。

2.2.4.2 类型56

Base_Tool：刀具基准点到1st旋转轴的回转中心；

Joint_Offset：1st旋转轴的回转中心到刀具基准点；

几何关系：Joint_Offset=-Base_Tool。

Joint_Offset_Part：机床零点到2nd旋转轴的回转中心；

Part_Offset：2nd旋转轴的回转中心到机床零点；

几何关系：Part_Offset=-Joint_Offset_Part。

3 以BA混合式机床为例说明参数输入情况

硬件要求：（1）3D表；（2）千分表；（3）3D测量球。

几何数据的取得主要有两种途径：（1）成品机械部件可由制造商提供几何尺寸，由于零部件加工及装配过程中肯定会存在一些零件本身的误差和人为装配误差，所以必须要借用工具进行多次测量补正。（2）借助工具在机床上测量。

3.1 Joint_Offset=-Base_Tool刀具基准点和1st旋转轴的回转中心尺寸链测量

在Z向借用3D表和千分表测量，首先要知道测量工具长度L：

（1）主轴抓取3D表，Z轴方向上找高点对表（千分表），读表固定数Z0（图5），例如：表数为0.10。

（2）千分表对主轴鼻端（图6），读表固定数Z1。

图5 3D表和千分表测量

图6 千分表对主轴鼻端

（3）通过两次机床坐标读取求出刀长。

其次，借用工具3D表和3D测量球求主轴鼻端到B轴轴线Z向的距离。主轴抓取3D表，B轴为0°。在Z轴方向上找测量球高点，读表固定数（图7），例如：表数为0.10。

B轴旋转90°，对测量球上沿高点（图8）。

图7 B轴为0°时进行量测

图8 B轴旋转90°时进行量测

用B轴0°的Z轴坐标Z10减去B轴90°的Z轴坐标Z11，去除刀长240.5，再加上3D表球的半径（因为B轴0°时，减去刀长多减了3D球的半径1.977）。

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

3.2 B轴轴线与主轴轴线偏差尺寸链测量

B轴旋转90°时，对测量球上沿高点，Z轴坐标为Z20；B轴旋转-90°时，对测量球上沿高点，Z轴坐标为Z21。

通过计算：Z20-Z21=ZX，单边差：ZH/2（即X向B轴轴线和主轴轴线偏差），判断确定主轴中心线偏移方向。

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

3.3 Part_Offset=-Joint_Offset_Part机床零点和2nd旋转轴的回转中心尺寸链测量

在Z向借用3D表，Z轴方向上找A轴盘面高点对表（千分表），读表固定数Z30（图9），例如：表数为0.10。

图9 Z轴方向寻找A轴盘面高点

4 精优曲面的设置

精优曲面是用于模具加工的功能，包含G功能、压缩器、轮廓控制、预读等功能。使用精优曲面的最简单方法是在模具加工程序中使用Cycle832循环，其一是在程序编辑器中有支持画面，其二是一般CAM系统里有相应的后处理（如UG的NX软件），如果靠输入各个功能指令比较繁琐。精优曲面的激活需要设置若干机床参数，为此西门子专门提供机床参数设置检查程序。使用精优曲面的步骤为：

（1）将机床数据检查程序拷贝进系统；

（2）修改参数MD11420≥10，并生效；

（3）运行该程序，会在子程序目录中生成一个新的程序（MDADVS.SPF）；

（4）机床数据检查程序会比较系统当前的设置与标准设置的区别，并在新生成的程序中显示出来；根据这个新生成程序的提示修改系统的设置。

5 五轴转换指令TRAORI

用TRAORI指令可以激活五轴转换功能，能进行同步五轴加工，TRAORI指令编程时，NC程序中参考尺寸发生变化，线性轴X、Y、Z的坐标关系到刀尖的位置。如果除了线性位置之外还编程了定向变化，则通过线性轴的补偿运动来补偿回转轴对刀尖位置的影响。除了明显的回转轴位置编程外，TRAORI还确定了基本的刀具定向信息的使用，该信息允许独立于运动，对定向进行编程和插补。使用其他刀具的长度时，系统自动从刀具列表中接收、计算新的刀具数据，所编程的进给率始终关系到相对于工件的相对运动。

指令说明如下：TRAORI（n），激活用n个配置的定向转换；n转换的编号（n=1或n=2）；TRAORI（1）与TRAORI相同。

TRAFOOF取消五轴功能转换。