張 云

（成都飛機工業(yè)集團有限責任公司數(shù)控加工廠，四川成都 610091）

虛擬軸顛覆了傳統(tǒng)的主軸概念，使用三軸來控制A、B軸的運動，對傳統(tǒng)的螺距插補已經(jīng)不能滿足補償要求。歐美等國已經(jīng)相繼開發(fā)出了并聯(lián)三軸主軸方案及精度補償，國內(nèi)也在進行并聯(lián)三軸主軸頭精度的補償及開發(fā)。該結(jié)構(gòu)具有速度高，剛度大，精度高等優(yōu)點，成為制造業(yè)研究人員關(guān)注的熱點。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

21世紀出現(xiàn)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)五軸數(shù)控加工裝備，需要不斷改善，因此在很長一段時間內(nèi)，各機床公司都會致力于這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)裝備的研制。Z3采用3－PRS機構(gòu)，提供給機床2個轉(zhuǎn)動（A/B軸）和1個方向的移動，該主軸擺頭概念已經(jīng)申請了德國、美國和加拿大發(fā)明專利。在中國，類似的主軸頭（圖1）方案被西安理工大學和天津大學分別遞交了發(fā)明專利申請，利用并聯(lián)三軸實現(xiàn)了A軸和B軸的控制，可以在空間±45°范圍內(nèi)任意角度進行加工，減少了加工中AB軸轉(zhuǎn)換的時間，提高了工作效率。

德國DST公司生產(chǎn)的ECOSPEED系列機床在并聯(lián)三軸主軸頭控制上已經(jīng)比較成熟，Ecospeed系列數(shù)控裝備能滿足高精密零件高速加工需要，加工效率比其他類型設備提高1～3倍，在歐洲許多大型數(shù)控加工廠獲得了應用。美國Cincinnati機床公司也從德國引進了Sprint Z3主軸頭制造技術(shù)。

國內(nèi)由清華大學牽頭，沈陽中捷機床廠等生產(chǎn)的并聯(lián)機床也相繼問世。

2 虛擬軸簡介

并聯(lián)三軸主軸頭在中國被稱為“虛擬軸”，推翻固定坐標軸的概念，將Z向三軸控制AB在空間±45°內(nèi)任意轉(zhuǎn)換。以德國DST公司生產(chǎn)的ECOSPEED為例，介紹并聯(lián)三軸主軸頭。這種并聯(lián)三軸方案主要采用三轉(zhuǎn)動副結(jié)構(gòu)球鉸來滿足機構(gòu)的姿態(tài)要求（如圖2）任何方向45°偏轉(zhuǎn);偏轉(zhuǎn)定位速度達80°/s;角加速度685°/s2。

并聯(lián)三軸主軸頭由3個支撐板以120°分度定位，并與重肋形圓柱體裝配式鋼制箱相連（如圖3），在每個座板上均裝有線性導軌，帶有一個與滾動塊相連的鞍架，可前后移動。鉸鏈連接臂與鞍架的前端相連。另一端合并成一個萬向節(jié)，支撐帶有內(nèi)置電主軸的平臺。滾珠絲杠和伺服電動機驅(qū)動滑板。通過在Z向上單獨移動3個滑板，在±40°范圍內(nèi)的任何主軸空間角度均可實現(xiàn)。通過3個滑板在Z向上的聯(lián)動，電主軸在Z向上水平移動。每根縱向軸均有其自己的線性測量系統(tǒng)。一種特殊運算法則將TCP編程的參數(shù)轉(zhuǎn)換為機床的定位參數(shù)。

3 SIEMENS 840D系統(tǒng)撓度補償?shù)慕榻B

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的補償功能，其補償數(shù)據(jù)不是用機床數(shù)據(jù)描述，而是以參數(shù)變量，通過零件程序形式或通用啟動文件（_INI文件）形式來表達。描述如下:

（1）$AN_CEC［t，N］:插補點 N 的補償值，即基準軸的每個插補點對應于補償軸的補償值變量參數(shù)。

（2）$AN_CEC_INPUT_AXIS［t］:定義基準軸的名稱。

（3）$AN_CEC_OUTPUT_AXIS［t］:定義對應補償值的軸名稱。

（4）$AN_CEC_STEP［t］:基準軸兩插補點之間的距離。

（5）$AN_CEC_MIN［t］:基準軸補償起始位置。

（6）$AN_CEC_MAX［t］:基準軸補償終止位置。

（7）$AN_CEC_DIRECTION［t］:定義基準軸補償方向。其中:$AN_CEC_DIRECTION［t］=0，補償值在基準軸的兩個方向有效;$AN_CEC_DIRECTION［t］=1，補償值只在基準軸的正方向有效，基準軸的負方向無補償值;$AN_CEC_DIRECTION［t］= －1，補償值只在基準軸的負方向有效，基準軸的正方向無補償值。

（8）$AN_CEC_IS_MODULO［t］:基準軸的補償帶模功能。

（9）$AN_CEC_MULT_BY_TABLE［t］:基準軸的補償表的相乘表。這個功能允許任一補償表可與另一補償表或該表自身相乘。

虛擬軸的精度補償包含有激光精度補償及幾何精度補償，這里介紹幾何精度的補償。以窩式虛擬軸機床為例，在虛擬軸Z方向伸出下墜的情況下，首先應用并聯(lián)三軸對主軸的方向進行修正，然后補償Y軸使其補償后垂直位置沒有變化，最終達到良好的精度效果。

4 虛擬軸撓度補償?shù)膽?/h2>

虛擬軸的撓度補償分為3個步驟逐一進行，首先在垂直全程進行補償（Z軸對Y軸的補償），其次是主軸方向的補償（Z軸對Z軸的補償），最后為Y軸對于Z軸的補償（Y⊥Z補償）。

4．1 垂直運動中Z軸對Y軸的補償

將電子水平儀安裝于并行主軸上方（如圖4）。移動Y軸進行檢測。

測量時移動Y軸，每500 mm距離記錄一次結(jié)果。將記錄結(jié)果寫入差值（表1）中。Y坐標值為設定補償步距的坐標，差值為測量中水平儀的讀數(shù)值，補償值是經(jīng)過計算得出的最終結(jié)果。計算得知該補償因素為+0.4，則寫入CEC補償值中:補償值=差值×補償因素。如:在Y坐標為－750 mm的點時，測量差值為－0.01 mm，則寫入CEC2文件的補償值應為 －（－0.01）×0.4=0.004 mm。

表1

寫入以下程序CEC2．MPF中:

在輸入對應的參數(shù)和補償參數(shù)后，在自動狀態(tài)運行程序CEC2．MPF，再經(jīng)過NCK重新啟動，Z軸對Y軸方向的補償完成。

通過這個補償，可以使并聯(lián)三軸主軸頭在沿Y方向運行時保持主軸與Z方向坐標平行，是調(diào)整撓度補償?shù)那疤釛l件。

4．2 并聯(lián)三軸中Z軸對Z軸的精度補償

并聯(lián)三軸主軸頭的重要一點為在主軸伸出時，由于重力影響導致主軸下墜。由于并聯(lián)三軸主軸頭的特殊關(guān)系，補償必須利用3個Z軸互動將主軸抬起以達到減小撓度帶來的誤差。如圖5中所示，運行Z軸動作，將電子水平儀放置于主軸上端，設定每步距為50 mm。

不同的步距會導致補償變量因素有所變化。其中Z軸的補償精度也包含了Z1、Z2和Z3軸的精度補償。同上所述，補償值=測量值×0.4。將補償值寫入CEC2．SPF中，程序大概為:

Z軸對Z軸的補償是利用并聯(lián)三軸主軸頭原理，對互為120°夾角的Z軸進行運動，將其抬起，使其對整個主軸進行撓度補償?shù)男Ч?。但是Z軸抬起后會影響Y軸有所變化，所以必須進行第三步（Y軸對Z軸的補償）。

4．3 Y軸對Z軸的補償

對于臥式并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)來說，Y軸普遍采用雙驅(qū)控制，所以Y對Z軸的補償分為2個補償，即Y1對Z軸的補償和Y2對Z軸的補償。通常Y1和Y2的補償值是相同的，但是必須要分為2個文件來補償。如圖6所示，移動Z軸獲得Y方向的誤差值。ZY的誤差補償系數(shù)為－1，則補償值=誤差值×（－1）。

寫入?yún)?shù)補償時注意Y1和Y2采用相同的補償值，其中Y1軸對Z軸的補償位置為$AN_CEC［25，* ］，Y2對Z軸的補償位置為$AN_CEC［26，* ］。在輸入對應的參數(shù)和補償參數(shù)后，在自動狀態(tài)運行程序CEC2．MPF，再經(jīng)過NCK重新啟動，Y軸對Z軸方向的補償完成。

5 結(jié)語

虛擬軸是國際新興的先進制造技術(shù)，已被譽為21世紀新型加工中心，并聯(lián)三軸主軸頭精度補償?shù)姆绞郊胺椒ㄒ恢笔菄庾鳛榧夹g(shù)秘密不予透露。虛擬軸的獨特結(jié)構(gòu)確定了獨特的精度補償方式，虛擬軸的撓度補償必須根據(jù)一定順序先后進行補償，并配合幾何精度測量，及激光精度補償，球頭RTCP精度補償以及40°精度補償一起，才能更好地發(fā)揮虛擬軸高精度的優(yōu)勢。并聯(lián)三軸主軸頭的撓度補償?shù)膶崿F(xiàn)，將對并聯(lián)三軸主軸頭的研究及精度保證有很大的推動作用。

［1］西門子．SINUMERIK 810D/840D 維修與調(diào)整 A2484［Z］．西門子中國有限公司，2004．

［2］西門子．SINUMERIK 840D數(shù)控參數(shù)說明書［Z］．西門子中國有限公司，2004．

［3］DST maintenance manual high speed machining center［Z］．DS Technologie，2007．

［4］DST maintenance instruction．fundamentals siemens840D［Z］．DS Technologie，2007．