中國航空工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所(遼寧 110015）王 博 高凱龍

1.設(shè)備簡介

五軸五聯(lián)動立式加工中心UCP1350是瑞士米克朗公司設(shè)計、德國制造的高精度準(zhǔn)高速數(shù)控加工中心。它的行程范圍是X軸:1350mm，Y軸:890mm，Z軸立式行程:700mm，臥式行程:890mm。主軸A可以繞平行于 X軸的回轉(zhuǎn)中心軸線旋轉(zhuǎn)15°～－120°，工作臺直徑1100mm，回轉(zhuǎn)直徑最大可達(dá)1200mm，C軸可以圍繞Z軸為回轉(zhuǎn)中心正負(fù)無限旋轉(zhuǎn)。

2.編控系統(tǒng)和格式簡介

UCP1350采用的是海德漢的INTC530編控系統(tǒng)。這個系統(tǒng)是海德漢最新版本的編控系統(tǒng)，據(jù)手冊上介紹是“可靠的輪廓控制器，可讓您在簡單易用的對話語言編程模式，對傳統(tǒng)的銑鉆鏜機(jī)床操作進(jìn)行編程。它設(shè)計用于鉆銑鏜機(jī)床，也可用于加工中心。INTC530最多可控制9個軸，在程序控制下，還可以改變主軸的角度?！?/p>

INTC530控制系統(tǒng)下生成的數(shù)控程序名的后綴為“.H”格式?，F(xiàn)在把一個小程序提供出來，分析一下它和普通我們所熟悉的FANUC格式代碼的格式上的異同點(diǎn)。

海德漢格式:

首先我們注意到，在海德漢的格式里有一些字母存在，比如:L、CALL、TOOL、BLKFORM、FMAX等。這里解釋一下，海德漢系統(tǒng)就是這種規(guī)定的格式，每一行開始如果輸入的是坐標(biāo)，前面就有L，直線Line的開頭字母。在調(diào)用刀具時，不是用M06T+刀號來進(jìn)行，而是TOOLCALL;而第一句BLKFORM和第二句BLKFORM后邊表示的是一個工件的毛坯，給機(jī)床上系統(tǒng)進(jìn)行仿真切削用的，對于實際加工不發(fā)生作用。而FMAX則相當(dāng)于FANUC系統(tǒng)中的G0，快速進(jìn)給的意思。

對于圓弧命令和各種循環(huán)指令，海德漢與FANUC也在表述形式上有不同。這里就不敘述。

3.加工中遇到的問題

(1)刀長的介入 數(shù)控機(jī)床中有一個操作者最主要的操作，就是對刀。對刀，就是測量調(diào)整刀具長度直徑等參數(shù)并正確輸入相應(yīng)的刀具參數(shù)寄存器中，以便加工時調(diào)用。一般的三、四軸機(jī)床，直接就可以設(shè)定工件的原點(diǎn)，刀具直接在Z軸方向上測量調(diào)整就能設(shè)定加工坐標(biāo)系的Z軸零點(diǎn)。如圖1所示。

圖1

在五軸加工機(jī)床中，對刀分為幾種形式，如圖2所示，這是IMSpost的刀具原點(diǎn)設(shè)定的宏命令。從圖2中可以看出，有好幾種機(jī)床工具零點(diǎn)的設(shè)定方式。UCP1350采用的就是Pivot形式的，這點(diǎn)所在的垂直于刀具軸線的平面與刀柄ISO40內(nèi)錐面的交線行成一個圓，這個圓的稱為刀具安裝平面，這個平面距主軸擺頭回轉(zhuǎn)中心的距離D是214.889mm，如圖3所示。在UCP1350的五軸加工中，機(jī)床按我們所給的程序坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動，是以圖3中的工具原點(diǎn)進(jìn)行計算的，并不把刀具長度計算在內(nèi)。原本在三軸四軸加工中很簡單的問題到了五軸，便成了一個很棘手的問題。

圖2

圖3

(2)刀長的解決辦法 如果要引入刀具長度，以滿足加工零件的要求，目前可以采用兩種辦法，一種，就是我們在做數(shù)控程序時直接把刀具長度也輸入進(jìn)去，后處理之后得到的就是機(jī)床本身的工具原點(diǎn)的運(yùn)動軌跡坐標(biāo)，如圖4所示。圖4中的曲線a是后處理后得到的引入了刀長的刀位軌跡連線，它對應(yīng)于機(jī)床工具原點(diǎn)的軌跡，曲線b是零件實際輪廓的刀位軌跡。

圖4

但是這樣帶來一定的麻煩，首先是如果刀具實際長度與我們做數(shù)控程序時輸入的刀長不一致，將導(dǎo)致切削錯誤，或者過切，或者欠切，再有就是帶來刀具軌跡驗算錯誤。一般地講，我們可以在數(shù)控程序中抽取幾個點(diǎn)進(jìn)行驗算，比如從軌跡b中抽出幾個點(diǎn)的坐標(biāo)，看它是否在我們希望的位置上。如果不加入刀長的話，可以很方便的，但是加入了刀長，那么點(diǎn)的計算又引入了刀長數(shù)據(jù)，不光是刀具長度，還有刀具的法向矢量參與了計算，大大增加了出錯的幾率。

(3)控制系統(tǒng)提供的解決辦法 另外一種解決刀長問題的方法就是把這個刀長的事情交給機(jī)床編控系統(tǒng)本身去處理，我們依舊提供實際刀位軌跡b的數(shù)據(jù)。由機(jī)床編控系統(tǒng)自身通過輔助命令在b軌跡的基礎(chǔ)上加上刀長計算出機(jī)床工具原點(diǎn)所走過的刀位軌跡a。在海德漢INTC530控制系統(tǒng)中，對于傾斜軸時機(jī)床幾何尺寸自動補(bǔ)償?shù)目刂?，提供了兩個輔助命令:M114和M128。通過這兩個命令，可以分別由兩種格式的數(shù)控程序計算出機(jī)床刀具原點(diǎn)的實際軌跡a。

(4)M114和M128的命令和區(qū)別 M114特性:若程序中控制傾斜軸的位置改變，則TNC用三維長度補(bǔ)償，自動補(bǔ)償?shù)毒咂?，由于單個機(jī)床刀具幾何尺寸在機(jī)床參數(shù)中設(shè)定，所以TNC也自動補(bǔ)償機(jī)床特性偏移。即使程序再不同機(jī)床上運(yùn)行，后處理器也僅計算一次程序。M128特性:若程序中被控傾斜軸的位置改變，則刀尖位置到工件距離不變。M128有效時，若您編程傾斜工作臺運(yùn)動，則TNC旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的坐標(biāo)系，還轉(zhuǎn)換由于旋轉(zhuǎn)工作臺運(yùn)動而移動的定義原點(diǎn)。

在實際應(yīng)用中，我們這兩個輔助命令都用到了，各自引發(fā)了一些問題。M114的問題:M114加在程序頭后，最主要的問題是，工作臺的轉(zhuǎn)動不是我們所期望的那樣勻速、以加工進(jìn)給率轉(zhuǎn)動，而是會很猛烈地竄著轉(zhuǎn)動。這種竄動的結(jié)果之一就是刀具折斷。M128的問題:我們就實驗了 M128，直接把M128加入到UG生成的后處理程序之中。但是帶來的是另外一種結(jié)果:就是進(jìn)給速率看上去還可以，但是坐標(biāo)全不對，本來應(yīng)該走X軸C90，實際機(jī)床走的是Y軸C90。這樣的結(jié)果顯然不是我們所能接受的。

4.對存在的問題的分析

(1)M114格式引發(fā)問題的分析 數(shù)控機(jī)床的第四軸、第五軸的引入與采用，對于坐標(biāo)點(diǎn)的計算，提出了很高的要求。最簡單的，就是對于工件的加工表面進(jìn)行分析，按要求進(jìn)行坐標(biāo)求值。然后給出每個點(diǎn)的三維坐標(biāo)值和這個點(diǎn)的法向矢量值。求出這些值之后，再根據(jù)刀軸的設(shè)定，進(jìn)行刀軸方向值的計算，給定后輸出刀位文件。刀位文件中包含的信息基本上有刀具信息，比如刀具號、是否換刀、換刀平面、刀具平面等，剩下的就是刀位信息:刀尖點(diǎn)的三維坐標(biāo)值、刀具刀軸的方向矢量值。對應(yīng)于UCP1350機(jī)床，則表現(xiàn)為X、Y、Z值，C、A值。這里的XYZ坐標(biāo)的單位是mm，而A、C軸的坐標(biāo)單位是度。對于一個工件，如果應(yīng)用到五軸五聯(lián)動的機(jī)床了，那么必然存在著A、C軸轉(zhuǎn)角的問題。機(jī)床以刀具的刀尖為參考原點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動，反向補(bǔ)償出相應(yīng)的坐標(biāo)值，以滿足刀尖在工件加工表面的正確位置上。在機(jī)床運(yùn)動的過程中，五個軸是要匹配進(jìn)行的。就是說，A點(diǎn)到B點(diǎn)，不僅XYZ要運(yùn)行到位，A、C軸也要運(yùn)行到位。這里就存在著一個默認(rèn)速率的問題。有的機(jī)床可能是以轉(zhuǎn)角優(yōu)先，有的機(jī)床是以直線優(yōu)先。對與米克朗UCP1350來說，五軸聯(lián)動，就是優(yōu)先考慮的XYZ軸速率。由于機(jī)床的工作臺快速回轉(zhuǎn)速率很大，達(dá)到了40r/min，換算成度的話就是14400°/min，每秒鐘可以轉(zhuǎn)240°。如果工件的加工表面對回轉(zhuǎn)中心的直徑為1000mm，那么，加工表面的回轉(zhuǎn)線速度就達(dá)到了2093.333mm/s，折合成線速度進(jìn)給率就是125600mm/min。而一般機(jī)床的加工進(jìn)給率小于3500mm/min。如果數(shù)控程序相鄰兩句之間的XYZ的線性距離很小，那么在一個固定的進(jìn)給率的條件下，兩句之間機(jī)床運(yùn)行的時間是固定的，但是很短，而對于圓周上的加工管表面來說，如果這兩句的角度變化是以度為最小變化單位的話，再考慮到圓周直徑的放大作用，圓周上的線速度就會變化很大，表現(xiàn)為工作臺轉(zhuǎn)動的竄動，如圖5所示。

圖5

(待續(xù))