張?jiān)?,羅興華
(成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠,四川成都610091)
目前,國(guó)內(nèi)大型航空制造企業(yè)已經(jīng)大量采用臥式五軸加工中心加工航空結(jié)構(gòu)件[1],五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸誤差的檢定一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。在工程實(shí)用中,機(jī)床在出現(xiàn)報(bào)警的情況下坐標(biāo)必須立即停止,否則會(huì)對(duì)加工零件造成傷害。文中通過實(shí)例介紹了報(bào)警中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸偏移的工程問題。
加工中心為臥式翻板類型機(jī)床,擁有AC 頭進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)加工,A 軸采取雙驅(qū)控制。其中A 軸采取液壓剎車控制,C 軸采取液壓夾緊模式。剎車在機(jī)床使能丟失的情況下自動(dòng)啟動(dòng),如圖1 所示。
圖1 某加工中心示意圖
機(jī)床在使用過程中,如果出現(xiàn)報(bào)警或急停導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)使能丟失,機(jī)床的主軸刀具點(diǎn)位置發(fā)生變化,變化范圍大于1 mm。對(duì)機(jī)床的精度進(jìn)行詳細(xì)的檢查,發(fā)現(xiàn)機(jī)床X 軸變化量在0.03 mm 之內(nèi),Y 軸的變化量在0.08 mm 之內(nèi),Z 軸的變化量在0.03 mm 之內(nèi)。所以3 個(gè)直線坐標(biāo)復(fù)合變化量為0.09 mm 之內(nèi),可知機(jī)床的主軸下垂變化不是由于直線坐標(biāo)引起。
在機(jī)床急停的過程中,觀察機(jī)床的A 軸、C 軸的位置變化量分別為0.04°、0.11°左右,根據(jù)機(jī)床的A軸轉(zhuǎn)心距 (445 mm) 以及測(cè)量使用的球頭的長(zhǎng)度(167 mm) ,進(jìn)行一個(gè)大概的估算,A、C 軸變化量分別為:
為了查找引起機(jī)床A、C 軸變化的原因,設(shè)計(jì)并進(jìn)行了專項(xiàng)實(shí)驗(yàn),機(jī)床A 軸在-90° ~90°范圍內(nèi)、步距為45°進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。C 軸在0 ~360°內(nèi)、步距為45°進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。將機(jī)床運(yùn)行到上述特定位置,按下機(jī)床急停按鈕,觀察通過數(shù)控系統(tǒng)反饋回來的A、AT、C 軸的位置變化。
機(jī)床的C 軸采用的是力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式,省略了相關(guān)的機(jī)械傳動(dòng)部件。機(jī)床的A 軸及主軸安裝在C 軸上,由于A 軸的電機(jī)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的原因,將機(jī)床的C 軸設(shè)置成偏心頭。根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)方案,記錄C軸的變化情況,如表1 所示。
表1 C 軸故障時(shí)偏轉(zhuǎn)記錄 (°)
通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出相應(yīng)分析結(jié)論:
(1) C 軸的誤差主要由C 軸的位置決定,當(dāng)C=180°時(shí)附近誤差最大,集中分布在- 0.156° ~-0.11°范圍內(nèi)。當(dāng)C=90°時(shí)附近誤差最小,集中分布在0°附近;
(2) 機(jī)床的C 軸采用的是偏心軸,A 軸的電機(jī)安裝在一側(cè),導(dǎo)致五軸頭的重心不在C 軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸線上。
因此C 軸的位移量由五軸頭的重力相對(duì)于C 軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸線產(chǎn)生的重力力矩直接決定。
建議解決方案: 減少五軸頭的重力相對(duì)于C 軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸線產(chǎn)生的重力力矩。具體方法為增加配重,使機(jī)床的C 軸軸線與五軸頭的重心盡量接近,從而減少重力力臂的大小,起到降低力矩的作用。
同時(shí),增加機(jī)床的配重將對(duì)機(jī)床C 軸的動(dòng)態(tài)特性有直接影響,C 軸在1/2 行程內(nèi)動(dòng)態(tài)特性將會(huì)提高,在另1/2 行程內(nèi)動(dòng)態(tài)特性將會(huì)降低。機(jī)床的最終動(dòng)態(tài)特性是由性能最差的區(qū)域決定,所以機(jī)床C 軸的動(dòng)態(tài)特性也將得到提高。機(jī)床增加配重后對(duì)機(jī)床的X、Y、Z 坐標(biāo)軸將會(huì)產(chǎn)生間接影響,但是由于機(jī)床自身較重,增加的配重相對(duì)來說影響較小,可以忽略不計(jì)。
機(jī)床增加配重后,根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)方案,重新對(duì)機(jī)床進(jìn)行測(cè)試,記錄C 軸的變化情況,如表2 所示。
表2 C 軸優(yōu)化后故障時(shí)偏轉(zhuǎn)記錄 (°)
通過以上數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論: 增加配重可以有效減少機(jī)床C 軸的變化量,但目前機(jī)床所使用的配重重力還不夠,需要繼續(xù)增加。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),記錄A 軸與AT 軸在故障下偏轉(zhuǎn)的記錄值,如表3 和表4 所示。
表3 A 軸故障后偏轉(zhuǎn)記錄 (°)
表4 AT 軸故障后偏轉(zhuǎn)記錄 (°)
由上述偏移記錄分析獲得結(jié)論:
(1) 從數(shù)據(jù)上分析誤差屬于隨機(jī)性分布,誤差分布帶主要集中在-0.003° ~0.043°,只有一個(gè)采樣數(shù)據(jù)為負(fù)值,其余均為正值;
(2) 機(jī)床AT 軸的誤差隨A 軸的誤差變化,兩軸的差值分布在0.02° ~0.04°之間;
(3) 機(jī)床的A 軸機(jī)械剎車在機(jī)械結(jié)構(gòu)上不是剎車在末端傳動(dòng)上,而是作用在中間的過渡齒輪上;
(4) 機(jī)床的A、AT 坐標(biāo)軸之間采用主從控制模式。
通過對(duì)上面兩個(gè)特點(diǎn)的分析間接得出結(jié)論: 機(jī)床A 軸的位移由A、AT 軸的控制方式引起。當(dāng)急停后,機(jī)械剎車將其中的一個(gè)過渡齒輪鎖死,兩個(gè)電機(jī)的使能去掉,預(yù)緊力消失,由于原有預(yù)緊力產(chǎn)生的應(yīng)力需要釋放,導(dǎo)致另外一個(gè)電機(jī)的位置和A 軸的位置發(fā)生變化。為了驗(yàn)證上述對(duì)A 軸的判斷,做了如下實(shí)驗(yàn):
試驗(yàn)方案: 機(jī)床A 軸在-90° ~90°范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量間距為45°。機(jī)床分別由正向向負(fù)向運(yùn)動(dòng)、由負(fù)向向正向運(yùn)動(dòng)做兩次測(cè)試,記錄機(jī)床的A 軸第一測(cè)量系統(tǒng)變化量、A 軸第二測(cè)量系統(tǒng)變化量、AT 軸第一測(cè)量系統(tǒng)變化量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。
表5 運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)記錄
對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理,得出AT 軸第一測(cè)量系統(tǒng)與第二測(cè)量系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)差值如下,見表6。
表6 AT 軸反饋數(shù)據(jù)
分析上述數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)由正向向負(fù)向運(yùn)動(dòng)、由負(fù)向向正向運(yùn)動(dòng)時(shí),AT 軸第一測(cè)量系統(tǒng)與第二測(cè)量系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)差值都維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。該數(shù)值的大小為機(jī)床A 軸與AT 軸之間的機(jī)械間隙,間接地論證了上述判斷的正確性。
各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明,機(jī)床在設(shè)計(jì)方面存在已有缺陷。在已有缺陷的狀態(tài)下,要達(dá)到最佳修復(fù)效果,需要進(jìn)行參數(shù)及機(jī)械上的調(diào)整。
(1) 從參數(shù)控制上進(jìn)行A 擺時(shí)序控制。按照A擺雙驅(qū)均用以下參數(shù)進(jìn)行更改,具體更改參數(shù)為:
(2) 從機(jī)械上進(jìn)行調(diào)整。由于A 擺剎車片使用問題導(dǎo)致磨損,通過技術(shù)分析進(jìn)行了墊片修磨,調(diào)整了剎車距離,并拆卸剎車片,將剎車片更換了角度,使經(jīng)常磨損部位保持全新。通過調(diào)整參數(shù)及剎車距離后,A 擺剎車時(shí)間及剎車距離減短,對(duì)剎車片磨損也將減小。
工程實(shí)用中,由于設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷或?qū)τ谏a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的特殊性故障等,需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求,制定合理的維護(hù)調(diào)整手段。
[1]張凱,劉春時(shí),李炎,等.一種臥式五軸加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與技術(shù)性能[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(12) :202-203.
[2]付璇,田懷文,朱紹維.五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差測(cè)量與建模[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(2) :157-158.