席勇，潘海蘭

（中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司，陜西西安710089）

FANUC-15i數(shù)控系統(tǒng)5坐標(biāo)控制功能在維修中的應(yīng)用

席勇，潘海蘭

（中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司，陜西西安710089）

針對(duì)5坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的5軸頭在安裝、維修過程中所產(chǎn)生的幾何精度誤差，利用FANUC-15i數(shù)控系統(tǒng)5坐標(biāo)控制功能中的5坐標(biāo)補(bǔ)償功能進(jìn)行補(bǔ)償，以解決由于5軸頭幾何精度誤差所導(dǎo)致的零件加工精度誤差。同時(shí)介紹5軸頭相關(guān)幾何精度的測(cè)量辦法。

FANUC 15i；五坐標(biāo)控制功能；五坐標(biāo)補(bǔ)償功能

0 前言

在航空、航天、船舶等機(jī)械加工領(lǐng)域，5坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床在復(fù)雜零件的加工中得到了廣泛應(yīng)用。一臺(tái)5坐標(biāo)機(jī)床具備良好的5軸幾何精度，且數(shù)控系統(tǒng)具備高精度的5軸控制精度是保證復(fù)雜零件加工精度必不可少的前提條件。但5坐標(biāo)機(jī)床在實(shí)際使用過程中，5軸頭的幾何精度在安裝、維修過程中會(huì)產(chǎn)生誤差，并隨著使用年限的增加而逐漸降低。5軸頭幾何精度降低后，通常采用2種方法進(jìn)行修復(fù)，機(jī)械修復(fù)和數(shù)控系統(tǒng)補(bǔ)償。前一種方法可較徹底的解決，5軸頭幾何精度下降問題，但一次性投入成本較高，一般在幾何精度嚴(yán)重下降時(shí)使用；后一種方法依賴于數(shù)控系統(tǒng)是否具備5坐標(biāo)補(bǔ)償功能，若數(shù)控系統(tǒng)不具備該功能，則需要在后置處理中進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，一般在幾何精度下降較小時(shí)使用。

為了使數(shù)控系統(tǒng)更好的完成對(duì)5坐標(biāo)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制，提升數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的匹配性，世界上主要的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商不斷完善、改進(jìn)其數(shù)控系統(tǒng)的5坐標(biāo)控制功能。FANUC公司的15i系列數(shù)控系統(tǒng)相比之前的15系列數(shù)控系統(tǒng)，5坐標(biāo)控制功能更加完善，降低了數(shù)控機(jī)床在后置處理時(shí)的處理難度，更為用戶在5坐標(biāo)機(jī)床的日常維修中提供了一些便捷的維修方式。

1 5坐標(biāo)補(bǔ)償?shù)脑?/h2>

在進(jìn)行5坐標(biāo)幾何精度補(bǔ)償之前，維修者需首先理解數(shù)控系統(tǒng)五坐標(biāo)補(bǔ)償?shù)脑?。?坐標(biāo)機(jī)床幾何精度檢測(cè)項(xiàng)目中的C軸旋轉(zhuǎn)中心和主軸旋轉(zhuǎn)中心同心度為例進(jìn)行說明。

如圖1所示，其中A點(diǎn)為C軸旋轉(zhuǎn)中心，B點(diǎn)為主軸旋轉(zhuǎn)中心，在機(jī)械精度良好的情況下，則圖中X=0，Y=0，即兩旋轉(zhuǎn)中心完全重合。但5軸頭隨著使用年限的增加，圖中A點(diǎn)和B點(diǎn)會(huì)逐漸不重合，即X＞0，Y＞0，其結(jié)果將導(dǎo)致刀尖在實(shí)際使用過程中的軌跡偏離理論加工軌跡，即零件外形尺寸產(chǎn)生誤差。

數(shù)控系統(tǒng)的五5坐標(biāo)補(bǔ)償功能即可解決上述問題。在機(jī)床加工零件之前，將圖1所示的A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的偏差值X和Y輸入數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)在插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)自動(dòng)對(duì)上述偏差值進(jìn)行計(jì)算，以保證刀尖的運(yùn)行軌跡和實(shí)際編程軌跡吻合。

2 5軸頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式

5坐標(biāo)機(jī)床根據(jù)3個(gè)直線坐標(biāo)X，Y，Z有A，B，C的3個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)與之對(duì)應(yīng)。根據(jù)加工對(duì)象的不同，3個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)兩兩進(jìn)行組合，組成5軸加工頭。常見的5軸頭形式有C/A，C/B，A/B等結(jié)構(gòu)形式（圖2），字母的先后順序決定了那個(gè)旋轉(zhuǎn)軸為主導(dǎo)軸。在一些特殊加工場(chǎng)合，5坐標(biāo)機(jī)床也可采用轉(zhuǎn)臺(tái)的形式組成5坐標(biāo)形式（圖3）。在FANUC 15i數(shù)控系統(tǒng)中配置五坐標(biāo)關(guān)系時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部配置必須和數(shù)控機(jī)床5坐標(biāo)機(jī)械配置形式完全一致，這是保證數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行正確插補(bǔ)運(yùn)算的關(guān)鍵。

在進(jìn)行5坐標(biāo)補(bǔ)償之前，維護(hù)者必須確定5軸頭的結(jié)構(gòu)形式，這是進(jìn)行5坐標(biāo)補(bǔ)償工作前進(jìn)行幾何測(cè)量的前提條件。

圖1 C軸和主軸旋轉(zhuǎn)中心空間關(guān)系

3 FANUC-15i數(shù)控系統(tǒng)的5坐標(biāo)配置

如前所述，為保證數(shù)控系統(tǒng)對(duì)5坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的正確控制，在FANUC 15i數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行5坐標(biāo)配置時(shí)，必須保證和機(jī)械結(jié)構(gòu)完全一致。以C/A5軸頭結(jié)構(gòu)形式為例（圖2）。

圖2 C/A結(jié)構(gòu)5軸頭

刀具坐標(biāo)方向Z軸；坐標(biāo)配置X，Y，Z，A，C；旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)A，C；主旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)C。根據(jù)此配置，在FANUC-15i系統(tǒng)參數(shù)中進(jìn)行設(shè)置，見表1。

4 FANUC-15i數(shù)控系統(tǒng)的5坐標(biāo)補(bǔ)償功能

4.1 主軸中心線相對(duì)C軸中心線的同心度誤差補(bǔ)償

4.1.1 誤差測(cè)定方法

（1）保證主軸徑向跳動(dòng)，A，C軸0°位置滿足幾何精度要求。

（2）在C軸0°時(shí)將檢測(cè)芯棒裝到主軸上，在芯棒的X，Y方向分別放置一塊百分表，并將百分表調(diào)零。

（3）取消FANUC-15i系統(tǒng)的5坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)模式。

（4）將C軸在0～315°的范圍內(nèi)每45°旋轉(zhuǎn)1次，并分別記錄2塊百分表的測(cè)量數(shù)值（圖4）。

（5）測(cè)量完成后，分別將C軸0°和180，45°和225°，90°和270°，135°和315°在X，Y方向的測(cè)量值相加并除以2。

（6）對(duì)上述在X，Y方向的數(shù)值求平均值，從而得出C軸旋轉(zhuǎn)中心和主軸旋轉(zhuǎn)中心在X，Y方向的平均偏差值。

4.1.2 FANUC-15i同心度補(bǔ)償方法

在FANUC-15i系統(tǒng)的5坐標(biāo)補(bǔ)償功能中，參數(shù)7519用于進(jìn)行C軸和主軸同心度的補(bǔ)償，該參數(shù)主要用于沿刀具坐標(biāo)方向的長(zhǎng)度補(bǔ)償功能，用于設(shè)置從第一旋轉(zhuǎn)軸至第二旋轉(zhuǎn)軸的矢量誤差。

（1）根據(jù)在4.1.1中測(cè)定的C軸和主軸同心度在X，Y方向的平均偏差值，按照百分表放置的位置，判斷測(cè)誤差值的方向，將同心度在X，Y方向的誤差值輸入FANUC 15i系統(tǒng)參數(shù)7519相應(yīng)的位置之中（圖5）。

（2）將數(shù)控機(jī)床返回參考點(diǎn)后，在EDIT模式下執(zhí)行G43.4，使數(shù)控系統(tǒng)置于五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)模式。

（3）按4.1.1中（2）～（3）步驟所示方法進(jìn)行測(cè)量，對(duì)補(bǔ)償效果進(jìn)行校驗(yàn)。

圖3 C/A轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

表1 FANUC 15i 5軸配置參數(shù)表

圖4 同心度誤差測(cè)量圖示

4.2 主軸中心線相對(duì)A軸旋轉(zhuǎn)中心線的誤差補(bǔ)償

在5坐標(biāo)機(jī)床的5軸頭安裝、維修過程中，主軸中心線和A軸的旋轉(zhuǎn)中心線在Y軸方向會(huì)出現(xiàn)不重合的現(xiàn)象。在FANUC-15i的 5坐標(biāo)控制功能中提供了針對(duì)這一現(xiàn)象的誤差補(bǔ)償功能。

圖5 參數(shù)7519設(shè)置界面

在FANUC-15i的5坐標(biāo)補(bǔ)償功能中，參數(shù)7520主要用于上述誤差的補(bǔ)償。該參數(shù)主要用于沿刀具坐標(biāo)方向設(shè)定主軸旋轉(zhuǎn)中心的補(bǔ)償矢量。誤差值的測(cè)量方法如下。

（1）保證主軸徑向跳動(dòng)，A，C軸0°位置滿足幾何精度要求。

（2）在主軸上安裝一根標(biāo)準(zhǔn)芯棒（長(zhǎng)度300 mm）用于誤差測(cè)量。

（3）如圖6所示，將A軸分別旋轉(zhuǎn)至0°，90°，-90°，根據(jù)FANUC-15i系統(tǒng)的坐標(biāo)顯示值分別測(cè)量并計(jì)算出圖中所示L1，L2，L3，L4的數(shù)值。

（4）根據(jù)L1，L2，L3，L4的測(cè)量值按以下公式分別計(jì)算出當(dāng)A軸在90°，-90°時(shí)的主軸中心線相對(duì)A軸旋轉(zhuǎn)中心線的偏差量可用式（1）和式（2）計(jì)算，式中E1，E2表示A軸90°，-90°時(shí)主軸中心線相對(duì)A軸旋轉(zhuǎn)中心線誤差量。

圖6 主軸相對(duì)A軸誤差

（5）將步驟（4）中所求得的E1，E2求平均值后輸入FANUC-15i 5坐標(biāo)補(bǔ)償參數(shù)7520的Y軸位置（圖5）。

4.3 主軸端面至A軸旋轉(zhuǎn)中心的距離補(bǔ)償（轉(zhuǎn)心距）

轉(zhuǎn)心距對(duì)于5坐標(biāo)機(jī)床而言是一個(gè)非常重要的技術(shù)參數(shù)，其不同于我之前所列舉的兩種補(bǔ)償情況。5軸頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了刀具的安裝基準(zhǔn)面至A軸的旋轉(zhuǎn)中心有一定的距離，在數(shù)控系統(tǒng)的五坐標(biāo)控制功能中必須對(duì)這一段距離進(jìn)行處理；此外，5軸頭安裝維修后，該距離也會(huì)發(fā)生變化。FANUC 15i系統(tǒng)5坐標(biāo)控制功能中的系統(tǒng)參數(shù)7548用于轉(zhuǎn)心距的補(bǔ)償。

轉(zhuǎn)心距的具體數(shù)值可根據(jù)5.2中所測(cè)得的L1，L2，L3，L4進(jìn)行計(jì)算，公式見（3）和（4）。

式中E3，E4表示A軸90°，-90°時(shí)所測(cè)得的轉(zhuǎn)心距長(zhǎng)度，L5表示檢測(cè)芯棒的長(zhǎng)度，D1表示檢測(cè)芯棒的直徑。

則轉(zhuǎn)心距的數(shù)值等于90°和-90°所測(cè)數(shù)值E3，E4的平均值。將該數(shù)值輸入FANUC 15i系統(tǒng)參數(shù)7548中即可完成轉(zhuǎn)心距補(bǔ)償。

5 結(jié)語(yǔ)

FANUC-15i數(shù)控系統(tǒng)提供了豐富的5坐標(biāo)補(bǔ)償功能，為5坐標(biāo)機(jī)床的5軸頭維修提供了更多的解決方案。補(bǔ)償功能的應(yīng)用，對(duì)FANUC公司最新數(shù)控系統(tǒng)的5坐標(biāo)補(bǔ)償功能，也具有實(shí)際借鑒意義。

［1］FANUC Series 15i MODEL A PARAMETER MANUAL.B-63330 EN/03[M].JAPAN，F(xiàn)ANUCLTD，1999.

［2］張策，高斯脫等，機(jī)床實(shí)驗(yàn)的原理和方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

〔編輯 利文〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.19