王欽

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

0 引言

五軸聯(lián)動數(shù)控機床比三軸機床多了2個旋轉(zhuǎn)軸，可以任意調(diào)整刀軸方向，因而在復(fù)雜零件的加工中具有很大優(yōu)勢。可以加工出更高質(zhì)量、更復(fù)雜的曲面，主要適用于飛機、模具、汽車、透平等行業(yè)的特殊加工。產(chǎn)品質(zhì)量好，加工效率高，大幅降低了工藝、工裝的技術(shù)難度。目前五軸聯(lián)動數(shù)控機床已經(jīng)國產(chǎn)化，在性價比方面比進(jìn)口五軸機床具有很大優(yōu)勢。但是，國產(chǎn)五軸機床在控制系統(tǒng)的核心技術(shù)上面仍然處于起步和積累階段。其中五軸機床的RTCP聯(lián)動技術(shù)，就是國產(chǎn)五軸數(shù)控機床的短板。比如東汽葉片分廠采購的北京機電院的XKH800、XKH1600五軸機床的控制系統(tǒng)就不支持RTCP。沒有RTCP模塊支持，意味著數(shù)控程序就會受限于具體的機床結(jié)構(gòu)和刀具長度，一旦更換了機床 （即使是相同型號）或者更換了刀具以及刀具出現(xiàn)了磨損，數(shù)控程序都需要重新后置處理。這不但降低了機床使用效率、耽誤了生產(chǎn)進(jìn)度、而且還可能因為刀具長度的輸入錯誤造成產(chǎn)品報廢甚至撞機。因此研究如何在不升級機床硬件的情況下，實現(xiàn)類似RTCP的技術(shù)方案就成了一項很有經(jīng)濟(jì)效益和能提升質(zhì)量的課題。

1 五軸數(shù)控機床簡介及北機院 XKH系列機床結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)多軸數(shù)控機床是否具有RTCP功能進(jìn)行分類。一種是不帶RTCP功能的多軸機床，另一種是帶RTCP功能的多軸機床。

（1）不帶RTCP功能的多軸機床

此類機床特征是擺動軸在做運動時，移動軸（X、Y、Z軸）無運動，轉(zhuǎn)動軸繞轉(zhuǎn)動軸線運動，如圖1所示。

不帶RTCP功能的情況下，控制系統(tǒng)不考慮刀具長度。刀具圍繞軸的中心旋轉(zhuǎn)。刀尖將移出零件外。該類機床的缺點是同樣一個零件，機床或者刀具換了，都必須重新進(jìn)行后處理。并且操作工在裝夾工件時需要保證工件在其工作臺回轉(zhuǎn)中心位置。對操作者來說，意味著需要大量的裝夾找正時間，且精度得不到保證。

（2）帶RTCP功能的多軸機床

如圖2所示，帶RTCP功能的情況下，控制系統(tǒng)只改變刀具方向，刀尖位置仍保持不變。X，Y，Z軸上的運動通過控制系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)補償。

圖1 不帶RTCP功能的多軸機床

圖2 帶RTCP功能的多軸機床

東汽葉片分廠引進(jìn)的多臺XKH800和XKH1600機床是由北京機電研究院生產(chǎn)，主要用于汽輪機葉片加工的轉(zhuǎn)臺擺頭式銑床。平動軸為X、Y、Z，轉(zhuǎn)動軸為A、B。主軸端面在旋轉(zhuǎn)中心之下。刀具軸最大回轉(zhuǎn)角度大約在50°以內(nèi)。該類機床的控制系統(tǒng)為Sinumerik 840D，但不帶RTCP模塊。面向機床，右手方向為X軸正向，工作臺向外為Y軸正向，刀具軸向上為Z軸正向。A軸正向滿足右手螺旋法則，B軸順時針為正，如圖3所示。

圖3 機床坐標(biāo)系

2 RTCP技術(shù)簡介及優(yōu)勢

RTCP是 “Rotational Tool Center Point” 的縮寫，意思是 “旋轉(zhuǎn)刀具中心”。也有稱之為TCPM技術(shù)。

假設(shè)以手動方式定點執(zhí)行RTCP功能，刀具中心點和刀具與工件表面的實際接觸點將維持不變，此時刀具中心點落在刀具與工件表面實際接觸點處的法線上，而刀柄將圍繞刀具中心點旋轉(zhuǎn)，對于球頭刀而言，刀具中心點就是數(shù)控代碼的目標(biāo)軌跡點。該功能最大的好處是一個數(shù)控加工程序可以在工廠中不同的機床上使用，盡管這些機床的軸心偏差各不相同。另外，由于RTCP控制的是刀心軌跡，因而與刀具長度無關(guān)。更換刀具后，只需要修改機床中的刀具長度參數(shù)，就可以繼續(xù)使用原有數(shù)控程序進(jìn)行加工。使用RTCP，軸心偏差、刀長參數(shù)都存儲在控制系統(tǒng)中，數(shù)控程序與后置無關(guān)，因而真的可以做到一次編程多處使用的效果。雖然RTCP具有諸多優(yōu)點，然而作為數(shù)控系統(tǒng)的高端模塊，很多國產(chǎn)五坐標(biāo)機床卻沒有配置此功能。沒有此模塊的五軸機床由于軸心偏差不同，意味著相同制造廠商甚至型號完全一樣的機床之間，數(shù)控程序也無法通用。另外，如果在加工過程中刀具出現(xiàn)了磨損或者更換，則程序需要重新后置處理才能使用。這給實際生產(chǎn)帶來了極大不便。

3 五軸機床實現(xiàn)類似RTCP功能的原理

由五軸機床運動學(xué)公式可知，要想實現(xiàn)加工程序和機床結(jié)構(gòu)無關(guān)，就要求擺長參數(shù)不能是一臺具體機床的結(jié)構(gòu)數(shù)值，因此需要解決擺長參數(shù)可變的問題。聯(lián)想到機床的控制系統(tǒng)有很多存放參數(shù)的寄存器，通過查閱Sinumerik 840D相關(guān)手冊發(fā)現(xiàn)可以通過刀具軸回轉(zhuǎn)半徑參數(shù)$MC_TRAFO5_BASE_TOOL_1和刀具長度參數(shù)$TC_DP3[$P_TOOLNO,1]來存放每臺機床的刀具軸回轉(zhuǎn)半徑和刀具長度。這樣在加工程序里直接調(diào)用這兩個參數(shù)就可以保證程序本身與機床的無關(guān)性。由于XKH800和XKH1600均為A-B型的五軸數(shù)控機床，其運動學(xué)公式完全一樣。為減小加工程序，增加程序的可讀性，需要使用Sinumerik 840D的子程序功能。

主程序格式：

子程序格式：

4 結(jié)束語

通過對北機院XKH系列機床的深入研究，結(jié)合Sinumerik 840D的系統(tǒng)功能，找到了一種通過參數(shù)化編程來實現(xiàn)控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)用，模擬RTCP功能中與機床具體結(jié)構(gòu)參數(shù)和刀具長度無關(guān)的功能。經(jīng)過測試，證明該方法完全適用于東汽葉片分廠XKH800、XKH1600系列機床進(jìn)行實際加工。由于實現(xiàn)了 “一次編程，多機通用”的功能，縮短了生產(chǎn)調(diào)度、技術(shù)準(zhǔn)備時間。國產(chǎn)五軸數(shù)控機床的加工費用普遍在￥200/h以上，應(yīng)用此技術(shù)方案可以減少生產(chǎn)調(diào)整和機床空置時間，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。此外，該技術(shù)手段實現(xiàn)了程序和機床參數(shù)的關(guān)聯(lián)，不但減少了刀具長度手工測量錯誤的發(fā)生，而且方便了校模調(diào)試和批量加工時的尺寸調(diào)整，減少了因此造成的產(chǎn)品質(zhì)量損失，節(jié)約了成本。最后，該方法作為一種通用的技術(shù)方案，完全可以擴(kuò)展到其它型號的數(shù)控機床，具有較高的推廣價值。

[1]周紅.數(shù)控加工編程的后置處理[J].機械制造與自動化,2003,(3)：71-72，75.

[2]王華僑,張穎,等.實用數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2007.

[3]馬海濤．基于Pro／E并聯(lián)機床后置處理系統(tǒng)研究[D]．哈爾濱理工大學(xué),2005．

[4]付瑩瑩．特殊雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)五軸聯(lián)動加工中心后置處理算法研究[J]．制造技術(shù)與機床,2008,(11)：66-69．

[5]何震,馬術(shù)文．基于Pro／E和VERICUT的數(shù)控加工仿真[J]．機械,2008,35(1)：33-36．

[6]唐林.數(shù)控加工的后置處理技術(shù)[J]．新技術(shù)新工藝,2008,21(7)：24-26．