梁林海，周俊榮，王瑞超，李會(huì)軍

(五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門529020）

0 引 言

搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床是五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床類型中比較常見的一種。其中轉(zhuǎn)臺(tái)更是搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件。轉(zhuǎn)臺(tái)的類型和設(shè)置對五軸加工設(shè)備的加工精度有著比較大的影響。因此對于轉(zhuǎn)臺(tái)選擇和設(shè)置是值得我們?nèi)ヌ接懙?，以此來提升搖籃式五軸機(jī)床加工精度，進(jìn)而推動(dòng)搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。

1 搖籃式轉(zhuǎn)臺(tái)布置

1.1 轉(zhuǎn)臺(tái)類型

搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺(tái)的類型按支撐形式大致可以分為懸臂型搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)、搖擺軸帶輔助支撐轉(zhuǎn)臺(tái)[1]。懸臂型搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)使用單一支撐點(diǎn)，可以節(jié)省機(jī)床空間，但支撐點(diǎn)單一不適合加工大型零件；搖擺軸帶輔助支撐轉(zhuǎn)臺(tái)增加了一個(gè)輔助支撐，可以加強(qiáng)轉(zhuǎn)臺(tái)的穩(wěn)定性。

圖1 懸臂型搖籃式雙擺轉(zhuǎn)臺(tái)

圖2 搖擺軸帶輔助支撐轉(zhuǎn)臺(tái)

1.2 轉(zhuǎn)臺(tái)布置

轉(zhuǎn)臺(tái)根據(jù)機(jī)床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式和加工的零件尺寸來確定，轉(zhuǎn)臺(tái)布置方案選用的是BC 軸布置方式，將擺動(dòng)軸線與Y 軸平行，采用搖擺帶輔助支撐式搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)較高的剛度和加工精度，同時(shí)在加工質(zhì)量比較大的工件時(shí)，兩點(diǎn)可提供更可靠的支撐。

2 轉(zhuǎn)臺(tái)的標(biāo)定

該機(jī)床使用的是華中HNC-818D 總線型數(shù)控系統(tǒng)，是由華中數(shù)控股份有限公司開發(fā)的一款具有五軸加工功能的中高檔數(shù)控機(jī)床。

2.1 確定A軸、C軸零點(diǎn)

A 軸:手搖轉(zhuǎn)盤面至與工作臺(tái)面平行，X 軸方向打表，平行度在0.01 mm 以內(nèi)。

C 軸：手搖轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，將轉(zhuǎn)盤一邊的梯形槽搖至與X軸向平行，梯形槽內(nèi)側(cè)面打表，平行度0.01 mm 以內(nèi)。

2.2 確定C軸中心

X 軸向和Y 軸向拉表，打表測轉(zhuǎn)盤面的平面度在0.2 mm 以內(nèi)。插φ20 mm 芯棒，測主軸偏擺度在0.004 mm 以內(nèi)。手搖X 軸、Y 軸，將芯棒調(diào)整至轉(zhuǎn)盤中心的大概位置。將千分表架在轉(zhuǎn)盤面上，指針緊貼芯棒徑向線相對機(jī)床Y軸線的焦點(diǎn)處并將讀數(shù)對正，手搖轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，觀察指針讀數(shù)變化，微調(diào)X 軸和Y 軸，直至圓跳度在0.01 mm 以內(nèi)。調(diào)好后，記錄當(dāng)前屏幕的X軸、Y 軸機(jī)械坐標(biāo)，將2 個(gè)坐標(biāo)輸入到系統(tǒng)，如圖3 所示。

圖3 確定C軸中心操作圖

2.3 確定B軸中心

手輪調(diào)至B 軸，將轉(zhuǎn)臺(tái)順時(shí)針搖至轉(zhuǎn)盤面與工作臺(tái)面垂直，觀察屏幕，使B 軸角度示數(shù)為90.00°。考慮到芯棒直接試觸轉(zhuǎn)盤面的危險(xiǎn)性，需找一標(biāo)準(zhǔn)直徑的圓棒做銜接（測試選擇了φ10 的標(biāo)準(zhǔn)圓棒，可選擇其它直徑）。手輪模式打至X 軸，慢慢將芯棒向轉(zhuǎn)盤面移動(dòng)，靠近后，手動(dòng)銜接φ10的標(biāo)準(zhǔn)圓棒，以圓棒在轉(zhuǎn)盤面和芯棒圓面移動(dòng)時(shí)略黏澀的手感為準(zhǔn)，如圖4 所示。

2.4 設(shè)置此時(shí)芯棒中心位置的X軸相對零點(diǎn)

圖4 確定B 軸中心操作圖

手搖移開主軸，將轉(zhuǎn)臺(tái)反向旋轉(zhuǎn)180°，觀察屏幕，使B 軸角示數(shù)-90.00°后重復(fù)操作，記錄此時(shí)芯棒中心在X軸上的相對坐標(biāo): 根據(jù)記錄的X 軸相對坐標(biāo)值計(jì)算B 軸中心到轉(zhuǎn)盤面的距離，公式為:B 軸中心到轉(zhuǎn)盤面的距離=（X 軸相對坐標(biāo)值芯棒直徑-2×標(biāo)準(zhǔn)圓棒直徑）/2。

2.5 測量球頭刀球心與主軸中心的同軸度

將主軸移至C 軸中心位置，將芯棒卸下加裝球頭刀。將千分表架在轉(zhuǎn)盤上，指針緊貼圓球赤道面，千分表歸零，手搖轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤。觀察指針示數(shù)變化，微調(diào)球頭刀上的鎖緊螺釘重復(fù)操作，在圓球靠近南北極面各測一次，直至圓跳度在0.005 mm 內(nèi)。

2.6 測球頭刀刀長

1）首先將千分表架在轉(zhuǎn)盤面上指針頭緊貼主軸測量端面后，固定千分表，記錄當(dāng)前指針示數(shù)。

2）手輪模式打至Z 軸，上抬三軸，直至球頭刀球頭南極點(diǎn)大致和千分表指針頭位于同一平面。

3）平移千分表表座，使指針頭與球頭刀球頭南極點(diǎn)緊貼，手搖微調(diào)Z 軸，使千分表指針示數(shù)與步驟1）記錄示數(shù)相同為止。

4）記錄屏幕上Z 軸此時(shí)的相對坐標(biāo)值，該值就代表測量出的球頭刀實(shí)際刀長度。

2.7 計(jì)算Z軸機(jī)械原點(diǎn)至B軸中心距離

1）為防止球頭刀直接觸碰轉(zhuǎn)盤面的危險(xiǎn)性，用一標(biāo)準(zhǔn)直徑的圓棒做中間銜接，將主軸沿Z 軸手搖下降，待球頭刀球心南極點(diǎn)靠近轉(zhuǎn)盤面時(shí)，中間接標(biāo)準(zhǔn)圓棒。測試用的φ10 圓棒，可選用其他直徑。

2）記錄下此時(shí)屏幕上顯示的Z 軸機(jī)械坐標(biāo)值計(jì)算所求距離參數(shù)。

3）公式:所求距離=當(dāng)前Z 軸機(jī)械坐標(biāo)值+球頭刀長度+標(biāo)準(zhǔn)圓棒直徑+B 軸中心到轉(zhuǎn)盤面的距離。

2.8 確定刀補(bǔ)

計(jì)算刀補(bǔ)長度=球頭刀刀長球頭半徑（所購球頭刀球頭直徑為25 mm）對應(yīng)刀具號(hào)，輸入刀補(bǔ)值。

2.9 跟隨聯(lián)動(dòng)

千分表架在轉(zhuǎn)盤上，指針頭緊貼球頭刀球頭南極點(diǎn)，指針示數(shù)對正，輸入跟隨走刀程序:跟隨過程中，觀察千分表指針示數(shù)變化情況，允許誤差在0.01 mm 以內(nèi)。

3 基于UG的加工仿真

利用UG NX12.0 的多軸數(shù)控仿真功能，對簡單葉輪模型進(jìn)行仿真加工。

3.1 工藝設(shè)計(jì)

利用UG NX12.0 對簡易葉輪進(jìn)行三維建模（如圖5），依據(jù)簡易葉輪的規(guī)格大小，選用合適的坯料作為毛坯，本文選用的是圓形坯料。加工時(shí)首先使用立銑刀對坯料進(jìn)行初步加工，留0.4 mm半精加工余量，留0.1 mm 精加工余量。加工所用的刀具均用球銑刀進(jìn)行加工。

3.2 加工仿真及代碼生成

在仿真開始前要先創(chuàng)建機(jī)床坐標(biāo)系。在UG NX12.0操作界面中切換到加工模塊，調(diào)出坐標(biāo)系界面，命令導(dǎo)航器中選擇插入坐標(biāo)系，就可以創(chuàng)建一個(gè)坐標(biāo)系（如圖6）。其中要保證加工坐標(biāo)系與實(shí)際加工坐標(biāo)系保持相同、物料標(biāo)定點(diǎn)和物料特征點(diǎn)位置一致[2]。設(shè)置好坐標(biāo)系后利用UG 軟件生成走刀軌跡和加工代碼。

圖5 簡易葉輪三維模型圖

圖6 UG 刀具走刀軌跡圖

圖7 UG 部分加工代碼

3.3 毛坯安裝

因?yàn)楸敬渭庸さ暮喴兹~輪中心是沒有孔的，所以不能利用中間螺栓固定的方式安裝毛坯，故葉輪的毛坯安裝是利用4 塊墊高塊墊高，再用4 個(gè)螺栓壓住墊高塊并固定住，通過反拉使毛坯固定在轉(zhuǎn)臺(tái)的工作臺(tái)上。

圖8 固定毛坯圖

4 試加工

在裝配完成的機(jī)床上進(jìn)行首次加工，加工完成后可以看到成品加工表面粗糙度高，有明顯刀紋，還出現(xiàn)了過切現(xiàn)象，如圖8 和圖9 所示。

圖9 出現(xiàn)刀紋成品圖

圖10 產(chǎn)生過切部分圖

利用ISCOPE3.1 進(jìn)行了伺服參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化界面如圖11所示。優(yōu)化后重新對葉輪進(jìn)行了加工，成品表面質(zhì)量得到較大改善，加工成品如圖12 所示。

圖11 利用ISCOPE3.1 優(yōu)化界面

圖12 優(yōu)化后加工成品圖

5 結(jié) 語

文中分析了一款搖籃式五軸機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)的類型，并研究了雙轉(zhuǎn)臺(tái)在機(jī)床中的布置和標(biāo)定方式。直觀地了解轉(zhuǎn)臺(tái)的布置和標(biāo)定。再利用布置好的機(jī)床實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡易葉輪的加工。從加工工藝分析到虛擬仿真加工，再到伺服參數(shù)調(diào)試和實(shí)際加工完成，為實(shí)際操作搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床提供了參考。