蔡 捷

(上海第二工業(yè)大學 智能制造控制工程學院,上海201209)

0 引言

五軸加工中心經(jīng)過長時間的運作或者搬運移動后,需要對機床的各項靜態(tài)及動態(tài)精度進行校驗及調整。完成機床各項基本精度(包括垂直度、平行度、直線度、定位精度及主軸跳動)調試合格后,對影響五軸變換后刀具位置精度的參數(shù)進行校正是有必要的。五軸變換功能是指在可選操作模式中用傾斜軸定位時保持刀尖位置的功能,如SIEMENS的旋轉刀具中心點(rotation tool center point,RTCP)功能,HEIDENHAIN的刀具中心點管理(tool centre point management,TCPM)保持刀尖位置功能。HERMLE五軸加工中心配套的是HEIDENHAIN iTNC530系統(tǒng),配有TCPM功能。

目前,國內(nèi)對各種五軸聯(lián)動機床的動態(tài)精度的標定原理和算法的闡述已比較完整,但標定及校驗的方法一般常采用了以下幾種:①標準棒(球頭檢棒或直棒等)配合千分表標定[1-2],這種方法會引入標準棒的輪廓誤差以及千分表的讀數(shù)偏差,降低RTCP誤差補償效果,并需要人工讀取千分表讀數(shù),過程耗時耗力;②采用無線型回轉軸校準裝置校驗標定,精度高,但價格昂貴且采購周期長;③采用Axiset Check-Up回轉軸心線檢查工具校驗標定,缺點也是價格昂貴且采購周期長;④利用球桿儀檢測旋轉軸誤差檢測方法[3-5],球桿儀需要購買,短時無法進行校驗補償工作。⑤利用標準球配合機床的運動特性模塊進行自動校正的方法,前提是購買機床時開通了此模塊。

以上幾種校正方法需要花費較多的時間和經(jīng)濟成本。如果檢測工具不準備購買、機床沒有內(nèi)置運動特性模塊或者工作時間比較緊促的話,如何利用機床系統(tǒng)內(nèi)置的一些功能來解決這個現(xiàn)實問題,是值得探討的。此類方法在目前文獻中還比較缺乏,本文提出的校正方法具有一定的現(xiàn)實指導意義。

1 檢測原理與方法

具有TCPM功能機床運行五坐標聯(lián)動加工程序時,刀位點是其相對于工件坐標系的位置點,當機床的回轉軸參與運動時直線軸做出額外的補償運動來保持刀尖點相對于工件坐標系的位置,補償運動的方位是機床根據(jù)動態(tài)精度的標定參數(shù)進行執(zhí)行的。HERMLE C30U機床如圖1所示,機床側A軸和C軸中心相對機床參考點偏移補償參數(shù)包括:A軸旋轉中心相對機床參考點Y軸方向的距離;A軸旋轉中心相對機床參考點Z軸方向的距離;C軸臺面中心相對A軸旋轉中心Z軸方向的距離(恒定);C軸旋轉中心相對機床參考點X軸方向的距離(X軸默認A、C軸重合,所以只出現(xiàn)了一次);C軸旋轉中心相對A軸旋轉中心Y軸方向的距離。

圖1 HERMLE C30U機床Fig.1 HERMLE C30U machine

機床結構如圖2所示,A、C軸中心偏移參數(shù)頁面如圖3所示。

圖2 雙轉臺機床結構Fig.2 Double turntable machine structure

圖3 A,C軸中心偏移參數(shù)頁面Fig.3 A,C axis center offset parameter page

利用3D探頭標定被測工件3個相鄰的面,建立工件坐標系,運行刀尖位置保持功能指令,將回轉軸線運行到指定位置,再次測量相同的3個面,二者之間必然存在一些偏差,然后根據(jù)檢測方法,將偏移值代入矩陣方程計算,計算出偏差的大小和方向,將其補正在相應的系統(tǒng)參數(shù)中,使機床的TCPM運行精度有效提高。其中用于計算的矩陣算法如下所示:

式中:TC為繞Z軸旋轉C角后在XY平面內(nèi)的坐標變換;TA為繞X軸旋轉A角后在Y Z平面內(nèi)的坐標變換;P為x、y、z初始坐標。而

式中:δCx、δCy、δAy、δAz為C軸和A軸的中心在x、y、z軸的線性誤差;x1,y1,z1為刀具在機床中的坐標位置;為刀具在C軸坐標系中的位置。

2 檢測步驟

檢測五軸中心空間點偏移誤差主要有4步:①使用附加功能FN18(讀取系統(tǒng)數(shù)據(jù)功能)讀取當前坐標系統(tǒng)中的當前位置,將后續(xù)測到的空間坐標數(shù)據(jù)存放在規(guī)定的各Q參數(shù)內(nèi);②使用循環(huán)13(主軸定向功能)控制機床主軸并能將其旋轉到給定角度位置,消除主軸偏擺誤差的影響;③使用循環(huán)0(參考面功能)建立X、Y、Z參考面,并將數(shù)據(jù)存放在規(guī)定的各Q參數(shù)內(nèi);④運用傾斜加工面PLANE功能使工作臺旋轉,定位時保持刀尖位置,用于測量各空間點相對于當前工件坐標系的偏差。檢測邏輯流程圖如圖4所示。

3 實驗

3.1 校驗前的技術準備

校驗工作之前需要調出3D探頭,調整探頭的偏擺幅度在0.01 mm內(nèi)(見圖5)。利用系統(tǒng)標定功能和精密內(nèi)徑環(huán)規(guī),標定出探針頭的有效半徑及XY方向上的偏擺值(見圖6),如果顯示的偏擺值在0.01 mm范圍內(nèi)就可以將半徑數(shù)值存入相應參數(shù)中。探頭標定完成后,將A軸和C軸旋轉回機械原點,安裝被測工件。安裝時盡量將工件靠近轉臺中心,避免后續(xù)測量時主軸與翻轉后的工作臺出現(xiàn)干涉。利用探頭標定功能找正工件,建立加工坐標系;用TOOL CALL命令調出精加工用銑刀,對被測工件的頂面和周邊進行精加工,工件的頂面及右下角的兩側面將作為后續(xù)被測的x、y、z的基準面,如圖7所示。

圖4 檢測程序邏輯圖Fig.4 Logic diagram of detection program

圖5 調整探頭偏擺Fig.5 Adjust probe de fl ection

圖6 標定探頭有效半徑Fig.6 Effective radius of calibration probe

圖7 精銑被測件Fig.7 Finish milling the tested part

3.2 測量五軸中心誤差值

利用HEIDENHAIN系統(tǒng)原有的測量循環(huán)指令、附加功能指令、Q參數(shù)等運行機床配套的檢測探頭測量五軸中心在機床坐標系中各空間位置的偏差值,并記錄在指定文件中。五軸中心空間位置偏差值是指兩個旋轉軸的零點偏差以及兩個旋轉軸回轉中心在空間Y、Z兩個方向上的偏差值。

(1)首先精確補償C軸角度偏置。調出探頭移動至工件X0Y 0 Z30A0C0位置,如圖8所示。因銑削加工存在加工誤差,所以利用403循環(huán)指令精確補償C軸角度偏移誤差,保證后續(xù)各空間點坐標測量的精確性。

圖8 探頭位置Fig.8 Probe location

循環(huán)403是圍繞旋轉軸旋轉,用兩點自動測量,通過轉動工作臺對工件對X軸的不平行度進行補償,TNC將測量繞Z軸旋轉的角度偏移值保存在參數(shù)Q150中,對新建的坐標系進行C軸角度偏置補償。循環(huán)403參數(shù)如圖9所示。

圖9 自動測量工具不對正量Fig.9 Automatic measurement tool misalignment

循環(huán)403參數(shù)含義如下:

TCH PROBE 403 ROT IN ROTARY AXIS;循環(huán)403(旋轉在旋轉軸)。

Q263=?90。沿加工面參考軸的第1觸點坐標。

Q264=?10。沿加工面輔助軸的第1觸點坐標。

Q265=?10。沿加工面參考軸的第2觸點坐標。

Q266=?10。沿加工面輔助軸的第3觸點坐標。

Q272=+2。被測軸1參考軸=測量軸,2輔助軸=測量軸,3測頭軸=測量軸。

Q267=+1。測頭接近工件的方向:?1為負運動方向,+1為正方向運動。

Q261=?10。測頭軸的測量高度(絕對值),進行測量的球頭中心坐標值。

Q320=+0。安全高度(增量值),測量點與球頭間的附加距離。

Q260=+30。間隔高度(絕對值),避免測頭發(fā)生碰撞沿測頭軸的坐標值。

Q301=+0。移至間隔高度,定義測頭運動方式0,在測量高度位置在兩測量點間運動1,兩測量點間在間隔高度處運動。

Q312=+6。補償運動的軸,用于指定TNC補償被測不對正量的旋轉軸;4:用旋轉軸A補償不對正量;5:用旋轉軸B補償不對正量;6:用旋轉軸C補償不對正量。

Q337=+1。對正后置零,用于確定TNC是否將對正的旋轉軸顯示值置為零,0:對正后,不將旋轉軸顯示值置零;1:對正后,將旋轉軸顯示值置為零。

(2)檢測五軸中心空間點坐標。本次共測量6個空間點,分別為A+0、C+0,A+0、C+90、A+0、C180、A0、C+270、A-90、C180,A+90、C0,具體方位示意如圖10所示。

圖10 空間測量方位圖Fig.10 Spatial measurement map

特別提示:因機床軟限位行程是A+31p–A-116p,所以操作前需將A軸正方向的軟行程參數(shù)修改為+92p。并將固定在A軸機械本體上的線纜卸下,防止線纜因A軸旋轉而被拉斷。

檢測五軸中心空間點程序如下所示:

①主要功能指令和附加功能指令。

TCH PROBE 0.0 REF.PLANE Q70X-:參考面(循環(huán)0,DIN/ISO:G55)測到的X-方向的坐標值放進Q70參數(shù)。

TCH PROBE 0.1 IX?Q60:向X方向走一個?增量值。

TCH PROBE 0.0 REF.PLANE Q71Y+:測到的Y+方向的坐標值放進Q71參數(shù)。

TCH PROBE 0.1 IY+Q60:向Y方向走一個+增量值。

FN 25:PRESET=X/+Q70/+0;將新原點設置在當前坐標系X+Q70位置處。

FN 25:PRESET=Y/+Q71/+0;將新原點設置在當前坐標系Y+Q71位置處。

PLANE RESET STAY;特性內(nèi)容等級(FCL),PLANE功能:輸入軸角,FCL 3功能。

PLANE SPATIAL SPA+0 SPB+0 SPC+90 TURN F5000 SEQ-TABLE ROT;SEQ-傾斜方向,TABLE ROT工作臺轉動。

FN 16:F-PRINT TNC:ERGEBNIS1/TNC:ROTATION1.TXT;(帶格式打印)輸出帶格式文本或Q參數(shù)值。

FN 18:SYSREAD Q1=ID270 NR1 IDX6(讀取系統(tǒng)數(shù)據(jù))當前坐標系統(tǒng)中的當前位置,270。

FN 25:PRESET=C/+Q1/+0(預設點),程序運行中設置原點,C軸,將新原點設置在當前坐標系C+Q1位置處。

②可重復調用的子程序。

LBL 10:10號子程序開始。

FN 18:SYSREAD Q61=ID1000 NR6140 IDX0;將機床內(nèi)部參數(shù)控制行程距離的數(shù)值賦值給參數(shù)Q61。

FN 18:SYSREAD Q62=ID350 NR11 IDX0;將當前觸發(fā)測頭的有效球半徑賦值給參數(shù)Q62;350觸發(fā)測頭,11有效球半徑

Q60=Q61+Q62:Q60參數(shù)值等于Q61、Q60參數(shù)值的和。

LBL 0:子程序結束。

LBL 1:1號子程序開始。

CYCL DEF 13.0 ORIENTATION:主軸定向(循環(huán)13,DIN/ISO:G36)。

CYCL DEF 13.1 ANGLE0:定向角為輸入相對加工面參考軸的角度;輸入范圍為0.000 0°～360.000 0°。

L M19:循環(huán)中定義的定向角通過輸入M19或M20定位(與機床有關)。

L X+10 Y+10 Z+Q40 R0 F10000;程序開頭賦予Q40參數(shù)值為+3。

TCH PROBE 0.0 REF.PLANE Q1Z-;測到的Z-方向的坐標值放進Q1參數(shù)。

TCH PROBE 0.1 IZ-Q61

L X-10 R0 F10000

L Z-10

TCH PROBE 0.0 REF.PLANE Q2X+;測到的X+方向的坐標值放進Q2參數(shù)。

TCH PROBE 0.1 IX+Q60

L Y-10 R0 F10000

L X+10

TCH PROBE 0.0 REF.PLANE Q3Y+;測到的Y+方向的坐標值放進Q3參數(shù)。

TCH PROBE 0.1 IY+Q60

L Z+50 R0 F10000

LBL 0。

3.3 偏移誤差值輸出及偏移參數(shù)校正

通過FN16:F-PRINT(帶格式打印功能)附加功能指令按照ERGEBNIS1文件中的格式輸出偏移坐標值到ROTATION1.TXT文件中。文件內(nèi)容如下:

偏移誤差值輸出的文件格式

ERGEBNIS1文件內(nèi)容格式如下:

“Messprotokoll 3D-Rotation”;

“Maschinennummer:.........”;

“Datum:%02.2d-%02.2d-%4d”,DAY,MONTH,YEAR4;

“Uhrzeit:%2d:%02.2d:%02.2d”,HOUR,MIN,SEC;

“---------------------------”;

“***************************”;

“Messung A0-C90-Grad”;

“***************************”;

“X=%3.3LF”,Q2;

“Y=%3.3LF”,Q3;

“Z=%3.3LF”,Q1;

“***************************”;

“Messung A0-C180-Grad”;

“***************************”;

“X=%3.3LF”,Q12;

“Y=%3.3LF”,Q13;

“Z=%3.3LF”,Q11;

“***************************”;

“Messung A0-C270-Grad”;

“***************************”;

“X=%3.3LF”,Q22;

“Y=%3.3LF”,Q23;

“Z=%3.3LF”,Q21;

“***************************”;

“Messung A-90-C180-Grad”;

“***************************”;

“X=%3.3LF”,Q32;

“Y=%3.3LF”,Q33;

“Z=%3.3LF”,Q31;

“***************************”;

“Messung A+90-C0-Grad”;

“***************************”;

“X=%3.3LF”,Q52;

“Y=%3.3LF”,Q53;

“Z=%3.3LF”,Q51;

”***************************”;

按照格式輸出的ROTATION1文件部分內(nèi)容如下:

Messprotokoll 3D-Rotation

Maschinennummer:.........

Datum:27-08-2020

Uhrzeit:14:08:48

***************************

Messung A0-C90-Grad

***************************

X=0.046

Y=?0.002

Z=?0.001

***************************

Messung A0-C180-Grad

***************************

X=0.042

Y=?0.048

Z=?0.001

***************************

Messung A0-C270-Grad

***************************

X=?0.003

Y=?0.046

Z=?0.001

***************************

Messung A-90-C180-Grad

***************************

X=0.036

Y=?0.119

Z=?0.124

***************************

Messung A+90-C0-Grad

***************************

X=0.003

Y=0.062

Z=?0.119

***************************

打開機床參數(shù)頁面(需要有授權密碼,可向廠方索要)找到參數(shù)7 530。將當前機床側C軸中心在X軸和Y軸上的坐標偏移補償值和A軸中心在Y軸和Z軸上的坐標偏移補償值寫入廠商提供的五軸中心偏移誤差優(yōu)化軟件–Excel宏程序里(見圖11)的 “Werte aus Parameter in die Tabelle eintargaen”表格白色單元格中。將ROTATION1.TXT文件中測得的A+0 C+180和A-90 C+180兩個空間點的偏移誤差值依次填入兩頁面的“Nach der ersten Messung werte aus”表格白色單元格中,此時A-90 C180頁面的“werte in Parameter eintragen”表格會顯示計算出新的坐標偏移補償數(shù)值。將新的坐標偏移補償值輸入到機床側對應的7530參數(shù)中,更新機床側原來的坐標偏移補償值并重復運行檢測程序,反復比對,選擇最優(yōu)的坐標偏移補償值進行補償。

圖11 五軸中心偏移誤差優(yōu)化程序Fig.11 Five-axis center offset error optimization program

表1為5次比對的偏移誤差數(shù)據(jù)(第2次和第5次用的是相同的機床側坐標偏移補償值)。主要看“A0-C180”和 “A-90-C180”兩例數(shù)據(jù),可以看出第2、5次的五軸中心空間坐標偏移誤差相對第1、3、4次的明顯減小,所以最終采用第5次(同第2次)的機床側坐標偏移補償數(shù)值。

表1 偏移值誤差數(shù)據(jù)Tab.1 Offset value error data

4 結 語

查閱了國內(nèi)幾種常用的五軸中心坐標偏移補償值的校正方法后,結合實際情況,從經(jīng)濟性和時間成本考慮,利用機床系統(tǒng)的測量循環(huán)指令、附加功能指令、Q參數(shù)等運行探針檢測五軸中心空間位置偏移誤差,將數(shù)據(jù)按指定格式輸出到文件中,然后借助廠方提供的外部偏移誤差優(yōu)化軟件計算出新的C軸和A軸中心在XY Z軸上的坐標偏移補償值,并在機床側進行校正,經(jīng)校正后的五軸中心空間坐標偏移誤差明顯減小。實踐證明此方法是一種高效、實用的五軸中心校正方法。其他系統(tǒng)或類型的五坐標聯(lián)動加工中心需要五軸中心校正時也可以借鑒。