（机械制造及其自动化专业论文）五轴数控加工技术研究与应用.pdf

中文摘要 本文结合d m u8 0 p 五轴铣床验收需要，对五轴加工中的一些关键问题进行 了分析与研究，不仅有助于掌握相关关键技术，提高先进制造技术理论水平，也 有利于在实际生产中更好地发挥引进机床的重要作用。 文章首先分析了d m u8 0 p 五轴铣床的结构特点，在深入了解机床结构和控 制系统之后，利用激光干涉仪对机床的精度进行检测。找到机床精度超差的原因 并对机床参数进行了调整，使其满足了使用要求。 然后根据本机床的特点，对后置处理中机床坐标变换、非线性误差以及进给 速度校核与修正等内容进行了分析，提出了相应的解决措施，完善了后置处理工 作，并使得引进机床能够达到更好的加工效果。 接着对平底立铣刀在旋转两个角度后的加工效果进行了详细的分析。运用空 间坐标系仿射坐标变换和空间图形的平面坐标系投影的方法对曲面加工中刀具 有效半径和残留高度进行了算法的研究，得到了相关的公式，并用实际加工实验 进行了验证。 最后，对h e i d e n h a i ni t n c5 3 0 控制系统五轴精度控制功能进行了理论分 析和实际切削实验研究，并总结出精度控制功能的切削实验参数。 关键词：五轴数控加工非线性误差刀具有效半径残留高度精度控制 a b s t r a c t t h i sp a p e rc o m b i n e dw i t ht h ei n s p e c t i o nn e e do fd m u8 0 pf i v e a x i sm i l l i n g m a c h i n eh a sa n a l y z e da n ds t u d i e ds o m ek e yp r o b l e m si nf i v e a x i sp r o c e s s i ti sn o t o n l yc o n t r i b u t i v et om a s t e rc o r r e l a t i v ek e yt e c h n o l o g i e sa n dt or a i s et h et h e o r yl e v e l o fa d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n i q u e s ，b u ta l s ob e n e f i c i a lt ou s er e a s o n a b l yt h e m a c h i n et o o li nr e a lp r o d u c t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e rh a sa n a l y z e df i v e - a x i sm i l l i n gs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fd m u 8 0 p , a n dt h eu t i l i z a t i o nl a s e ri n t e r f e r e n c ea p p a r a t u si st e s t e dt ot h ep r e c i s i o no f m a c h i n et o o la f t e rg o i n gd e e pi n t ou n d e r s t a n d i n gm a c h i n et o o ls t r u c t u r ea n dt h e c o n t r o ls y s t e m f i n d st h ee r r o rc a u s eo fm a c h i n et o o lp r e c i s i o nk i n e m a t i c s ，a n da d j u s t t ot h em a c h i n et o o lp r e c i s i o n ，a n dm a k e sh i ss a t i s f yt ou s er e q u i r e m e n t t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i sm a c h i n et o o l ，ih a v ec a r r i e do n a r i t h m e t i cf o r m u l aa n a l y z i n gt ot h em a c h i n et o o lc o o r d i n a t em u t a t i o n ，n o n - l i n e a re r r o r a sw e l la sf e e d - r a t ea d j u s t m e n t ，a n dh a sp u tf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n gi n s t r u c t i o n c o n t r o lm e a s u r e ，a n dh a ss o l v e dt h ek e yi s s u ei np o s t - p r o c e s s i n g ，a n di tc a nm a k et h e m a c h i n et o o la c h i e v e sb e t t e rp r o c e s se f f e c t t h i sp a p e rh a sd e t a il e da n a l y z e dt h ep r o c e s se f f e c to ft h ef l a tb o t t o mm i l l i n g c u t t e rt or e v o l v et w oa n g e l s u s i n gt h em e t h o do fs p a c es y s t e mo fc o o r d i n a t e sa f f i n e c o o r d i n a t em u t a t i o na n ds p a c ed i a g r a mp r o j e c t i o nt oh a v ec a r r i e do nt h es t u d yo f a l g o r i t h mt ot h ee f f e c t i v er a d i u so fc u r e ra n dt h el e a v e dh e i g h ti nt h ec u r v e ds u r f a c e p r o c e s s ，a n d h a sg o tt h ef o r m u l ao fc o r r e l a t i o n ，a n dh a sb e e ni np r o g r e s st h e c e r t i f i c a t i o nw i t ht h er e a lp r o c e s se x p e r i m e n t f i n a l l y , ic a r r yo nt h e o r ya n a l y s i sa n dr e a lc u t t i n ge x p e r i m e n ts t u d yt o f i v e a c c u r a c yc o n t r o lf u n c t i o no fh e i d e n h a i ni t n c5 3 0c o n t r o ls y s t e m ，a n ds u mu pa c u t t i n ge x p e r i m e n tp a r a m e t e ro fa c c u r a c yc o n t r o lf u n c t i o n k e yw o r d s ：f i v e - a x i sn u m e r i c a lp r o c e s s ，n o n l i n e a re r r o r , t h ee f f e c t i v er a d i u s o fc u t t e r , t h el e a v e dh e i g h t ，a c c u r a c yc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：委鲰孚 签字日期： 如d 8 年o 月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行捡 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：壹旅孚 导师签名： 嚏臣 签字日期：加岛年df 月z 7 日签字日期：二啭年【月z 7 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着人类生活水平的不断提高，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更 新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加。此外，随着航空工业、汽 车工业和轻工消费品生产高速增长，复杂形状的零件也越来越多，精度要求也越 来越高。面对激烈的市场竞争，传统的加工设备和制造方法已难于适应多样化、 柔性化与复杂形状零件的高效、高质量加工要求。为了有效解决复杂、精密、小 批多变零件加工问题，数控洲c ) 加工技术得到了迅速发展和广泛应用，使得制造 技术发生了根本性的变化。努力发展数控加工技术，并向更高层次的自动化、柔 性化、敏捷化、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发展的方向。 1 2 五轴技术 1 2 1 五轴技术简介 五轴技术是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、 高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于表面形状特别复杂而精度要求相 当高的工件的加工，具有高技术、高效率、高效益等特点，是目前机械加工领域 的“制高点。国际上把五轴技术作为一个国家生产设备自动化技术水平的标志。 由于其特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以及技术上 的复杂性，西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证 制度，对我国实行禁运，限制我国国防、军事工业发展。因而，研究五轴数控加 工技术对国家科技力量和综合国力的提高有重要意义。 五轴加工机床传统上在航空工业使用，主要加工复杂曲面的元件，如机身结 构、涡轮叶片等。这些工件表面几何形状复杂，凹凸不一，大部分的加工时间消 耗在表面外形雕刻上。常用的三轴铣床只能沿着三个轴向运动，对复杂曲面的加 工采用圆头端铣刀，不可避免地会在工件表面留下扇形尖点，如改用较小的进刀 量时会导致加工时间加长，而如用人工方式磨平这些尖点，又是相当费时费力的 工作。用五轴加工机床加工，可以使用平头端铣刀取代圆头端铣刀，由于同时具 天津大学硕士学位论文第一章绪论 备五个轴向的自由度，刀具可保持和工件表面的垂直，不仅切削效率高，同时加 工出符合设计需要的曲面，可节省大部分的钳工工作。 几十年来，人们普遍认为五轴数控加工技术是加工连续、平滑、复杂曲面的 唯一手段。一旦人们在设计、制造复杂曲面遇到无法解决的难题，就会求诸五轴 加工技术。早在2 0 世纪6 0 年代，国外航空工业生产中就开始采用五轴数控铣床， 而我国五轴数控机床的应用早期仅仅局限于航空、航天及其相关工业。近年来， 随着数控技术以及机床设计与制造技术的快速发展，五轴机床成本逐渐降低，其 应用领域开始扩展到汽车、模具等制造类行业中。 目前大部分模具加工厂使用三轴加工机床进行模具加工，而后需要大量的人 工进行钳工修整工作，从降低人工成本出发，势必要以自动化机器取代人力，才 能提高模具加工业的竞争力。模具加工业采用五轴加工机床，能够大幅度提高模 具加工效率，正成为新的发展趋势。 五轴数控加工中心可以在一次装夹中完成工件的全部机械加工工序，满足从 粗加工到精加工的全部加工要求，即适用于单件小批量生产也适用于大批量生 产，减少了加工时间和生产费用，提高了数控设备的生产能力和经济性。 五轴加工机床在模具加工上的应用对使用者而言主要是投资成本太高，短期 不易回收，程序编制及机床使用方面难度较大，不易找到专门人员操作。对机床 制造商而言则是研究开发成本高，造成单价高不易销售。长期来看，生产成本核 算的降低会和设备、系统的投资达到平衡点，五轴加工机床在模具加工上的应用， 无论是对模具加工商还是机床制造商，都是不可忽视的发展趋势。 以模具加工为主的五轴加工机床，要求具有高速铣削特性，铣削精度高，加 工材料范围广泛，能够对模型表面自动扫描，并将所得数据数字化，另外自动换 刀功能也是五轴加工机床必备的。 1 2 2 五轴编程 数控零件加工程序的编制是数控加工的基础，国内外数控加工统计表明，造 成数控设备空闲的原因大约2 0 3 0 是编程引起的【1 1 ，可见数控编程直接影响 设备的使用效率。数控机床出现后不久，计算机就被用来帮助解决复杂零件的加 工，称为计算机辅助编程或自动编程。目前五轴编程广泛采用自动编程技术。 近年来，计算机技术发展十分迅速，计算机的图形处理能力有了很大的增长。 因而“图形交互自动编程”应运而生，并在7 0 年代以后，得到迅速的发展和推 广。“图形交互自动编程 是一种计算机辅助编程技术，它是通过专用的计算机 软件( 如机械c a d 软件) 来实现的。利用c a d 软件的图形编辑功能，通过使用鼠 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 标、键盘、数字化仪等将零件的几何图形绘制在计算机上，形成零件的图形文件， 然后调用数控编程模块，采用人机交互的实时对话方式，在计算机屏幕上指定被 加工的部位，再输入相应的加工参数，计算机便可以自动进行必要的数学处理并 编制出数控加工程序，同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。这种 编程方法，不需要编制零件加工源程序，编程方法简单易学，具有速度快、直观 性好、使用简便、便于检查等优点。因此，“图形交互自动编程”已成为目前国 内外先进的c a d c a m 软件所普遍采用的数控编程方法 2 - 4 。 对于五轴自动编程来说，主要有以下特点： 1 编程复杂、难度大，因为五轴加工不同于三轴，它除了三个直线运动外， 还有两个旋转运动参与，其所形成的合成运动的空间轨迹非常复杂和抽象，一般 难以想象和理解。 2 在三轴机床上，同一段n c 代码可以在不同的机床上获得同样的加工效 果，但某一种五轴机床的n c 代码却不能适用于所有类型的五轴机床。 3 五轴加工程序与刀具设定有密切的关系，一旦刀径或刀长改变时，原程 序便不能使用，应重新产生刀具路径档案，再经由后处理程序转换为实际加工的 n c 程序。 1 2 3 多轴数控力n z 7 j 位计算方法综述 传统的自由曲面加工主要是用球头刀在三轴机床上完成的。三坐标数控加工 具有控制运动轴数少、编程简单等优点，但存在加工效率低、应用场合有限等致 命缺点。由于五轴数控加工在质量和效率方面具有三轴加工无法比拟的优势，近 年来自由曲面的五轴数控加工理论和加工方法已成为该领域的研究热点。研究结 果表明，对刀具的实际控制自由度越多，算法越完善，刀尖轨迹包络面与曲面的 逼近程度就越高，也就越容易达到或提高所加工工件的精度。在近三十年的研究 中，刀位算法的研究始终没有停止过，特别是近十年来发展更加迅速。下面简要 介绍几个有代表性的确定空间自由曲面刀位轨迹端铣加工方面的原理和算法： 1 s t u r z ：方法 该方法用普通平底端铣刀在五轴数控机床上完成对自由曲面的加工，在加工 过程中为了防止刀具底部与加工表面接触及切削刃与被a n - r 表面的干涉，应将刀 轴置于加工表面法向矢量与进给方向切向失量所在的平面之内，此平面即为端铣 刀的摆刀平面，刀轴在摆刀平面内，沿进给方向与加工表面法矢倾斜一个角度， 角称为刀倾角( s t u r z a n g l e 或t i l t e d a n g l e ) 5 1 。经过大量实践，s t u r z 方法的理论 和算法己经成熟使之在自由曲面的加工领域得到广泛的应用。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 2 密切曲率法 王小椿于1 9 9 2 年提出了密切曲率法【6 丌。该方法采用中凹的盘形铣刀，在每 一行程中使刀具轴线相对于工件按特殊的规律摆动，使得在垂直于进给方向的法 截面中，由刀尖轨迹形成的包络面的法截线与理论曲面的法截线具有相同的曲率 和曲率导数，从而使得每一行程中刀尖轨迹的包络面与理论曲面达到三阶切触， 可有效的增大了刀具每一行的有效切削宽度。整体上减少了所需的加工行程，大 大提高了加工效率。 3 曲率匹配法 该算法中刀具倾角的确定不再用刀触点的曲面法矢量来计算，而是用到了刀 触点的曲面曲率信息。曲率匹配法以微分几何为理论基础，以曲率匹配为优化目 标，具有形象直观、易于理解的特点，切削带宽有了明显的提高，实验效果比s t u r z 法好得多【引。但该方法无论从计算原理还是计算方法上都做了大量的简化，以牺 牲精确度来换取较大的切削带宽，这在精密加工中是不允许的，而且干涉检查比 较困难，因而其实际应用相对较少。 4 多点加工法 加拿大的a n d r e ww a r k e n t i n 于2 0 0 0 年提出了多点加工法( m u l t i p o i n t m a c h i n i n g ) 算法【9 1 。该算法指出，在一般情况下，刀具与工件之间的接触点可以 有两个，这两个接触点是关于曲面的最小曲率方向对称的，当通过调整刀具和工 件的相互位置出现两个接触点时，刀具和工件表面有更紧密的贴合。与单点接触 的曲率匹配法相比，多点加工法不仅考虑了一个切触点的几何特性，而且通过另 一个切触点的寻找间接地考虑了刀具投影下的整个曲面特性，能使刀具和工件接 触更加紧密，从而有可能获得更大的带宽。但由于受到曲面的约束，该方法的数 学原理非常复杂，其中有些关键参数还需要凭经验确定，计算相当繁琐，在某些 情况下还有可能不收敛，而且目前的算法尚不支持凸曲面的加工，这些都限制了 其实际应用。 5 最短距离线法 倪炎榕【1 0 】于2 0 0 1 年提出了一种基于刀位误差的最短距离线法。最短距离线法 是将加工曲面在平行于走刀方向离散成无数条截型线，求每条截型线的各点到刀 具表面的最短距离，这个最短距离对应着工件截形线和刀具表面各一个相应点， 将所有截型线的最短距离相应的工件曲面和刀具表面的点分别连起来，即可得到 一对最短距离线。最短距离线法彻底放弃了刀触点的概念，较全面地考虑了刀具 和曲面的位置关系，它不依靠任何复杂的数学推导，原理简单，而且不会产生千 涉，并具有较大的切削带宽，是一种比较好的刀位算法。这种算法的缺点是对刀 具的运动进行了简化并人为规定了迸给方向，这会带来一定的误差，另外算法采 天津大学硕士学位论文第一章绪论 用纯数值迭代，计算量比较大。 s t u r z 方法只是研究了前倾角对五轴加工的影响，而对于侧倾角口与前倾 角联合作用对加工过程的影响目前还没有见过这方面的报道。 1 3 数控加工后置处理技术 要想实现五轴编程与五轴数控加工刀位计算，就必须对五轴加工机床进行相 应的后置处理设置。对于三轴数控机床后置处理而言，如果控制系统相同，后置 处理几乎是通用的。而五轴机床由于机床结构相对复杂，不同的五轴机床在结构 上会有本质的差别，再加上五轴控制系统的差别也很大，所以对于五轴机床来说， 后置处理程序是不能通用的，常常需要有针对性地加以研究和开发。 随着国内五坐标数控机床的逐渐增多，数控编程软件功能的不断完善，许多 厂家都采用数控加工技术来加工一些高精尖及复杂零件，大大提高了生产效率及 加工精度j 。刀位轨迹的计算都是以工件坐标系为基准进行的，没有考虑具体的 机床结构参数，后处理的任务就是把前置计算的刀位轨迹数据转换成机床能够识 别的数控程序。后处理中主要包括机床坐标变换、非线性误差分析、进给速度校 核与修正以及数控程序生成等研究内容。目前对于普通类型五轴机床的后处理算 法己经比较成熟【1 2 】i l3 1 ，在此不再赘述。下面重点讨论目前研究的热点问题一非 线性误差分析。 在1 9 9 1 年，t a k e u c h i y t | 4j 研究过五坐标加工中的非线性误差问题，但有关其 定义目前仍有混洲1 5 】【1 6 】，文献【1 3 】将刀位点的插补轨迹与连接两刀位点的直线之 间的偏差称为非线性误差，这是目前比较通用的表述。产生非线性误差的根本原 因，在于整个机床是一个点位控制系统而非轨迹控制系统，这是目前所有机床控 制系统都面临的一个问题。由于非线性误差属于机床运动误差，与机床的具体结 构有关，必须建立通用的数学模型进行分析和计算，因此难于预测和控制。文献 1 17 j 对非线性误差的分析较有代表性，认为五坐标端铣加工的误差包括直线逼近误 差和刀轴摆动误差，前者使刀位点的轨迹是一条直线，后者使刀具切触点的轨迹 是一条曲线，并对曲线的凹凸性进行了进一步的分析，这一分析结论被多篇文献 引用【1 8 - 2 0 1 。非线性误差的影响因素较多，文献【1 6 】f 2 0 1 从不同方面对刀具尺寸的影 响进行了计算；文献【l5 】指出机床摆动机构参数l 是影响非线性误差的最主要因 素，应在结构允许的情况下尽可能减小；而文献【2 1 】贝0 认为，设计工艺性、加工方 案、刀具选择、机床选择甚至专用机床设计等，都必须考虑非线性误差的影响。 天津大学硕士学位论文 第章绪论 1 4 课题来源和课题主要的研究工作 1 4 1 课题来源 本课题来源于本人所在学校实际工作需要。我所在的学校以模具专业为主要 发展方向，多年来一直以该专业为主开展课程与实训项目。随着模具加工制造业 的不断发展，对设备的要求也在不断的提高。为了满足教学与科研的需要，在北 京市政府资金支持下购买了德国d m g 公司生产的d m u8 0 p 五轴铣床。本论文 将围绕该机床对五轴加工技术作深入的探讨与研究，力求使该机床对我校的教学 与科研工作作出最大的贡献。 1 4 2 研究内容 本文将首先分析d m u8 0 p 五轴铣床的结构特点，在深入了解机床结构和控 制系统基础上，利用激光干涉仪对机床的精度进行检测以找到机床精度超差的原 因，然后设法对机床参数进行调整，使其满足使用要求。 为了解决后置处理过程中遇到的有关问题，将对后置处理中机床坐标变换、 非线性误差分析以及进给速度校核与修正等内容进行分析，以提出相应的控制措 施。 工艺参数是否恰当往往会影响到加工质量和精度。为此，论文将对平底立铣 刀的侧倾角口和前倾角对加工效果的影响进行定量分析，并对曲面加工中刀具 的有效半径和残留高度进行精确计算，还将通过实际加工实验进行验证。 最后，将对h e i d e n h a i ni t n c5 3 0 控制系统中的五轴精度控制功能进行分 析和实际切削实验研究，分析和考察其技术特点，为今后的应用奠定理论和实践 基础。 天津大学硕士学位论文第二章d m u8 0 p 五轴机床结构分析与精度检测 第二章d m u8 0 p 五轴机床结构分析与精度检测 2 1d m u8 0 p 五轴机床结构分析 2 1 1 机床信息 我校购买的d m u8 0 p 机床是一款集五轴技术与高速技术为一体的综合机床，该 机床可实现立卧转化，b 轴为主轴复合摆动，主轴在摆动过程中同时实现两个方向的 摆动运动，c 轴为绕z 轴的转轴，机床的具体信息见表2 1 。 表2 1 机床信息表 名称规格( 型号)备注 控制系统 d m u8 0 p - h e i d e n h a i n5 3 0 x ：8 0 0 机床坐标轴及行程( m m )y ：8 0 0 z ：8 0 0 工作台尺寸( m m ) 9 0 0 x 7 0 0 工作台承载( k g ) 1 4 0 0 零件最大直径( m m ) 巾9 0 0 主轴最高转速( r r a i n ) 1 8 0 0 0 a ： 无 各轴格式( 度) b ：o 1 8 0 有极限位置 c ：0 3 6 0 无极限位置 进给速度x y z ( n d m i n ) 6 0 直线轴加速度( m s 2 ) 6 直线轴推进力 1 2 1 2 x 1 2 x y z ( k n ) 电主轴 s k 4 0 主轴功率( k w ) 1 9 链式刀库4 0 把刀具 换刀时间( s ) 4 寻刀时间( s ) 6 天津大学硕士学位论文第二章d m u8 0 p 五轴机床结构分析与精度检测 2 1 2 机床结构特性分析 图2 - 1 为d m u8 0 p 机床的结构图，图中所示为机床的主要结构。 圈2 - 】d m u9 0 p 机床结构 现将机床的主要结构特性分析如下所示： 1 整体铸造铸铁床身 床身采用高质量、高刚性、高抗涨性的灰铸铁。底座中添加高阻尼的聚合物混凝 土或加入阻尼渡，以增加其抗震性和热稳定性，以此保证机床精度稳定，防止加工中 带来的振颤。 床身采用整体铸造技术，床身结构对称，增加床体加强筋，通过模态分析和有限 元结构计算，有效的优化了结构，提高了床身稳定性和可靠性。 天津大学硕士学位论文第二章d m u8 0 p 五轴机床结构分析与精度检测 2 立卧转换万能铣头( b 轴) 高性能的主轴是实现高速加工的重要条件。转速范围为：o 18 0 0 0 r p m ，功率为 1 9 k w ( 电主轴) 。其主要性能如下所示： a 通过压缩空气或冷却系统控制刀柄与主轴的轴向间隙小于o 0 0 5 m m ； b 具备快速提升并在指定位置快速准停的性能( 角加速度) ； c 主轴采用混合轴承( 陶瓷滚珠+ 钢圈) ，以提高速度性能； d 润滑多采用油气润滑、喷射润滑等技术： e 主轴冷却多采用内部循环水冷( 水加防冻液) 或油冷( 特制主轴油) ，外部加冷却 装置。减少因主轴高速运转时产生的热量，从而提高主轴精度。 图2 2 为d m u8 0 p 在不同转速下主轴的输出转矩和输出功率图。 o p t i o n ：18 ，0 0 0r p m ( s k 4 0 h s k - a 6 3 ) l n m t o r q u e o u t p u tt k w 柏 4 0 嚣l o w，1 5 2 5 ： 5 11 9k w 、 2 0 。t 6 1 25 1214s3082；彩 - 1 0 。 ， - 8 焦心彩 - 6 3 r s - - 3 幅 - 2 i - 2 。o - 15 12 5 - 1 - o 卫 - 0 6 一 焉i ； 毫毫睾喜； s p e e d h 、“r 口m 图2 2 输出转矩和输出功率图 3 整体铸造墙体 以坚实的铸铁墙体代替移动立柱，同时x 轴采用三根导轨支撑，最大限度地保 证了铣头刚性。无论铣头处在z 轴的最上端还是下端，其加工时的刚性均不受影响。 同时床身重量较以前增加了一倍，移动部件重量较以前降低了一倍，机床的整体刚性 增加，动态性能得到有效提高，快移速度高达6 0 m m i n 。 机床整体采用“两体式”铸铁结构，如图2 3 所示，有效的避免了各部分运动部 件之间运动与受热变形的干扰，提高了机床的精度。 4 对称式螺旋排屑器( 加刮板式排屑器) 排屑器采用3 5 。床身罩板，这样不仅能够提高排屑性能，还能减少切屑与床身间 的热传导；同时螺旋排屑器靠隔热板与床身隔离，杜绝切屑与机床间的热传导；从而 天谗丈学硕士学位论文 第二章d m u9 0 p 五轴机床结构分析与精度检测 有效保证机床整体的热稳定性，提高了加工精度 图2 - 3“两体式”铸铁结构示意图 2 2h e i d e n t l m n 数控系统简介 d m u8 0 p 机床是由德国d m o 公司开发的五轴联动高速切削棚i 。该型机床具有 转台和摆头，因此可以同时控制x 、y 、z 、c 、b 轴( 其主要技术参数见表2 一1 ) ，机床 控制系统型号为h e l d e n h a r ni t n c 5 3 0 ，其主要数控代码与常用的g 指令编程有所不 同。 h e i d e n h a i ni t n c 5 3 0 系统i 是面向车间应用的轮廓加工数控系统，操作人员 可在机床上采用对话格式手工编程语言编写常规加工程序。该系统最多可控制9 个轴。 交互式的图形显示可将编程轮廓的每个加工步骤图形化地显示在屏幂上。如果工件图 的尺寸不是按数控加工要求进行标注的，h e i d e n h a i n f k 自由轮廓编程功能还能自 动进行必要的计算。在实际加工过程中或加工前，系统还能图形化地模拟工件女n 3 - i t 程。在运行一个程序的同时，还能输入或测试另一个程序。 2 2 1 创建与编写程序 h e i d e n h a i n 对话格式数控程序由一系列程序段组成。图2 4 所示为程序段的并 构成元素。 天津大学硕士学位论文第二章d m u8 0 p 五轴机床结构分析与精度检测 程序段： 图2 - 4 程序段结构图 脏i d e n h a 烈数控系统按升序为程序段编号。 程序的整体结构包括以下信息： a 程序的第一个程序段标记为b e g 州p g m ，并有程序名和当前尺寸单位； b 定义工件毛坯； c 刀具定义，刀具调用； d 定义进给速率和主轴转速，以及路径轮廓、循环及其他功能； e 程序的最后一个程序段被标记为e n dp g m ，并有程序名和当前尺寸单位。 2 2 2 编程指令 h e i d e n h a i n 数控系统主要包括下列编程指令： a 刀具编程指令； b 轮廓编程加工指令； c 辅助功能编程指令； d 循环编程指令； e 特殊功能编程指令； f 子程序与程序块重复编程指令； g q 参数编程指令； 2 2 3 典型五轴程序指令分析 下面是一段典型的h e i d e n h a 州数控系统的五轴程序。 0b e g p g mo o l om m lb l kf o r m0 1zx 2 0 0y 1 0 0z 5 0 2b l kf o i u 0 2x 2 0 0y 1 0 0z 0 3c y c ld e f2 4 7d a t u ms e t r n 、j g 1 1 天津大学硕士学位论文第二章d m u8 0 p 五轴机床结构分析与精度检测 q 3 3 9 = + 1 ；d a t u mn u m b e r 4p l a n er e s e ts t a y 5m 1 2 7 6lz 1f ，i a xm 9 l 7lx 1 0 0y 1f m a xm 9 l 8lc 0b 0f m a xm 9 l 9t o o lc a l l3z $ 3 0 0 0 1 0m 0 3 l llz 1f m a xm 9 l 1 2lc 9 0b 18 0f m a x 1 3m 1 2 8 1 4lx 1 7 2 0 3y 6 0f m a x 1 5lz 3 5 3 0 1f m a x 1 6m 0 8 1 7m 1 2 9 l8p l a n es p a t l 气ls p a 9 0s p b 0s p cl8 0s t a y 1 9lc + q 1 2 2b + q i 2 1f 眦 2 0lz 4 4 2 4 9f m l 气x 2 1lz 4 3 2 4 9f 2 0 0 0 2 2lz 4 1 7 4 9f 6 0 0 2 3lx 15 8 4 5y 3 4 5 4 8 3 6lx 6 8 0 2 2z 15 5 9 4f n 瞅 3 7m 1 2 9 3 8m 0 5 3 9m 0 9 4 0lm 1 4 0m bm a x 4 1lz 1f m a xm 9 1 4 2lx 1 0 0y 1f m a xm 9 1 4 3lc ob 0f m a xm 9 l 4 4p l a n er e s e ts t a y 4 5m 3 0 4 6e n dp g m0 0 1 0m m - 1 2 天津大学硕士学位论文第二章d m u8 0 p 五轴机床结构分析与精度检测 1 倾斜加工面功能p l a n e p l m 姬功能是一个用于定义倾斜加工面的强大功能，要实现五轴加工此功能是 必不可少的，t n c 系统提供的各个p l a n e 功能都可用来描述所用的加工面，而最常 用的一种就是空间角定义方式。 例如： 2 1p l a n es p a t i a ls p a 9 0s p b os p c18 0m o v e 2 31p l a n er e s e i m o v e 上个语句中s p a 代表a 轴旋转的空间角，s p b 代表b 轴旋转的空间角和s p c 代表c 轴旋转的空间角。由于必需输入全部三个角，因此如果机床上缺少某个轴的话，应将 其角度定义为0 。要取消倾斜加工面功能输入“p l a n er e s e tm o v e ”即可。 应当注意的是虽然d m u8 0 p 机床不具有a 轴，但实际上通过b 轴与c 轴的拟合运 动也达到了a 轴转动的效果，这说明此功能与机床实际所带的旋转轴无关。 2 旋转轴最短路径移动功能m 12 6 如果旋转轴的显示值减小到3 6 0 。以下的话，t n c 将用m 1 2 6 功能沿最短路径移动 轴。例如：当旋转轴从+ 3 5 0 0 旋转n + 1 0 0 时，机床运行会产生两种结果，第一种是旋 转3 4 0 0 ，第二种是旋转+ 2 0 0 ，当m 1 2 6 起作用时，机床则按第二种方式旋转至l j + 2 0 0 。 m 1 2 6 在程序段开始处生效。要取消m 1 2 6 ，输入m 1 2 7 。在程序结束时，m 1 2 6 将被自 动取消。 3 用倾斜轴定位时保持刀尖位置( t c p m 卜- m 1 2 8 t n c 将刀具移至零件程序要求的位置处。如果程序中改变了倾斜轴位置，必须计 算其所导致的线性轴偏移量并按定位程序段移动，如图2 5 所示。如果程序中改变了 数控倾斜轴位置，刀尖相对于工件的位置将保持不变。 图2 5m 1 2 8 运动示意图 天津大学硕士学位论文第二章d m u8 0 p 五轴机床结构分析与精度检测 在使用m 1 2 8 过程中，编写倾斜工作台运动程序，t n c 将相应旋转坐标系。例如， 如果将c 轴旋转9 0 0 ( 通过定位指令或原点平移) ，然后编程x 轴运动，t n c 将执行沿机 床轴y 的运动。t n c 还将根据旋转工作台的运动对原点的平移来转换已定义的原点。 m 1 2 8 在程序段开始处生效，m 1 2 9 在程序段结束处生效。在手动操作模式下m 1 2 8 也有效，并在改变操作模式后仍保持有效。 要取消m 1 2 8 ，输入m 1 2 9 。如果在程序运行操作模式下选择了新程序，t n c 也 将复位m 1 2 8 。 4 沿刀具轴退离轮廓m 1 4 0 用m 1 4 0m b ( 后移) 功能，可以输入沿刀具轴方向离开轮廓的路径。如果在定位程 序段中输入m 1 4 0 ，t n c 将继续显示对话，提示输入刀具离开轮廓的路径。输入刀具 离开轮廓应走的路径，或按m a x 软键移至行程的极限位置。此外，还可以编程刀具 沿输入路径的移动进给速率。如果不输入进给速率，t n c 将沿输入的路径快速移动。 m 1 4 0 仅在所编程序段内有效。m 1 4 0 在程序段开始处生效。 举例： 2 6 0lx + 0y + 3 8 5f 1 2 5m 1 4 0m b5 0f 7 5 0 2 6 1lx + 0y + 3 8 5f 1 2 5m 1 4 0m bm a x 程序段2 6 0 ：由轮廓退刀5 0 毫米。 程序段2 6 1 ：将刀具移至行程范围的极限位置。 详细的编程指令请参阅h e i d e n h a i ni t n c5 3 0 编程手册【2 2 | 。 2 3 机床的精度检测与调整( 额定参数) d m u8 0 p 机床运抵我校后，在安装调试时，利用激光干涉仪对机床的精度进行 检测，发现机床x 轴、y 轴和z 轴定位精度和重复定位精度严重超差，机床出厂说 明书规定机床精度为0 0 0 8 m m 。以x 轴为例，其测量结果如图2 - 6 所示。其它各轴也 存在同样的问题。 由于该机床在出厂时已作过激光干涉仪检测，从出厂报告上来看是合格的，那么 为什么运到我校后，测试会出现三个坐标轴严重超差的现象，及时分析其原因发现有 可能是在运输过程中由于颠簸或是在德国工厂出厂时的检测环境和我校的环境差异 造成的。我们对车间环境及时进行了改造，将机床所在的车间做了一个恒温控制系统， 使机床附近的温度在2 1 度左右，偏差不超过正负l 度。之后我们又用激光干涉仪对 机床的三个轴的精度进行了测量，将测量后得到的数据输入到系统中，对机床参数进 行调整，调整后再次利用激光干涉仪对机床精度进行测量，测量结果如图2 7 所示。 天津大学硕士学位论文第二章d m u8 0 p 五轴机床结构分析与精度检测 0 帆 0 0 蛇 0 吨毗 吨州 - 0 晰 吨懈 吨0 1 吨0 1 2 i3 4 4 1 、j 、 、， 、：三三；多j 、j 毒迤彰参澎 、 v n ，3 ，擅用! 绪蚀 l 抛枷蜘湖鲫 积(赫)44v d rl 德田一线性 。静卟 瓯器名称：i 瑚i u s o p轴：- x 一【反向量差：0 0 0 1 0 2 0 深列号：1 1 4 40 0 0 1 9 03测量位置：定位精度：0 0 1 6 8 3 4 、日期：2 0 0 7 - 0 3 - 2 8u 平均 ：0 0 0 0 6 3 3 重复精度：0 0 0 9 8 7 4 哒墼童；：型! 塑iq ：螋螋q 苎建置但董! ：鲤! ! 箜 图2 - 6 机床x 轴精度检测结果图 图2 7 机床x 轴精度检测结果( 调整后) 从上述测量结果分析，机床的定位精度和重复定位精度均满足要求。但是由于随 机性误差的存在，使得机床的精度很难进一步提高，此问题有待进一步研究。 天津大学硕士学位论文第二章d m u8 0 p 五轴机床结构分析与精度检测 2 4 本章小结 本章首先对d m u8 0 p 五轴机床结构进行了分析，然后简单介绍了h e i d e n h a i n i t n c 5 3 0 数控系统，最后对机床的精度超差现象进行了分析并找到精度超差的原因并 对机床参数进行了调整，使机床的精度达到合格标准。 天津大学硕士学位论文第三章后置处理 第三章后置处理 无论是哪种c a m 软件，其主要用途都是要生成在机床上加工零件的刀具轨迹( 简 称刀轨) 。一般来说，由于各种类型的机床在物理结构和控制系统方面可能不同，它 们对n c 程序中指令和格式的要求也可能不同，因此c a m 软件内部生成的刀轨数据 必须经过处理才能适应每种机床及其控制系统的特定要求。 3 1 五轴联动机床分类 5 轴联动数控铣削中心由三个平动轴和二个回转轴构成。有些文献根据运动轴配 置的不同，将5 轴联动机床分成了不同的的结构类型。本文按照轴的分布情况将其划 分为三种基本类型，并将运动中轴线方向不变的回转轴称为定轴，反之称为动轴【1 3 1 。 1 工作台双回转类型 这种类型是两个回转轴都作用于工件上。按从定轴到动轴顺序，它可分为a b ， a - c ，b a 与b 一c 等4 种。其中a b 与a c 以及b a 与b - c 之间也可看成其动轴初始 位置不同，但由于工件安装在工作台上，不同的安装位置时其工件坐标系不同，且由 于转台结构限制，定轴回转行程不一定能实现在两种初始状态间的转换。因此，a b ， a c ，b a 与b c 4 种情况一般分别进行计算。 2 刀具双摆动类型 这类机床两个回转轴都作用于刀具上。按从定轴到动轴顺序，它可分为a b ，b a ， c a 与c b 等4 种。但c a 与c b 情况可看成是动轴的初始位置不同，也可归于同一运 动变换进行计算。 3 刀具摆动与工作台回转类型 这种结构是一个作用于刀具和另一个作用在工件。按照工件到刀具的顺序，其回 转轴的配置情况有a b ，b - a ，c a 与c - b 4 种。 由此可见，从机床运动求解来看，5 轴联动机床的两个回转轴的配置情况共有1 2 种，其运动计算可按1 2 种不同的组合情况进行处理。本机床属于刀具摆动与工作台回 转类型( c b ) 。此外，通常的运动计算假定机床各轴处于相互正交及平行状态，而不 考虑机床结构误差( 如轴垂直度误差，轴平行度误差，回转轴间的不相交等) 。以下是 对上述理想情况进行的分析。 天津大学硕士学位论文第三章后置处理 3 2 刀具摆动与工作台回转类型的坐标转换的机床结构分析 工件是固定在平台上的，刀具是固定在主轴头上的，当平台转过一个角度之后， 固定在平台上的工件也随着平台转过相同的角度，这势必影响加工坐标系，因此必须 先得到转角之后重新进行名义坐标的计算得到最终的坐标。 3 2 1 坐标系统及其相互转换 坐标系统是实现数字化加工的基本条件之一，而从c a d 到c a m 涉及到诸多的 坐标系，例如工件坐标系，绝对坐标系，加工坐标系等等。弄清他们之间的关系，有 助于正确的坐标转换，从而正确处理刀轨路径坐标，使后处理之后的数控程序能正确 的进行加工。因此在讨论坐标转换之前要了解一下所涉及的坐标系统及相互关系： 1 机床坐标系 机床坐标系是机床自身固有的坐标系，一般在机床出厂时就已设定。机床坐标系 是用来确定工件在机床上的位置、机床运动部件的特殊位置( 如换刀点、参考点) 以及