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五轴数控加工测试平台开发研究的论文 摘要：在五轴数控切削工件表面的过程中会产生温升、力、振动等这些因素会使加工精度降低零件表面质量变差降低产品的合格率为了解决这些问题开发了一种五轴数控加工测试平台并对温度、力、振动对加工过程中的影响进行了分析为进一步的提高五轴数控加工精度提供了测试平台 关键词：CPAC；五轴数控加工；测试平台 引言 随着我国经济的不断发展对产业转型升级的需求也变得越来越迫切现阶段我国机械加工产品的附加值不高其主要原因就在于对复杂曲面、高精度和优良的表面质量等对机械制造装备要求较高的零件加工能力严重不足目前来说五轴数控加工中心在附加值较高的零件加工中具有不可取代的重要作用代表着一个国家的机械加工水平由于五轴加工具有一次装夹可以加工多个曲面定位误差较小的特点不仅缩短了零件在多次装夹时浪费的时间而且提高了零件的精度随着时代的发展人工和时间成本的提高五轴数控加工会在制造业中占据越来越重要的位置 1测试平台的开发 （1）平台结构设计五轴联动数控加工机床包括3个直线运动轴2个旋转轴其实现形式的主要不同集中在机床主轴的安装方式上目前的主流实现方式有双转台、双摆头、一摆头一转台形式为了构建三轴大零件与复杂曲面都可以加工的重构机床故采用的是较为经济的AC双摆台形式其中摆台可以沿X、Y方向移动A、C方向旋转电主轴可以上下移动这样就构成了X、Y、Z、A、C五个自由度的加工范围该测试平台主要由床身、直线运动平台、以及旋转运动平台组成其中直线运动平台会影响安装在其上的旋转运动平台的运动该五轴机床的运动拓扑图如图1所示为了保证加工过程中的安全X轴设计行程为700mmY轴设计行程为500mmZ轴设计行程为600mmA轴旋转角度为90+90C轴旋转角度为0360机床机械结构图如图2所示（2）坐标变换由于机床结构采取的是AC双摆台形式而且摆台旋转中心线的交点和机床夹具装夹工件时所确定的加工零点不在同一位置在机床AC轴旋转时会对其直线坐标产生较为复杂的影响对此构建3个坐标如图3所示从上往下分别为机床坐标系、工件坐标系和刀具坐标系在加工过程中刀具在工件坐标系中相对于工件的运动需要转化为机床绝对坐标的运动对于此机床工件坐标系和绝对坐标系来说可以列出其坐标系变换的方程表达式：XNYNZN00000000000000000000=X0Y0Z000000000000000000000+Q（I）XMYMZM00000000000000000000Q（I）=Q（A）Q（B）Q（C）式中XM、YM、ZM机床运动前坐标；XN、YN、ZN运动后坐标；Q（I）坐标旋转变换矩阵对于AC双摆台五轴联动机床坐标系来说绕X轴旋转变换矩阵Q（A）=1000cosXsinX0sinXcos00000000000000000000X绕Y轴旋转变换矩阵Q（B）=10001000000000000000000000001绕Z轴旋转变换矩阵Q（C）=cosZsinZ0sinZcosZ000000000000000000000001初始刀具矢量为（001）T对于空间任意一点以及这一点所对应的任意方向的矢量都可以看作是刀具从初始位置先旋转过后再进行平移由于AC双转台五轴数控机床只能沿X轴方向和沿Z轴方向旋转为了简便数学计算难度同时达到在旋转时可以使刀具初始矢量达到任意方向的要求可以将旋转运动视作先沿X轴方向旋转后沿Z轴方向旋转即Q（I）=Q（C）Q（A）=cosCcosAsinCsinAsinCsinCcosAcosCsinAcosC0sinAcos00000000000000000000A设旋转过后所得到的向量为（）T则Q（I）（001）T=（）T解之得A=IAarccos（）IA=11C=arctan（）ICIC=01即可求出机床转角轴的绝对角度变化量和前一位置角度相减即可得机床旋转轴需要转动的角度值 2平台硬件结构 固高CPAC计算机可编程自动化控制器具有运动控制逻辑控制和人机交互融合一体的功能CPAC支持符合IEC611313标准的OtoStudio软件开发环境可以进行文本和图形化的混合编程在进行开发时较为简便CPACOtobox系列控制器由控制器以及端子板两部分组成在使用过程中用24V电源向两部分供电控制信号由运动控制器通过端子板发送给伺服驱动器由伺服驱动装置驱动伺服电机实现X、Y、Z、A、C轴的运动CPAC自动化控制器输入、输出接口分为专用输入输出、通用专用输入输出、控制输出以及编码器输入专用输入用来连接驱动报警信号、限位信号等专用输出用以输出驱动允许、报警信号复位等而通用输入、输出信号可以外接传感器、开关量等信号编码器输入可以使用双端输入或单端输入控制输出可以工作于脉冲量工作模式或模拟量工作模式其中主轴驱动方式为运动控制装置将脉冲信号发送至变频驱动器由运动控制器发出的脉冲信号对应于变频器的输出频率从而控制主轴电机数据采集部分采用传感器连接CPAC模拟量输入模块实时将机床的加工状态反馈到机床控制系统中同时通用输入输出接口连接机床的限位开关和报警信号以保障安全机床硬件结构如图4所示采用运动控制装置与X、Y、Z、A、C轴驱动器以及主轴变频器和开关量执行装置相连同时利用CPAC提供的网络接口将加工零件时的状态信息发送至上级管理计算机 3测试平台软件结构 （1）软件结构使用OtoStudio对测试平台的软件进行编制在编制过程中对所选用设备型号所支持的函数库进行调用缩短了平台开发周期其中测试平台软件结构如图5所示首先对系统进行初始化处理调用CPAC提供的运动函数库清除系统的报警信息将伺服驱动器进行伺服使能记录机床轴的状态驱动器驱动轴返回坐标零点从而使使机床回零然后对操作信息进行处理并选择工作方式主要功能包括自动方式和手动方式其中自动方式主要功能是进行连续加工处理利用从上级下载NC代码实现加工测试平台的工件加工手动方式运行是通过软件界面选取所需要点动运行的轴后设置点动运行时驱动轴运行的速度对驱动轴进行点动处理状态信息反馈模块是通过运动控制器通用输入接口读取传感器信息并实时传递到显示面板上而后判断程序是否执行结束结束后对系统状态进行恢复否则返回操作信息处理系统继续运行（2）状态信息反馈对于固高CPAC系列控制器集成了多种数字量输入输出、模拟量输入输出等I/O模块机床运动状态信息可以通过传感器进行采集然后通过I/O模块等反馈到系统之中系统可以根据反馈回的状态信息对加工参数进行调整机床的反馈控制系统结构如图6所示温度传感器对在机床运行过程中产生的温度变化进行测量将加工过程中产生的温度变化信息反馈至系统之中对主轴的温度变形进行分析将由温度变化产生的热变形带来的对工件产生的误差进行补偿减少由加工过程中温度变化引起的主轴变形对加工误差的影响同时振动传感器对主轴加工过程中产生的振动进行测量对主轴振动信号进行分析从而得到加工工件的刀具的状态信息在加工工件的过程中如果刀具磨损达到了需要进行刃磨的工作状态则对加工参数进行调整适当地降低进给量等措施降低加工效率保持切削的连续性并在加工结束后产生刀具报警信号提醒进行刀具刃磨通过CPAC控制器控制机床对工件进行切削在切削过程中使用CPAC3003007KF01模拟量输入模块的输入信号接口进行数据采集工作传感器将机床的状态信息转化为电压信号根据模拟量输入模块所对应的模拟量输入类型对通讯模块进行配置配置后会显示该模拟量输入模块的所有配置通道的地址值在程序中可以直接采用赋值语句将通道的地址赋给变量从而对通道的信息进行采集采集得到的信息为数字量信息可以通过其提供的DigitalDataToAnologData函数将信息转换为模拟量信息然后根据传感器的原理将机床运动状态信息计算出来由机床的运动状态信息即可将机床运动参数进行调整使得机床切削过程的状态更稳定 4结语 在构建五轴数控加工平台中采用了PC+GUC的结构使用运动控制器控制伺服驱动系统在WindowsCE操作系统下利用CPAC所支持的IEC611313工业控制语言进行软件的编写通过对数控加工的参数进行测量对了解数控加工中各种物理量对工件精度的影响提高数控加工精度具有积极的意义 参考文献： 1孙正康梅志千李向国等基于CPAC的数控PCB钻床轴运动规划研究J机电工程32（8）：10661070 2刘洋吴孜越颉潭成等基于CPAC的轴承圆度测量仪控制系统J仪表技术与传感器（9）：6366+87