五轴联动机床（精选7篇）
1.五轴联动机床 篇一
《特种材料复杂型面加工的五轴联动精密数控电火花成形机床》
课题顺利通过验收
2012年10月15日，在首都航天机械公司（211厂）现场，“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项办组织召开了由北京市电加工研究所承担的《特种材料复杂型面加工的五轴联动精密数控电火花成形机床》科技重大专项课题验收会。验收专家组由技术专家和财务专家14名组成。验收会由专项办吴振凯主持。北京市科学技术研究院邵锦文副院长、科研处张经华处长，工信部财务司领导杨晓娟出席了验收会。课题负责人和承担单位代表出席了会议。
会上，课题负责人杨大勇研究员代表课题组就课题研发过程、执行情况、经费管理及使用情况、主要技术创新和取得的成果向专家们进行了汇报。课题参与单位负责人对子课题的完成情况也进行了汇报。技术专家和财务专家审查了相关文件资料，实地考察了生产现场，并进行了认真质询和讨论。专家组认为该课题圆满完成了合同书中规定的研究内容，完全达到了考核的技术指标要求，课题组提供的验收资料齐全，符合验收规范，一致同意该项目通过验收。熊院士及各位专家对课题取得的成果给予了高度评价：“04科技重大专项实施方案总体要求很高，在前期论证时，专家认为五轴联动精密数控电火花成形机床的研制是国家高端先进制造急需的技术装备，按照规划预计2020年完成，而该课题的实施使这个目标提前完成。课题成果在用户单位的实际应用也达到了良好的应用效果，得到了用户单位的认可，成绩来之不易。”
熊院士及各位专家还提出了殷切的希望，他们谈到“高、奇、缺的特种加工技术对中国航天航空事业至关重要，希望课题承担单位能够立足用户需求，进一步提高精度和可靠性，形成规模化生产，替代进口，继续保持技术领先水平！”
《特种材料复杂型面加工的五轴联动精密数控电火花成形机床》课题于2009年立项，北京市电加工研究所作为责任单位，与北京机床所精密机电有限公司、哈尔滨工业大学、大连理工大学、首都航天机械公司联合承担。五轴联动精密数控电火花加工设备代表着当今国际同行业技术的最高水平，发达国家对我国出口管制严格。本课题研制的工程化、可用于工业生产环境的五轴联动精密数控电火花加工装备，能解决常规机械加工及数控切削不能解决的加工难题，尤其是航天航空等国防高科技行业关键零部件的加工难题，突破西方国家“高、精、尖”设备对我国的技术壁垒，提升我国相关行业的生产能力。
项目在实施期间，责任单位与参与单位密切配合，充分发挥各自的技术优势，开展了五轴联动精密电火花加工技术与装备关键技术研究，申请2项国家发明专利，获1项软件著作权，攻克了脉冲电源、数控系统、数控转轴、电极快换、CAD/CAM软件包、精度补偿等多项关键技术，形成了一套完整的、具有自主知识产权的五轴联动精密数控电火花成形机床加工工艺及设备技术体系，成果技术指标达到国际先进水平，部分指标经用户验证比国外尖端设备提高30%以上，为航天航空制造企业解决了困扰已久的技术瓶颈，在航空发动机、火箭发动机等关键零部件的研制中发挥了巨大的推动作用。在课题研制过程中形成了五轴联动精密电火花加工机床中试线、试验平台和研发基地，并在首都航天211厂形成了示范应用基地。借助于本课题的科技成果——“五轴联动精密电火花技术及装备”荣获2011“中国机械工业科学技术一等奖”。
2.五轴联动机床 篇二
五轴联动数控机床结构主要有TTTRR、RTTTR和RRTTT三种形式, 由3个直线轴和2个旋转轴组成。它具有许多普通机床无法比拟的优点, 但其加工精度往往低于普通机床, 主要由于2个旋转轴存在许多几何误差没有补偿。补偿的关键是对旋转轴误差进行检定。
五轴联动数控机床旋转轴误差的检定一直是国内外学者研究的热点和难点。文献[1~5]采用激光干涉仪、旋转坐标校准仪等专用检定装置, 测试快速、便捷、准确, 但价格过于昂贵;若采用基于价格低廉的球杆仪[6~8], 在旋转轴几何误差检定中则采用与直线轴联动的测试方式, 引入了直线轴的几何和运动误差, 使得结果不理想。
针对上述问题, 本文提出一种新颖、快速的五轴数控机床旋转轴几何误差测量与分离方法, 它基于球杆仪, 选择合适的测试路径, 采用单旋转轴运动或1个旋转轴和2个直线轴联动方式, 进行圆周误差测试;并对测试结果进行解耦, 实现了旋转轴几何误差的辨识和精确测量。
2 旋转轴几何误差测量与辨识
2.1 旋转轴几何误差
本文以TTTRR结构五轴联动数控机床为研究对象。文献[6]指出影响五轴联动数控机床精度的几何误差主要有13个, 其中5个是直线轴误差, 可以借助直线尺或千分尺等传统测量装置获取;另外8个与旋转轴关联, 如图1所示, 旋转轴A的6自由度几何误差δx、δy、δz、εx、εy、εz以及旋转轴A与C的在XZ平面上的垂直度误差Sxy和在Y方向上的轴心线误差δd。
2.2 球杆仪圆周测试运动路径规划及误差测试分析
如图2所示, 旋转轴A和旋转轴C的误差测试过程中, 球杆仪都采用轴向和径向安装的方式。图2 (a) 和图2 (b) 中, 工作台绕A轴从0度等速度运转到90度, 工作台面上的球杆仪一端通过机床主轴、Y轴以及Z轴在YZ平面上做同步运动, 球杆仪测得值将反映旋转轴A的误差值。图2 (c) 中, 球杆仪安装时, 使主轴安装一端与C轴中心线重合, 当球杆仪作360度圆周运动时, 只需绕C轴旋转即可, 消除了机床X、Y线性轴耦合误差。图2 (d) 中, 球杆仪和工作台相对静止, 绕C轴作360度圆度测试。
在安装球杆仪时, 只有直线轴配合运动, 旋转轴几何误差不对球杆仪初始状态造成影响。测试运动时, 误差使中心轴线物理状态发生变化如产生偏角和位移, 而球杆仪主轴一端仍然按照预定的轨迹运行, 两者之间形成偏差, 此偏差值即是旋转轴几何误差综合作用的结果。
表1给出旋转轴几何误差与球杆仪各测试路径的关联图, 其中R为球杆仪的测试半径, H为球杆仪安装磁座球心到旋转轴A或C中心轴线的距离, 虚线为球杆仪理想测试轨迹, 实线为球杆仪实际工作轨迹。
2.3 球杆仪虚拟安装偏心误差
在圆周运动测试中, 在过象限点的测试值是极值, 即是反映旋转轴误差, 如表1轴A轴向εz测试所示, 当A轴在XZ平面偏差时, 球杆仪虚拟运行测试值在Y过象限处最大, 其大小为Hsinεz。此偏差可等效于球杆仪安装原点在Y直线轴负向偏移Hsinεz作用的结果, 笔者把这种偏移称之为球杆仪虚拟安装偏心。球杆仪虚拟安装偏心值很易准确的计算, 因此对于旋转轴几何误差的分离方便、快捷。
球杆仪虚拟偏心误差与实际安装偏心求解原理相似。球杆仪测试过程如图3所示。其中OM (0, 0) 为理论插补圆周轨迹中心, OB (a, b) 为球杆仪实际工作原点, 即球杆仪安装偏心;θρi为球杆仪i时刻位置点对应的角度;Pi为 (xi, yi) 球杆仪i时刻位置点;ρi球杆仪i时刻的长度;λi为位置点Pi (xi, yi) 对应于轨迹中心的实际半径。由于球杆仪只能测得圆周插补的径向误差, 所以实际角度是根据圆弧插补进给速度和插补半径理论计算得来。球杆仪偏心误差模型建立过程如下:
对球杆仪i时刻位置点Pi (xi, yi) 有:
而e2=a2+b2, a=ecosφ, b=esinφ, xi=λicosθρi, yi=λisinθρi, 所以式 (1) 可得:
求解方程:
其中:θρi、ρi已知, 偏心点坐标OB (a, b) 可以通过最小二乘法获得:
其中, xi=λicosθρi, yi=λisinθρi, 可以通过联立式 (3) ~ (5) , 进行迭代, 便可求出a、b值。
则球杆仪虚拟安装偏心与旋转轴几何误差的数学关联模型为:
其中, sj——误差源, λj——误差系数, kj——误差系数。
2.4 旋转轴几何误差测量影响因素
旋转轴几何误差测量影响因素主要有2个:
(1) 测试过程中, 为保证球杆仪对工作台的相对静止, 直线轴拟合与旋转轴运动的同步圆, 必然会存在不同步误差。主要表现为两种形式:轴A或轴C径向测试时, 其拟合圆不同步误差产生原理如图4 (a) 所示, 其中R为球杆仪测试半径, α为直线轴拟合圆相对于旋转轴圆周滞后或超前角度, H为拟合圆半径, 则不同步误差为:
同理, 当轴A轴向测试时, 拟合圆不同步误差如图4 (b) 所示, 则不同步误差为:
由式 (8) ~ (9) 可得, 拟合圆超前或滞后一定角度, 对球杆仪测试值作用比较小。
(2) 由于测试路径采用旋转轴和直线轴联动方式, 直线轴误差耦合到测试结果中。直线轴耦合误差分为两种:一是切向作用误差 (图4 (c) ) :对测试结果影响很小;二是轴向作用误差 (图4 (d) ) :e=ΔT, 对球杆仪测得值影响很大, 在测试后必须进行误差解耦。因此, 为最大程度地降低耦合误差的影响, 在测试之前, 要对直线轴的几何误差和运动误差优化调整, 并采用球杆仪二次测量的方式 (直线轴联动) 获取耦合误差e (1) 、e (2) 、e (3) 、e (4) …e (N) 进行误差解耦, 解耦误差为λ (i) =r (i) -e (i) , 其中γ (1) 、γ (2) 、γ (3) 、γ (4) …γ (N) 是测试误差值, i=1, 2, 3, 4…N。
2.5 旋转轴误差分离
(1) 旋转轴A轴向测试
(2) 旋转轴A径向测试
(3) 旋转轴C轴向测试
(4) 旋转轴C径向测试
Eaax——轴A轴向测试球杆仪Z方向虚拟安装偏心;Eaay——轴A轴向测试球杆仪Y方向虚拟安装偏心;Earx——轴A径向测试球杆仪X方向虚拟安装偏心;Ecax——轴C轴向测试球杆仪X方向虚拟安装偏心;Ecay——轴C轴向测试球杆仪Y方向虚拟安装偏心;Ecrx——轴C径向测试球杆仪X方向虚拟安装偏心;Ecry——轴C径向测试球杆仪Y方向虚拟安装偏心。
在轴A径向测试时, 采用精准量块调整H值, 连续两次测试, 然后联立式 (8) ~ (15) , 即可精确分离旋转轴8个误差。
3 结论
(1) 提出一种基于球杆仪的新颖、快速、经济、准确的五轴联动数控机床旋转轴几何误差测量与分离方法, 它对于国产五轴联动数控机床的精密化和工作中的机床精度保优, 提高产品的加工质量, 具有重要的科学理论意义和工程应用价值。
(2) 结合五轴联动数控机床的控制特性和球杆仪工作原理, 给出4种球杆仪测试路径, 并建立了测试路径与待测几何误差的关联。
(3) 深入研究了球杆仪虚拟安装偏心技术, 简化了球杆仪测试值与旋转轴几何误差的数学关联模型;并考察了影响旋转轴几何误差测量结果的主要因素, 采用球杆仪二次测量方法, 对直线轴联动引起的耦合误差进行解耦, 提高测试值的准确度。
(4) 给出了旋转轴误差的分离公式, 通过5次球杆仪安装测试, 实现了8个几何误差的准确测量。
(5) 在本文研究的基础之上, 下一阶段将展开实验, 并深入研究五轴联动数控机床运动下的伺服进给不匹配、失步、爬行、螺距累积、反向间隙等运动误差和几何误差圆度图谱, 为五轴联动数控机床误差快速溯源以及故障快速诊断提供可靠手段。
参考文献
[1]S.H.Suh, E.S.Lee, S.Y.Jung.Error modeling and measure-ment for the rotary table of five-axis machine tools[J].In-ternational Journal of Advanced Manufacturing Technology, 1998, 14 (9) :656-663.
[2]W.T.Lei, Y.Y.Hsu.Accuracy test of five-axis CNC ma-chine tool with3D probe-ball.Part I:design and modeling[J].International Journal of Machine Tools and Manufac-ture, 2002, 42:1153-1162.
[3]W.T.Lei, Y.Y.Hsu.Accuracy test of five-axis CNC ma-chine tool with3D probe-ball.Part II:errors estimation[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2002, 42:1163-1170.
[4]周汉辉.数控机床精度检测项目及常用工具[J].制造技术与机床, 1999, 8:43-46.
[5]OPTODYNE RT-100旋转台校验套件.http://www.optodyne-sh.com/opnew4chs/product.html.2008, 5.
[6]Masaomi Tsutsumi, Akinori Saito.Identification of angular and positional deviations inherent to5-axis machining centers with a tilting-rotary table by simultaneous four-axis control movements[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2004, 44:1333-1342.
[7]M.Tsutsumi, A.Saito.Identification and compensation of sys-tematic deviations particular to5-axis machining centers[J].International Journal of Machine Tools and Manufac-ture, 2003, 43:771-780.
3.五轴联动机床 篇三
关键词：五轴联动数控电加工 电火花加工 数控电解机械复合加工 数控电火花低速走丝线切割加工技术
中图分类号：G4文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）07（c）-0088-01
1 五轴五联动数控电火花成形加工技术
四轴联动数控精密电火花成形机床能够满足对于复杂模具的高效精密加工问题，比如高温合金、钛合金材料带叶冠整体式涡轮盘类零件等，特别适用于在关键制造的发电设备、精密模具、航天航空等众多领域，对于提高数控技术发展具有重要作用，这里使用的则是从欧洲引进的一台FORM300四轴联动数控精密电火花成形机床。其中，定位精度±5°的伺服控制回转工作台B轴则是从德国的一家HIRSCHMANN公司所引进，这样就能够进行相应的五轴联动精密数控电火花成形加工技术的研究工作就可以在形成的五轴五联动数控电火花成形加工机床上所进行相关的研究工作。
其中，该机床的主要性能参数和技术指标如下：（1）尺寸精度（mm）：±0.002；（2）最佳表面粗糙度（μm）：Ra 0.2；（3）最大电极重量（kg）：50；（4）最大工件尺寸（mm）：1200×800×350；（5）X、Y、Z工作行程（mm）：600×400×500。
在对于相应的精密复杂零部件的成形加工中，五轴五联动数控电火花成形加工机床能够表现出巨大的优势，能够体现出加工工具的优良效果，特别适用于航空、航天等精密复杂零部件的加工和处理，比如在航天航空领域的带冠整体涡轮盘、涡轮盘压气机转子、涡轮机匣、航空航天发动机涡轮盘等零件，对于相应的特殊材料的处理也具有比较好的效果，包括相应的低膨胀台金、合金结构钢、耐热合金、钛合金、铝合金等特殊材料的加工方面。
2 五轴五联动数控电解机械复合加工技术
在五轴五联动数控电解机械复合加工技术中，具有内喷功能的复合阴极则是所采用的具有旋转功能的工具，能够结合相应的机械磨削、电解加工以及数控方面的优势所在，其中，把复合镀或镶嵌有金刚砂在在复合阴极的表面进行一定的选择性处理，通过使用金刚砂能够起到一定的保证电解加工间隙作用，起到绝缘作用，还能起到刮除工件阳极钝化膜的作用。在具体的加工过程中，直流脉冲电源的负极则是接到复合阴极，而直流脉冲电源的正极则是接入工件，电解液则在工件和复合的阴极之间进行喷入操作，相对工件作的情况下，复合阴极这样就可以使得数控运行，在电解-机械磨削复合加工的原理下，满足对于复杂零件的加工成型要求。
在上述分析的电解-机械磨削复合加工的原理的基础上，可以开展相关的五轴五联动数控电解机械复合加工机床的具体研究工作。对于五轴联动数控电解机械复合加工机床来说，在进行相关的抛光、磨削、切割、镗铣削、复合钻削等加工过程中，可以通过不同的复合阴极的进行更换来实现。在对于同一个工件进行相应的粗加工、精加工以及相应的抛光加工都可以利用一次装夹得以实现，分析这个机床系统主要具有特点分析如下：第一，各种高韧性、高硬度、高耐磨性金属等难加工材料能够有效处理；第二，加工零件的复杂型面可以通过简单形状的复合阴极实现；第三，相比于电火花加工、机械磨削来说，此系统具有更高的加工效率，加工精度则要高于电解加工；第四，去除工件余量则是依靠电化学阳极溶解的原理进行，对于表面金相组织并无影响，具有比较小的宏观机械切削力，能够加工相应的低刚度、薄壁、窄槽、窄缝的零件；第五，复合阴极工具则基本上不存在损耗。
传统的机械加工理念在上述机床系统的特点体现出巨大的变化。比如，淬硬热处理工艺可以预先安排，然后可以考虑进行相应的粗加工、精加工和抛光加工；从工件上切除整块材料，还基本上在利用整块材料，这点能够有效地提高生产效率、提高加工精度、使得热处理变形进一步有效消除，能耗能够降低，使得资源得以节约，这都具有非常重要的意义。
3 五轴五联动数控电火花低速走丝线切割加工技术
三维复杂直纹面精密零件中在我国的模具、军工、航天航空等特殊领域中具有重要作用，能够解决相应的精密、微细、高效的切割加工问题，FA20PS Advance四轴联动精密数控低速走链线切割加工机床通过日本三菱电机公司所进行引进，另外，伺服控制回转工作台B轴（定位精度±5°），则是从德国HIRSCHMANN公司配置，这样就可以形成相应的五轴面联动数控电火花低速走丝线切割加工机床，并且可以进行相关的五轴联动精密数控电火花低速走丝线切割加工技术方面的研究工作。
其中，该设备的主要技术性能和指标参数如下所示，（1）尺寸精度（mm）：±0.002；（2）最佳表面粗糙度（μm）：Ra 0.03；（3）加工最大锥度（°）：±15；（4）使用电极丝直径范围（mm）：0.05～0.3；（5）最大工件重量（kg）：1500；（6）最大工件尺寸（mm）：1050×800×295；（7） U、V工作行程（mm）：±75；（8） x、r、z工作行程（mm）：500×350×300。
在五轴五联动数控电火花低速走絲线切割加工机床中，主要采用的则是五轴五联动数控电火花低速走丝线切割加工机床加工螺旋桨注塑模型腔，能够取得比较好的效果，满足生产的要求，塑料螺旋桨产品得到一定认可，使得一直处于国内领先的模具加工水平。
4 结语
第一，难加工材料整体结构中的复杂零件处理能够通过五轴联动数控电加工技术得以有效解决，另外，对于细长零件、薄壁、低刚度零件加工提供有效手段，有利于模具、航空、航天等精密复杂零部件的相关成形和加工。第二，五轴联动数控电火花成形机床和五轴联动数控电解机械复合加工机床在加工对象方面都是基本相同的，但是，对于五轴联动数控电解机械复合加工机床来说，相比于电火花加工来说，其加工效率往往为10倍左右，另外，还能够具有一定的零件的电化学复合抛光加工处理。第三，技术高度密集和复杂的特种加工机床特点能够在五轴五联动数控电火花低速走丝线切割加工机床中得以体现，属于电加工机床中的高级水平，主要能用于三维复杂直纹面的精密、微细和高效的切割，具有表面质量好、加工精度高的特点，在模具、军工、以及航天航空领域的精密零件加工中具有重要作用。
参考文献
[1]李芳，刘凯，王昊，等.基于VERICUT的双转台五轴数控微型铣床建模和仿真[J].组合机床与自动化加工技术，2013（2）.
4.五轴联动机床 篇四
传统加工技术对于复杂加工材料以及高要求材料的加工存在困难, 为了解决这一问题, 根据电解与机械相复合的加工原理, 研究了五轴联动数控电加工技术在各个方面的应用, 其优势在应用过程中得到了最大化发挥, 使其成为了现代化电加工技术的关键技术。近几年来, , 伴随着计算机辅助制造 (CAM) 以及计算机辅助设计 (CAD) 在各个领域取得的突破性发展, 许多数控电加工企业纷纷推出五轴联动数控电加工技术系统, 冲破了国外的技术封锁, 在很大程度上促进了国家技术的进步与发展。但是这一技术存在着很大的难度, 需要对其进行不断的研究, 学习国外对这一技术应用的丰富经验, 使其能够最大化地在企业生产上发挥作用, 为机械制造业贡献力量。
1 五轴联动数控电加工技术的应用
1.1 电火花低速走丝线切割
在国内的航空航天、模具以及军事工业等领域, 需要加工三维复杂直纹面精密零件, 而且对其切割加工具有高精密、高效率及微细的特殊要求, 这是传统数控电加工技术的难题。由国外引进的FA20PS Ad--vance四轴联动精密数控低速走链线切割加工机床, 并且伺服控制回转工作台B轴 (定位精度±5) , 两者相互结合进行五轴联动数控电火花低速走丝线切割加工机床, 实现对三维复杂直纹面精密零件的精密切割加工工艺。这一设备的各个技术指标都是非常具有优势的, 其主要利用五轴五联动数控电火花低速走丝线切割加工机床, 来进行对螺旋桨注塑模型腔精密加工, 在一定程度上, 满足了生产的技术指标, 产品也得到了一致认可, 使得模具加工水平一直处于国内领先地位。
1.2 数控电火花成形加工
针对复杂零部件的成形加工过程, 五轴联动数控电火花成形加工机床在加工航空航天等领域的精密复杂零部件有着很大的优势, 例如航空航天方面的涡轮机匣、带冠整体涡轮盘等零部件的精密成形加工。。对于特殊材料的加工, 包括铝合金、耐热合金、低膨胀台金及钛合金等, , 都有着很好的加工效果。其中, 五轴联动数控电火花成形加工机床的主要性能技术指标有:尺寸精度在0.002mm左右;最大电极重量为50kg;;最佳表面粗糙度Ra=0.2μm;最大工件尺寸为1100×700×250mm;X、Y、Z工作行程为550×350×450mm。五轴联动数控电火花加工系统是采用上下位机的体系结构, 如图1。
1.3 电解-机械复合加工
利用五轴联动数控电解-机械复合加工技术, 可有效解决复杂零件的加工成型要求。在这一过程中, 切割、磨削、镗铣削、抛光以及复合钻削等方面, 都能实现精密加工的良好效果。五轴联动数控电解-机械复合加工技术的主要特点体现在, 首先, 它可以有效加工高难度加工材料;其次, 可以通过简单形状的复合电极处理加工零件的复杂面;再次, 相比于传统的机械磨削而言, 加工过程更高效率、更高精度;最后, 在加工过程中, 可以有效保证材料的低损耗。传统的机械加工理念发生了很大的改变, 有效消除了传统的变形情况, 降低了生产能耗, 节约了材料资源。具体应用在有水电站的水轮机转轮叶片, 就是采用五轴联动CNC技术, 是当今发电设备制造业的核心技术之一。如图2、3为三峡水轮机转轮叶片, 是目前世界上最大的混流式叶片。
1.4 刀具半径及长度补偿
刀具补偿数控系统重要的功能之一, 包括有刀具半径补偿与长度补偿, 就目前技术来说, 五轴联动数控电加工技术系统基本都具有刀具补偿功能。不过这在国外才能实现, 因为这个系统可以将三维空间向量快捷地转换为实际机械轴角度的计算系统, 能够在坐标转换间实现五轴刀具长度补偿。
2 五轴联动数控电加工技术的有关问题
2.1 成本高, 难以平民化应用
由于其处理效果的高精确度以及高效率性, 对于五轴联动数控电加工技术的相关设备要求也比较高, 价格也比较昂贵, 这对于许多小企业来说是比较难承担的。而且, 很多关键零部件在国内还不能制造, 一方面是由于精度达不到要求, 另一方面也是由于稳定性不好, 因此需要依靠国外进口, 这在一定程度上使得生产受到很大的限制, 也提高了生产成本。
2.2 技术难度高, 操作技术要求高
五轴联动数控电加工系统具有质量好、加工精度高的特点, 在技术操作方面有着很高的要求, 特别是在加工军事工业方面以及航空航天方面的材料时, 更是需要高技术操作人员进行作业, 从而保证材料加工能够精确达到要求。目前在国内, 对于这一技术的操作人才的培训也是比较少的, 在学习技术的同时, 还需要认真学习国外的成功经验, 学习国外的先进理念, 才能保证五轴联动数控电加工技术的顺利进行。
2.3 部分国外先进技术无法实现
在五轴联动数控电加工技术中, 有很多技术方面是国内技术水平所不能达到的, 比如国外已经在设备中自带了刀具半径补偿, 但在国内的技术上, 只能是依靠技术上的结合才能实现完整的刀具半径补偿, 这在很大程度上说明了国内水平还离国外水平有很大的距离。国外对于这一技术的应用已经达到大范围的幅度, 而在国内, 这一技术虽然在很多领域都得到广泛应用, 但很多关键技术还处于研究阶段, 对于真正的应用还有很大的距离, 某些企业虽然已经在试验阶段, 但对于这一技术的娴熟操作还是欠缺人才, 这无疑启示我们在未来还需要更加努力。
3 结束语
总而言之, 五轴联动数控电加工技术在各个领域都得到了广泛应用, 比如航空航天、精密零件加工等等。这一新技术的出现, 使得加工技术得到了高度发展, 相对于传统加工技术而言, 其精密度更高, 效率也更高。但是也存在着成本高、应用范围有限等问题, 国外对于这一技术的发展有着丰富的经验, 这也是我们学习的方向之一。因此, 要对其进行不断完善, 使其能够在未来的发展过程中处于领先水平。
参考文献
[1]干为民.五轴联动数控电加工技术研究[J].电加工与模具, 2010 (21) .
[2]林秀峰.五轴联动数控电加工技术相关问题探讨[J].科技创新导报, 2014, 11 (21) .
5.五轴联动机床 篇五
1 整体叶轮的实体造型
整体叶轮是离心式压缩机最为关键的部分, 一般由轮毂和叶片两个部分组成, 其中叶片从几何层面上看分为四个曲面, 分别是包覆曲线、轮毂曲线、包覆端曲面以及轮毂端曲面四个部分。在设计整体叶轮的外观造型是需要同时考虑轮毂和叶片这两个部分的造型。
1.1 叶片的创建
叶片曲面对整体造型设计的要求较高, 其横截面呈现自由变化的趋势, 因此, 对造型设计和实际加工操作的难度要求很高。
1.1.1 叶片造型方法分析
基于大量的实际生产操作和设计经验, 已经形成了一套完整的整体造型设计方案。首先要确定一个截面线, 其次根据已经创建的截面线来设计整体叶片的曲面造型。由于叶片的实体造型阶段是整体叶轮造型首先要完成的部分, 特别是其曲面特征复杂多变, 对设计造型的要求非常高, 因此要严格依照叶轮的设计图纸进行操作。根据设计图纸提供的叶片节点作为依托, 基于Pro/Engineer的曲面造型操作。
1.1.2 建立叶片空间截面列表曲线点坐标
如何确定叶片空间截面的曲线点左边, 现在通常使用的方法分为以下几个步骤。首先是要完善叶片的包括顶部曲面、底部曲面以及前后方曲面在内的四个方面的曲面坐标, 从整体上把我叶片的外观造型;其次要根据隐藏的其他坐标量形成叶片的实体造型。
1.2 轮毂的创建
轮毂的创建过程相对叶片来说较为简单, 其方法为根据设计图纸首先创建一个截面线串, 最后根据旋转的规则旋转截面线串, 最终形成轮毂实体。
1.3 创建整体叶轮
叶片创建的最后一个步骤是创建整体叶轮, 首先, 要将先前创建的叶片实体复制并镜像生成额外六个叶片;其次, 要将生成的叶片变倒角;最后, 根据设计方案修改不符合要求的部分, 最终生成一个叶轮实体。
2 刀位轨迹生成
根据加工要求和对象的不同, 加工过程中采取的刀路生成方法也有所不同。通常采用的刀路生成方法有等参数线法、等距截平面法、等距偏置法、等残留高度法和自适应等参数法六种。在实际操作过程中需要参考以下几个方面。
2.1 切削刀具的选择
五轴机床的加工对象一般情况下需要采用的加工刀具有三种, 分别是环形刀具、锥形球头铣刀具及圆柱铣刀。环形刀具的加工对象为毛胚粗加工。当进行轮毂精加工时一般采用锥形球头铣刀具, 这是由于其加工方式要求降低刀具之间的相互干扰。圆柱铣刀能够有效的提高五轴机床的加工效率和产品品质, 因此在需要精加工时, 一般采用圆柱铣刀。
2.2 刀具避让及干涉检查
五轴机床的一大优势在于其实现了刀具之间的有效避让功能。一方面其只需要一次安装就能完成全部刀具的装配工作, 不但能够节省大量的加工时间, 提高加工的效率;另一方面还能实现机器的自动运转, 只需要按照程序人员事先设定好的频率自动调整刀具的安装位置和角度, 降低了操作人员手工操作发生安全事故的可能性。
3 加工仿真和产生NC程序文件
3.1 叶轮的模拟加工
进行了刀具避让和干涉检查功能后, 再进行另一项检查就是模拟加工检查。按照既定的加工策略和选择好的刀具, 以及生成好的走刀路径, 可以进行毛坯的粗加工、轮毂的精加工和叶片的精加工。
3.1.1 叶轮的模拟粗加工
叶轮的模拟粗加工阶段的主要目的是切除毛坯的不规则部分, 因此在加工完成品的精度方面可以适当降低, 为了尽可能的提高加工数量, 首先要保证机器加工时加工量的最大数目和切削的最大角度和深度。刀具方面可以使用球刀头来加工出叶轮和轮毂。
3.1.2 叶轮叶片的模拟精加工
叶轮的实体建模的最后一步是对叶轮叶片的精加工。由于叶片在五轴机床中的作用至关重要, 对其安全性和精准性的要求最高, 因此对叶片的精加工在整个叶轮的加工过程中所占的时间比重、人力比重都最大。
3.2 NC程序文件代码
经过刀具避让、干涉检查和模拟加工, 确定无错误和失误后, 就可以将加工策略生成为走刀路径, 其后就可以将走刀路径生成NC程序文件。Power Mill的后处理文件采用的是文本结构, 虽然目前Delcam公司并没有公开其后处理文件的编制方法, 但从目前发布的机床后处理文件分析, Power Mill后处理文件采用的是自然语言结构。用户可以根据自己的需要, 对后处理程序进行修改和优化。
4 实际加工离心叶轮
完成叶轮叶片和轮毂的实体加工后, 最后还需要完成五轴机床的自动化设置。首先需要将NC程序设置到计算机中, 并建立TCP/IP协议, 创建好联系;其次要在计算机和五轴机床间创建连接, 将设置好的NC程序分别连接至计算机和机床间, 并导入好程序, 将其开启。
5 结语
本文针对具有复杂型面的叶轮, 通过Pro/Engineer进行三维实体造型, 运用了Power Mill对整体叶轮加工轨迹进行了规划、加工仿真, 有效地避免了相邻叶片之间由于空间小而产生的碰撞干涉, 并生成NC程序, 在DMU 60P hidyn五轴加工中心完成了某离心式压缩机整体叶轮。该整体叶轮精度较高, 可见选取的走刀路径还是比较成功的, 加工后的叶轮能满足使用要求, 误差在允许范围内。但由于受刀具材料和刀具长度的限制, 导致刀具震颤和刀具硬度不够, 致使加工时间较长一些。实验结果表明该方法是可行的, 对复杂结构的造型、加工具有指导意义。
本文在对叶轮实体建模与加工方面的探讨并不全面, 没有设计到叶片加工过程中的变形问题。叶片的变形主要是由于在加工过程中承受一定的加工力。由于其加工过程是一个动态的过程, 刀具的误差和受力的不确定性导致叶片会发生无法预估的变形。为了进一步提高机床的生产效率, 提高产品质量, 在接下来的研究和实际生产生活中, 如何克服叶片受力后变形问题是必须要重视的问题。
摘要：五轴机床广泛应用在工业生产的各个领域中, 包括航空、航天、机械制造等等。叶轮式五轴机床的最关键的部件, 在生产加工中需要的精度和安全度较高。因此研究五轴机床的叶轮实体建模与加工对提高工业生产效率, 增强产品质量产生至关重要的作用。本文借助Pro/Engineer进行三维实体造型, 主要研究具有复杂型面的叶轮。
关键词：叶轮,叶轮建模,轮毂
参考文献
[1]刘大响, 金捷.21世纪世界航空动力技术发展趋势与展望[J].中国工程科学, 2004 (9) .
6.五轴联动机床 篇六
五轴联动数控机床主要用于多面体零件加工和复杂的空间曲面加工,能够做到一次装夹加工成型,刀具在一定范围内可以相对工件以任意角度进行加工,无干涉和过切现象,被加工件表面质量好、精度高。由于五轴机床增加了两个旋转轴,在没有配备自动对刀仪的情况下,对刀采用手动方式,准备工作较为复杂;对刀过程中需要操作员不断记录各轴坐标数据,进行计算和输入坐标数据,从而使加工前的准备时间拉长了;同时手动数据输入也容易出现错误,需认真核对,从而造成了工作效率低下。针对上述情况,笔者开发编写了工件坐标找正程序,对刀期间运行程序,使操作员无需计算和输入数据,即可完成对刀过程。
1机床结构分析
五轴联动机床结构形式多样,其结构不同,使用的控制系统不同,对刀方式也不同。如果控制系统不支持RTCP(刀具中心管理)功能,则需要对旋转轴的偏置进行补偿。对于双转台结构的机床,其加工坐标系一般放在转盘(C轴)端面和旋转轴(A轴或B轴)中心,利用千分表等工具测量工件位置相对于回转中心的偏差值,然后再由程序员根据测得的数值在编程时将坐标系移到相应的位置进行程序的编制。因此程序必须在工件装夹测量好后生成,任何的修改(例如夹具位置变动)都需要重新生成程序。如果机床的控制系统具备RTCP功能,则可以直接针对摆铣头或转台进行刀具的空间长度补偿和半径补偿,不必在程序生成之前考虑如何在程序中体现刀具或者工作台的轴心及其偏差。
本文研究的机床为AC轴双转台结构,主旋转轴为A轴,从动旋转轴为C轴,采用西门子840D数控系统,其具有RTCP功能,对刀时不考虑回转中心及偏差,程序中使用TRAORI激活五轴长度补偿,用CUT3DC激活五轴半径补偿。
2工件坐标找正方法
工件坐标找正基本方法如下:将千分表表座磁性吸附到主轴上,利用千分表调校转台位置,校好后固定工作台;装夹工件,将工件坐标系定位在工件上表面中心,将表头接触到工件上表面,用手旋转主轴让表头在工件上表面上划一个整圆,调整转台A轴,使千分表在转动的任意位置上读数基本相等,将机床坐标的A轴数值输入到预定工件坐标系G54对应A轴位置;取工件上中心线或某基准边,旋转C轴转台,X轴方向移动工作台,利用千分表调校,使该基准边和X轴平行,将机床坐标的C轴数值输入到G54对应C轴位置;然后采用寻边器或千分表分中对刀,找出相应工件坐标系原点的X、Y、Z坐标,置入到G54相应位置;最后测量刀长,将刀长输入到刀具长度补偿当中,完成对刀操作。
3工件坐标找正程序设计
设计程序的目的是为了减轻操作员的工作压力,减少操作失误,每步手动操作都设计给出相应的信息提示,坐标找正时的数据采用自动输入的方式。以西门子840D系统为例设计的工件坐标找正程序的部分代码如下:
4结论
此工件坐标找正程序以西门子840D系统为例,其他数控系统也可参照其程序结构进行适当修改。利用该程序操作员在工件坐标找正过程中不再需要人工读取坐标值对其进行计算和输入,找正完成后即可运行零件程序进行实际加工。经验证,该程序在零件生产过程中有很好的实用效果,具有一定的推广应用价值。
参考文献
[1]陈银清.数控加工中工件坐标系的建立及其对刀技巧[J].煤矿机械,2004(4):78-80.
[2]常家东,赵尊群.立式加工中心用对刀装置[J].煤矿机械,2004(9):78-79.
7.五轴联动机床 篇七
1 激光干涉仪角度测量原理
激光干涉仪是作为长度基准对数控设备的位置精度、几何精度进行精密测量的精密测量仪器。
光束从激光器发出经扩束准直后由分光镜分为两条光线, 一条经过固定反射镜直接射向移动反射镜Q1, 形成测量光O1;另条经固定反射镜反射后移动反射Q2形成测量光O2, 两条反射光反射会合在分光镜上产生干涉条纹。当可移动反射镜移动时, 干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号, 经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数, 再由电子计算机按横梁变化角度公式 (1) 计算。
式中:θ是运动角度误差, d为测量光的光程差s为角度反射镜内两次反射间已知距离。算出可动反射镜角度变化量θ。从而推算精确度, 原理如图1。
2 激光干涉仪对五轴机床运动精度测量研究的目的
机床运行时直线度是机床的一项基础几何误差, 该误差会直接反射到加工工件上, 影响加工精度, 对其测量并建立误差补偿模型是一种有效措施。影响运动精度的原因很多, 主要是横梁yawing, 两轴pitching, 轨道摩擦, 以及刀具切削回转力, 后两者会直接造成前两者的影响。直线度我们通过对横梁和水平位置产生的角度测量值来证明直线误差存在。激光干涉仪测量分为无基准测量和有基准测量。本实验使用后者, 干涉仪型号为reinshaw XL80, 该仪器是经过国际认证的高精度激光干涉仪。据了解, 国内运动精度研究大多数为串联导轨直线精度, 对于双并联导轨运动精度进行激光干涉测量及误差补偿还是很少见的。双并联导轨是现代数控机床的发展方向之一, 本研究利用实验室龙门五轴加工机床简易模型, 通过renishaw激光干涉仪对实验装置的并联轴运动精度进行检测。
3 角度误差的评定与算法
干涉原理检测角度偏差是以两反射光互为基准, 转为电脉冲信号, 经计算机整合, 放大输出为角度值。本人在角度度误差的评定的实验中采用两端点连线基准线法。有n个实验数据点 , 连接第1, n两点, 将首尾两点连接后的直线作为基准线, 直线方程为:
计算除两端点之外的n--22点点到到基基准准线线的的距距离离。。
数据曲线分布在基线两边时, 具有方向性, 由求得最大和最小偏差, 假设对应为J, k两点, 分别计算两点到基线的距离, 两者之和即为所求的角度误差。当测量点的数据曲线全在基线的一边时, 由点到直线的距离公式来求第[2- (n-1) ]点到基准线的距离。
Smax就是所求的角度误差。
4 实验装置、误差分析以及测量
4.1 轨道式龙门机床实验装置以及测定器材
该研究内容为韩国南星机械加工厂委托韩国忠北大学精密测定实验室对机床精密度进行测量以及采取误差补偿。图2为实验室组装的简易实验模型以及激光干涉仪。
4.2 双并联轴干涉仪测量方法以及测得数据
按照图3中的连接方式, 安装好激光干涉仪以及其他控件:
本本试试验验条条件件::左左主主轴轴和和右右从动轴以10mm/s从原点开始运动, 滑板板固固定定在在横横梁梁中中间间, , 刀刀具具无无回转运动, 运动行程为300mm。本实验采采用用两两种种测测量量方方式式::11、、机机床床运动时, 1S测定30个数据, 连续10次测定, 每次测量时不进行归零处理, 得到测量数据并求得10次数据平均值。2、机床移动时, 10mm距离测定30个数据, 连续5次测定, 每次重新进行归零处理, 得到测量数据并求得5次的数据平均值。
根据上述检测原理和方法测得双并联轴的横梁变化角度。方法一10次测量数据如图4。
12.主轴X1 12`.从动轴X2 14.横梁24.移动反射镜10.导轨16.伺服电机20.分光器18.激光器26.电脑22.固定反射镜
下面是方法二5次测得的数据角度值, 以及平均值如图5。
5 角度误差测量数据分析
从两种方式测量数据进行分析, 图4 (a) 可看出不进行归零处理的方式下, 第一次测量误差从0度附近起始值开始, 角度误差逐步积累。多次运行时起始角度误差一并积累, 导致最后一次运行时起始角度误差高达1.2度, 最高角度误差达2.15度。图4 (b) 中10次测量的平均误差也是先积累后停止时急剧减小。而且在运行将要停止时期角度值剧烈变化, 可以推测停止前发生了zig-zag运动, 归零处理对运动精度影响甚大, 运动过程中误差累积。
以第二种方式测量, 从图5 (a) 可看出5次测量的起始时角度误差均为0度, 在机床启动时候角度误差的变化巨大, 说明启动时发生了zig-zag运动, 达到匀速后角度误差逐渐平稳, 随运动积累。同时看出5次测量的曲线基本一致。图5 (b) 中平均值从最初的0度开始积累到1.18度。方法二数据更可以说明机床运行时归零处理对精度的影响巨大, 起始时发生振动。
前面提到机床X, Y, Z三轴有21种误差, A, C轴有12种误差, 分析这些误差主要是机床本身荷重, 运行时轨道的摩擦力, 加工时刀具的切削力以及回转力, 两轴的伺服电机步调不一致等原因造成。
6 误差补偿
目前误差补偿分为软件补偿和硬件补偿, 硬件补偿很难满足, 本实验采用基于数学误差模型的软件补偿。将机器中运行时存在的三维空间误差补偿数据全都下载到CNC的记忆存储卡里, 输入的格式和输出格式相同。当三维空间误差补偿数据需要被下载的时候, 直接从记忆卡的数据库中提取有相应数据编码的三维误差补偿数据, 补偿数据可以直接使用通过伺服电机对误差进行迅速补偿。通过修正后的数控指令值驱动数控机床, 使机床精确运行到加工点, 实现误差补偿。
7 结论
利用激光干涉仪对机床运动精度进行测量是一种高效实用的方法, 检测数据较为精确, 本次实验可得出以下结论:a.在大型龙门机床启停阶段确实存在影响运动精度较为严重的zig-zag运动;b.在启停阶段的归零处理对运动精度的影响重大, 不进行归零处理, 误差会直线累积。c.角度误差会随着运行距离积累;d.数据脉冲进入电脑调用已建立好的误差补偿数学模型, 通过两轴的伺服电机实现误差实时补偿, 减小运动误差度, 但误差依然存在。本研究为双并联轴数控机床运动精度快速测量提供了可靠有效的方法, 同时也提出了提高加工精度切实有利的补偿措施。
摘要：龙门五轴机床运行精度和误差会直接反应到加工工件上。本研究通过采用renishaw激光干涉仪, 快速测量误差, 进行实时误差补偿.实验结果显示, 五轴机床的归零处理对误差积累影响重大, 双并联轴误差随着运行距离逐渐增大, 在启停阶段有较严重的俯仰倾斜晃动发生.该研究主要应用于对同步运行轴, 通过测量同步运行误差并进行补偿, 调整两轴的伺服电机, 提高平行运动的精度。
关键词：激光干涉仪,测量,并联轴,同步运行精度,误差补偿
参考文献
[1]高秀峰, 刘春时, 李焱.基于激光干涉仪的A/C轴双摆角铣头定位误差检测与辨识[J].机械设计与制造, 2011, 12 (12) .