多联动轴加工范文

多联动轴加工范文（精选6篇）

多联动轴加工 第1篇

1 五轴联动叶片加工中心概述

叶片式汽轮机、燃气轮机、航天发动机的核心部件, 具有非常重要的作用, 而五轴联动中心在发电机行业以及飞行制造行业中起着十分关键的作用, 其地位不可替代。叶片呈空间曲面的型面, 其形状非常复杂, 由多个圆弧组成叶片的叶根圆角, 某些叶片的叶身中部位置还会设置阻尼台。国内对于叶片的加工在设备和方法上经历了一系列的变革和更新。首先采用的是三轴机床, 此种方法加工应用较早, 机床主要对形状较为简单的叶片进行加工制造, 首先对叶片的一面进行初步铣削加工, 然后将其翻面后重新装夹进行另一面的铣削加工。采用三轴机床进行叶片加工, 需要对叶品坯体进行多次的翻面, 加工工序繁琐, 效率较低。但是因为其应用时间较长, 技术成熟经验丰富, 所以现今在国内还有所应用。其次是四轴机床, 此种机床配有A轴, 继承了三轴机床的优势特点, 但是在翻面上有所改进, 不需要进行手动多次翻面, 在生产效率上有一定程度的提高。最后是五轴联动叶片加工中心, 叶片在加工的过程中, 有时会具有阻尼台或者在加工两端有干涉。对于这种叶片的加工, 采用五轴联动叶片加工中心可以实现质的飞跃, 显著的提高加工效率, 是叶片加工的发展趋势。现今国内外市场对叶片需求量大增, 而且其形状也越来越复杂, 传统的三轴、四轴联动机床已经难以胜任加工任务。而我国国内五轴联动叶片加工中心还处于初级阶段, 技术还不成熟。对此, 本文特别设计了一种五轴联动叶片加工中心用于进行复杂的叶片加工。

2 五轴联动叶片加工中心的机床结构

五轴联动叶片加工中心主要用来加工型面空间复杂的或者窄长型的曲目零件。由直线轴和回转轴组成, 其中直线轴位X轴、Y轴和Z轴, 叶片回转轴为A轴, 刀具摆动轴为B轴。X轴、Y轴和Z轴的布置与立式加工中心的布置相类似, 但是在轴行程方面X轴要长些, Y轴和Z轴要短一些。X轴的行程根据叶片长度进行长短的调整。

本文设计的五轴联动叶片加工中心机床结构如下图1所示:

3 五轴联动叶片加工中心的机床结构特点

本文设计的五轴联动叶片加工中心, 对于复杂的叶片曲面的加工以及形状窄长的叶片加工方面具有明显的优势特点。第一, 刀尖轨迹方面进行了优化处理, 刀尖点处于B轴的回转中心上或者在中心的附近。B轴在回转过程中会带动铣削的主轴发生摆动, 从而引起X1轴进行插补的运动, 刀尖轨迹的优化有效的减少了插补, 使叶片表面的加工质量得以提高。第二, B轴回转中心与水平面的角度适宜, 成最佳角度45°, 这样可以使因加工干涉造成的加工范围的扩大得到有效的控制, 使其能够保持在标准的加工范围内。切削过程中会产生扭矩, 适宜的角度可以有效的避免扭矩向B轴上传输, 这使得B轴的刚性得以加强。第三, 机床配有副A轴, 使其在加工叶片的过程中, 特别是加工窄长型叶片时, A轴加上副A轴同时对叶片产生拉力, 有效的减少了窄长叶片在加工过程中产生的变形, 有效提高了叶片的加工精度。第四, 铣削主轴驱动为内置式电机, 使用陶瓷球轴承进行支撑, 而且进行预紧, 从而提高了主轴的转速, 增加了输出扭矩, 提高了回转的精度。第五, A轴和B轴的驱动全部采用力矩电机, 使用转台轴承进行支撑, 同时配置了精度较高的角度编码器闭环控制, 使反向间隙得以有效的消除, 从而实现了加大扭矩输出, 提高轴刚性的目的。第六, 刀具系统和工件系统实现了均衡的配备, 实现了有效动态性能的匹配, 防止叶片在切削的过程中发生过切的情况。第七, 机床中的直线运动部件采用滚动直线导轨, 并且配合滚珠丝杠进行传动, 同时配置高精度光栅尺闭环控制, 有效提高加工精度。第八, 叶片夹具和各轴的定向方面, 均采用气动的方式代替了液压系统, 不仅使能耗降低, 噪音污染也得以有效的控制。

4 五轴联动叶片加工中心的应用

叶片的型面是一种复杂的曲面, 有一定的弯曲度和扭曲度, 也是叶片加工中的重点和难点所在。五轴联动叶片加工中心对这样的曲面加工具有明显的优势。通常对叶片加工采用螺旋加工的工艺方法, 这也是因为五轴联动加工中心主轴回转的高速度, 同时角度可转换的优势决定的。正因为这样的优势特点, 可以是圆角刀在进行型面加工的过程中可以与曲面完全垂直, 在走刀过程中以恰当的前倾角度, 从而保证型面没有发生过切现象以及产生加工死角。

从加工实践中来看, 本文研究的五轴联动叶片加工中心有效的提高了叶片加工的质量和精度, 使加工效率有了明显的提高, 实现了叶品加工质的飞跃。

摘要：作为汽轮机、燃气轮机、航天发动机的关键部件, 五轴联动叶片的核心地位不可替代。叶片形状复杂, 其加工的精度和质量也有很高的要求。本文通过介绍五轴联动叶片加工中心的应用, 分析叶片加工中心的基本结构及其特点, 为叶片的高质量加工和优化设计提供可靠的参考依据。

关键词：五轴联动,叶片,加工中心

参考文献

[1]颜克辉, 孔祥志, 罗志久, 等.五轴联动叶片加工中心发展现状及其结构特点[J].金属加工 (冷加工) , 2011.

多联动轴加工 第2篇

一、引言

近年来，许多医疗设备，航空零部件，汽车零部件和模具都需要具有较高的精度和复杂的空间几何形状，使得五轴加工越来越重要，但是因为五轴机床具有自由度大，精度高且承受不了碰撞的特点，因此五轴机床在执行切削加工前，必须进行切削模拟测试。鉴于此，我们设计了一个五轴机床机构的运动仿真模型，并使用这个机构模型进行数控刀具路径的仿真模拟。首先，由Creo没计该五轴机床的机构模型和工件模型，通过CAM软件设计五轴加工NC代码，然后再通过VERICUT仿真模拟软件整合两者资料并构建刀具资料后，即可开始五轴加工仿真模拟，通过这样的方式将Creo、CAM软件和VERICUT软件三种软件中的五轴机床资料整合在一起，使用户可以看到五轴机床的运动仿真场景的结果，并切削模拟，还能让使用者在NC加工程序之后，可以更容易且更快地获得切削加工仿真的结果。

二、建模仿真用的机床各部件

1.机床结构

该机床型号UCP800，是双摆台五轴联动立式加工中心，本机床配备X、y、Z、A和C轴，是一款A轴绕X轴旋转，C轴绕Z轴旋转的五轴加工中心。各轴行程如下：X轴行程800mm，Y轴650mm，Z轴500mm，A轴-100°-120°，C轴0-360°，各轴相对初始位置关系，由于机床模型的复杂性，我们首先利用Creo三维软件构建三维机床，并且以组件形式逐个输出STL格式模型文件，需要注意输出组件模型时的参考基准坐标系，此参考坐标系相当于导入VERICUT中的坐标系原点，如图1所示。

2.机床结构的逻辑关系

在Cre02.0中将7个机构模型画出，如基座模型、y轴机构模型、X轴机构模型、Z轴机构模型、C轴机构模型、A轴机构模型和刀轴机构模型，导入机构模型必须转换成STL格式。由于五轴机床的结构为整合的基础，因此，有必要先建立五轴机床的结构，以Mikron_Ucp800五轴机床为例，其结构要分成X和Z两部分，如图2所示。

3.虚拟机床部件树的建立

当所有的机构模型与五轴机床结构整合完成后，即可得到如图3所示，每一个子结构中都包含了各自所代表的机构模型。

双摆动机型五轴立式加工中心的结构描述如图3所示，其中X和Z在机床本体上移动，所以在机床本体下面建立两个子结构X和Z，并且把该结构分为X和Z两部分来看。

（l）X部分：当X运动会带动Y一起运动并且X是一个移动滑块，其中夹具和工件都固定在回转工作平台C上，所以在X下面建立Y，并且使夹具和工件都依附于C回转工作平台下。

（2）Z部分：当X轴运动时将会带动A轴一起运动，而A轴运动会带着C轴一起运动，所以X轴下面建立A轴，在A轴下面建立C轴，我们把此模型称为双摆台机型，刀轴是建立在Z轴上，所以在Z轴下建立主轴并在主轴下建立刀具。

当有了五轴机床的结构后，即可开始进行五轴机床结构与其他资料的整合。

4.导入机构模型的STL资料

将机构模型的资料与导入五轴机床的结构中，并在视窗中显示五轴机床的各个机构模型。

本文将机构模型的资料导入五轴机床的结构方式说明如下，并以将基座模型导人为例。

（l）因为本研究是将外部资料与五轴机床的结构做整合，所以使用的方式为将外部资料导入至五轴机床的结构中，如图4所示，运用加入模型档案（Model File）的方式来将机构模型资料导入至结构中。

（2）将基座模型导入至结构后，模型会以模型设计时的坐标系原点为基准导入，如图5所示，坐标系原点与五轴机床结构的机械原点会重合，且当资料导入后，即可在视窗中看见五轴机床的基座模型。

当所有的机构模型与五轴机床结构整合完毕后，即可得到如图6所示，每一个子结构中皆包含了各自所代表的机构模型，并如图7所示，整合完成的机构模型皆会显示在视窗中。

5.机床初始化设置

在机床设定中设定行程（图8）及其他参数，检查机床运动结构是否符合真实运动情况，以此完成机床的构建。

三、调入控制系统、工件、夹具及NC程序

此机床采用TNC530控制系统，调入VERICUT控制系统文件hei530.ctl。

工件模型主要是提供使用者观察整个NC加工模拟完的结果，所以整合资料中包含了工件模型资料，而在VERICUT系统中要取得工件模型的资料有两种方式，第一种方式为由VERICUT系统本身建立工件模型，而另一种方式为由外部系统产生工件模型，然后将工件模型资料与五轴机床的结构整合。

夹具模型由外部系统产生，然后将夹具模型资料与五轴机床的结构整合。

NC程序的功能为驱动五轴机床的切削运动，所以在执行五轴机床的NC加工模拟前也需将此资料整合，当NC程序导入完成后，五轴机床才能按照NC程序中的内容来执行NC加工模拟。

四、刀具库建立

刀具资料是由使用者在VERICUT系统中建立的，使用者也可以先行在VERICUT系统中建立一个刀具资料库档案，当需要使用时，可以直接呼叫刀具资料库档案进来，并且需定义刀具被夹持的位置点。

参考Creo系统中所设定的刀具资料来建立NC加工模拟所需使用的刀具，如图9及图10所示，在刀具资料库中建立刀具、其中刀具参数包括了刀具的型式、刀具的长度、刀刃的直径和刀刃的长度等。

五、设定工作坐标系及相关参数

因为NC程序都参照工作坐标系为基准，所以由图11中的G代码偏置来定义VERICUT系统的工作坐标系，并如图12所示，定义工作坐标系的参照位置为TooL至MCS，系统会根据参照位置自动为机器做刀具补偿的动作。

六、仿真结果

图13为某零件在五轴机床加工模拟完成后的结果，其仿真过程反映了真实的加工过程，通过自带比较功能，及时发现碰撞及干涉情况，有针对性的对刀具的走刀路径进行优化，减少空走刀。

当NC加工模拟测试完成后，Creo及PowerMILL及VERICUT三者的资料整合已完成，接下来可以让使用者直接使用此整合资料执行其他不同类型工件的NC加工模拟。

七、结语

多联动轴加工 第3篇

各项准备工作都很重要, 后置处理是生成加工中心特定数控系统能够识别的控制指令的关键, 其主要任务是在数控系统加工自动编程过程中, 对前置处理生成的刀位文件进行处理。 本文以在XHA715 四轴联动立式加工中心上加工大力神杯为例, 介绍UGNX8.0 后置处理生成机床NC程序设计工程。

1 加工零件造型

在UGNX8.0 软件综合教学训练过程中, 对于造型零件之一的大力神杯进行造型到加工的一系列教学任务, 在完成造型后讲解轨迹生成、前置及后置处理、 NC代码的生成等为综合实践做准备。

2 UGNX8.0 后处理构造器简介

UGNX8.0 后处理构造器是UG软件提供的一个非常方便的创建和修改后处理文件的工具, 同其它的CAD/CAM软件一样具有一定的通用性, 操作者以通过UGNX8.0 后处理构造器图形界面的交互方式, 根据机床的结构特点和数控系统的控制原理, 定义一些机床参数, 如机床结构、 各轴运动方向、 运动围、 运动范方式、 数据的精度及旋转轴等, 进行后处理文件的定制开发, 可生成直接应用于所操作的数控机床的后置处理程序。

进入UGNX8.0 后置处理构造器菜单界面, 建立后置处理文件的一般过程是: 根据提示进行顺序操作, 收集机床及系统相关参数→进入UG后置处理构造器→根据机床系统特点和结构参数创建后置处理程序。

3 XHA715 四轴联动立式加工中心后置处理构建

3.1 XHA715四轴立式加工中心的相关参数

XHA715 四轴立式加工中心选配Sie m e ns 802D数控系统, 采用XYZ三个线性轴和一个A回转轴的形式, 工作行程X轴为800m m, Y轴为530mm, Z轴为700mm; A轴0° ~360° ; 工作台面1000m m×500m m; 主轴转速60~ 8000r/m in。

在进行机床后置处理程序构建之前, 必须充分了解上述的XHA715 四轴立式加工中心结构参数、 各运动轴参数、 数控系统, 才能保证后置处理输出NC程序中G代码的准确格式, 在运行程序时, 满足机床安全性及数控系统兼容性的要求。

3.2 UGNX8.0后置处理程序的制作

3.2.1XHA715 四轴立式加工中心基本类型的参数设定

第一步启动UGNX8.0 后置处理构造器程序: 新建后置文件, 进行以下参数设置操作, 选择主后处理→后置处理输出单位, 根据实际加工要求选择毫米→机床类型选择铣床, 并且点击在该选项下方的下拉式菜单, 进行选择机床的子类型, 根据机床结构类型选择带回转台的4 轴机床→控制器选一般。

第二步设置机床的运动参数: 在后处理界面选择机床, 点击显示机床, 点击一般参数, 进入一般参数设置页面, 将前面XHA715 四轴立式加工中心的相关参数 ( 工作行程设置线性轴行程限制) 输入, X: 800、Y: 530、 Z: 700; 回零位置不动; 输出圆形记录: 选是; 选择输出单位:填入线性运动分辨率, 最小值: 0.001 及移刀进给率, 最大值: 10000。

第三步设置第四轴参数: 点击第四轴, 进入第四轴设置页面, 根据XHA715 四轴立式加工中心结构旋转平面选择为YZ, 文字指引线为A, 旋转运动分辨率为0.001°, 最大进给率为10 度/ 分, 轴限制为360°~ 0°, 其余参数选择默认即可。

3.2.2 设定与数控系统相关的参数

UGNX8.0 后置处理的机床运动参数, 为保证输出的NC程序所加工产品的准确性, 定义了与数控控制系统相关的参数, 保证其与机床控制系统的兼容性, 决定了输出NC程序的G代码格式能在XHA715 四轴立式加工中心准确运行, 设定的参数包括程序和刀轨, NC数据定义和输出设置。

第一步设置程序头格式: 选择程序和刀轨标签, 选择程序起始序列, 选择程序开始, 单击“ G40G17G90G71”, 将G17G71 删除, 将G55G64G94 输入到程序格式中。 在下拉菜单中选择要增加的G功能, 添加到程序开头即可。

第二步设置数据格式: 这部分是对输出NC程序各个坐标数值的形式进行定义, 要与数控系统要求相符合, 根据Siemens802D要求, 各运动轴输出数值设置为小数点前5 位, 小数点后3 为, “ +” 省略。在NC数据定义标签下的格式菜单中定义即可。

以上即为用UGNX8.0 后置处理构造器为XHA715 四轴加工中心配置后置处理的设置过程, 经过设置后置处理后可以生成的NC数控程序文件:

上面是生成程序的一部分, 该程序经过在该机床上成功运行, 证明该后处理文件适用于数控系统为Siemens802D的XHA715 四轴机床。

4 零件加工工程

进入综合实训阶段, 将上面造型后, 经过后置处理等设置后等到的NC数控程序通过在线方式传给加工中心的数控系统, 将工件坯料装夹到旋转轴及顶尖上, 将刀具按要求配置到刀库指定位置, 并进行对刀等处理, 最后完成零件———大力神杯加工。

本设计方案对于各种数控系统控制的四轴数控加工中心在自动编程过程中都具有参考作用, 对于使用各种CAD/CAM软件进行造型生成NC代码时, 进行相关处理也有参考作用。

摘要：介绍UGNX8.0针对Siemens802D数控系统在XHA715四轴联动立式加工中心上加工大力神杯为例, 进行后置处理是生成加工NC的主要操作方法。

多联动轴加工 第4篇

加工效率和加工精度是衡量数控机床性能的主要指标。近年来, 随着几何误差和热误差测量、建模和补偿技术的应用, 传统数控机床的静态、准静态精度得到显著提高。而在高速数控机床中, 随着加工速度的提高, 因进给系统动态特性而造成的轮廓误差问题逐渐凸显出来, 成为影响多轴联动高速高精加工的重要因素。

数控机床的多轴联动加工是通过一个多轴联动插补器和几个相互独立的运动控制器共同实现的。在数控机床的运动控制和误差补偿中, 通常定义输出位置到理论轨迹的最小距离为轮廓误差[1]。

Poo等[2]对两轴联动加工直线和圆轨迹时的轮廓误差进行研究后发现:如果两轴动态特性匹配, 加工直线轨迹时不存在轮廓误差, 加工圆轨迹时存在半径误差;如果两轴动态特性不匹配, 加工直线轨迹时, 实际轨迹平行于理论轨迹, 加工圆轨迹时产生椭圆形的轮廓误差。众多学者对多轴联动轮廓误差进行了研究, 提出了许多提高多轴联动加工精度的方法。Tomizuka[3]提出的零相位跟踪控制器能够通过提高单轴的跟随精度, 减小多轴联动轮廓误差。其后, 基于自适应和模糊控制的零相位跟踪算法得到广泛研究和应用[4,5,6,7]。但零相差跟踪控制对进给系统模型和干扰非常敏感, 当输入信号存在高频分量时可能激起系统的非建模特性, 产生振荡[8]。Koren[9]首次提出了基于轮廓跟踪的交叉耦合控制器。为了提高交叉耦合控制的稳定性和补偿精度, 研究者们又相继提出了几种改进的交叉耦合算法[10,11,12]。针对交叉耦合控制需要改变现有运动控制器结构的缺点, Chin等[13]提出了轨迹预补偿方法。随后, 为了改善补偿效果, 他们又提出了交叉耦合轨迹预补偿[14]和基于模糊控制的交叉耦合预补偿方法[15]。奚学程等[16,17]提出了一种基于模型的泰勒展开轮廓误差补偿方法, 用于消除两轴联动加工直线和圆轨迹时的轮廓误差。Huo等[18]通过引入自由曲线轮廓误差计算对这一方法进行了扩展。以上方法均能有效减小多轴联动加工的轮廓误差, 但是由于误差计算采用实时反馈数据, 进给系统稳定性和由于噪声产生的振荡问题随之产生。Lo等[19,20]提出了一种重复加工的轨迹预补偿方法, 但该方法只适用于相同轮廓的重复加工, 且补偿过程未考虑进给系统的延时作用。Ye等[21]对交叉耦合轨迹预补偿方法进行了改进, 通过各轴跟随误差模型预测轮廓误差, 并进行实时补偿, 该补偿方法忽略了补偿量对跟随误差的影响, 当轮廓误差较大时, 补偿效果不理想。李学伟等[22]提出的一种基于轮廓误差模型的补偿方法很好地补偿了两轴联动加工圆轨迹时的半径误差, 但未能解决变曲率轨迹和空间轨迹加工的轮廓误差补偿问题。

本文在对多轴联动加工轮廓误差的成因进行分析的基础上提出了一种基于轮廓误差模型的三轴联动轨迹预补偿方法, 该方法通过系统辨识获得进给系统固有频率和阻尼比, 根据轮廓误差与轨迹曲率的关系建立轮廓误差模型, 将误差模型嵌入开放式数控系统插补器中, 在加工过程中实时读取插补数据, 计算当前轨迹曲率, 根据建立的轮廓误差模型计算补偿量, 并分配到各运动轴, 产生新的加工轨迹指令以补偿理论轨迹加工时造成的轮廓误差。

1 多轴联动加工轮廓误差成因及影响因素分析

为了便于分析, 将进给系统简化为二阶模型[8,23]:

式中, ωn为进给系统固有频率;ξ为进给系统阻尼比;S为微分算子。

根据线性系统的时域分析可知, 进给系统的单位阶跃响应可表示为[24]

如果插补器时钟周期为T, 单位阶跃信号为rs (t) , 进给系统的输入可以看作一系列单位阶跃的叠加, 即

nT时刻的输出可表示为

因为插补器周期很短, 故进给系统在t0时刻的输出可以写成

根据式 (5) , 进给轴在t0时刻的跟随误差可表示为

设v为运动轴的速率, 则有v (t) =x′ (t) 。设进给系统的调节时间为ts, 即t≥ts时η (t) =0。

式 (6) 可写成

式 (7) 表明, 进给轴在t0时刻的跟随误差是t0-ts到t0时间段内速度指令和衰减函数η (t) 的卷积。

数控机床各进给轴间动态特性不匹配会严重影响多轴联动加工精度, 因此, 数控机床调试阶段需要通过圆度测试, 使各轴动态特性达到匹配, 即通过控制参数整定, 使各轴具有相同的固有频率和阻尼比。

设r (t) 为三维空间曲线, 其自然参数方程为r (s) (x (s) , y (s) , z (s) ) , 其中s定义为

根据空间曲线的泰勒展开式[25], 有

式 (9) 中余项满足

式中, κ为轨迹曲率;τ为轨迹挠率;κ′为曲率变化率;α为轨迹切向的单位向量;β为轨迹的主法向单位向量;γ为从法线单位向量。

α、β、γ的对应关系如图1所示。

根据式 (5) 和式 (8) , t0时刻系统的输出可写成

因为如果加工速率v0不变, 式 (10) 可简化为

根据式 (9) 可知, 曲率变化率和挠率是相对于曲率的高阶小量, 根据式 (6) 、式 (9) 和式 (11) , 跟随误差向量可近似写成:

式 (12) 中, 第一项为跟随误差向量在轨迹切线方向的分量, 第二项为跟随误差向量在轨迹主法线方向的分量。式 (12) 表明, 多轴联动加工的跟随误差向量是由加工速率、轨迹曲率和进给系统的动态特性共同决定的, 如果进给系统动态特性不变, 加工过程中的跟随误差向量取决于系统调整时间内的加工轨迹曲率和加工速率。跟随误差向量的存在导致多轴联动加工的轮廓误差。由于系统调整时间比较短, 故可将加工轨迹近似为直线和圆弧轨迹。根据式 (12) 可知, 直线轨迹加工时, 跟随误差向量的方向与加工速度方向相同, 无法向分量, 不产生轮廓误差。本文针对圆弧轨迹和变曲率自由曲线轨迹的加工轮廓误差和补偿方法进行研究。

2 基于轮廓误差模型的轨迹预补偿方法

2.1 两轴联动加工圆轨迹的轮廓误差补偿

设圆轨迹半径为R, 两轴的指令输入分别为

式中, ω为轨迹加工的角频率, ω=v0/R。

两轴的位置输出分别为

式中, Ro为实际加工圆轨迹半径;φ为实际输出与指令轨迹间的相位差。

因为圆弧曲率κ=1/R, 半径误差即轮廓误差可表示为

跟随误差向量可表示为

如果要获得半径为R的实际加工轨迹, 指令轨迹的圆半径应为R/a, 轨迹法向的补偿量应为

补偿后的两轴输入轨迹可表示为

2.2 三轴联动加工自由曲线轨迹的轮廓误差补偿

通过将R等效为自由曲线轨迹的内切曲率圆半径, 内切曲率圆曲率为κ=1/R, 式 (19) 即为本文多轴联动加工轮廓误差补偿量的计算公式。下面介绍如何通过插补数据确定轨迹加工角频率、轨迹曲线内切圆半径以及轨迹误差补偿方向。

设指令轨迹的时间参数方程为r (t) (x (t) , y (t) , z (t) ) , 插补周期为T, nT时刻的位置输入指令rn (x (nT) , y (nT) , z (nT) ) , n=1, 2, 3, …, (n-1) T、nT时刻的切向加工速度向量vn-1 (vx ( (n-1) T) , vy ( (n-1) T) , vz ( (n-1) T) ) 和vn (vx (nT) , vy (nT) , vz (nT) ) 可在插补器中实时读取。

nT时刻的轨迹加工角频率可通过下式进行计算:

nT时刻加工轨迹曲率可表示为κ=ω/v0。

补偿方向确定为加工轨迹的法向nc, 根据向量叉乘的性质, 可表示为

根据式 (19) 和式 (23) , 误差补偿向量可表示为

式 (24) 即为本文提出的多轴联动加工轮廓误差补偿模型。该补偿方法的示意图如图2所示。

3 仿真和实验

3.1 仿真研究

为了对本文提出的方法进行验证, 对变曲率的两维轨迹进行MATLAB仿真分析, 以坐标原点为起点的不同曲率和曲率变化的五条指令轨迹如图3所示。仿真模型中进给系统固有频率和阻尼比分别为41.32rad/s和0.77, 仿真采用的加工速率为4m/min。

轨迹预补偿前后的轮廓误差ε如图4所示, 图中, 如果实际输出位置在加工轨迹方向的左侧, 轮廓误差为负值, 实际输出位置在加工轨迹方向的右侧则轮廓误差为正。

仿真结果表明, 当加工轨迹曲率连续增大时 (图4a、图4b) 两轴联动加工变曲率轨迹的轮廓误差随轨迹曲率变化而改变, 轨迹曲率越大, 轮廓误差越大。相对平滑轨迹的加工 (图4c) 具有较小的轮廓误差。对于图4c、图4d所示的轨迹, 轨迹曲率先变小后变大, 轨迹密切曲率圆从轨迹加工方向的左侧过渡到右侧, 轮廓误差也先变小, 后变大, 并且实际加工轨迹从理论轨迹左侧过渡到右侧。仿真结果还表明, 采用本文提出的轮廓误差补偿方法能够有效减小两轴联动加工变曲率轨迹的轮廓误差。图5中不同曲率变化的加工轨迹补偿前后的轮廓误差IAE值[17]如表1所示, 其中:

式中, N为加工过程中的采样数;ε (i) 为第i次采样的轮廓误差。

为了验证该方法在三轴联动加工中的补偿效果, 对图5所示的三维变曲率螺旋线轨迹采用5m/min的加工速率进行三轴联动加工仿真, 补偿前后的轮廓误差如图6所示, 补偿前后轮廓误差IAE值从55.34μm减小到8.109μm。

以上二维和三维变曲率曲线轨迹的多轴联动加工仿真结果表明, 轨迹曲率对多轴联动加工轨迹的轮廓误差影响显著, 轨迹曲率越小, 轮廓误差越小, 轨迹曲率越大, 轮廓误差越大。采用本文提出的基于误差模型的轨迹误差预补偿方法能够显著减小多轴联动加工的轮廓误差, 提高加工精度。

μm

3.2 实验验证

3.2.1 实验平台

为了验证本文提出的轨迹预补偿方法, 在三轴立铣机床 (图7) 上进行了两轴圆轨迹和三轴螺旋线轨迹的加工及误差补偿实验。该机床采用PA8000E开放式数控系统, 插补器时钟周期为0.002s。

3.2.2 实验流程

基于误差模型的三轴联动加工轨迹预补偿方法流程如图8所示。

利用开放式数控系统插补循环, 产生伪噪声序列对进给系统进行激励, 并实时记录系统输出, 利用MATLAB系统辨识工具箱对进给系统进行辨识, 获取的进给系统固有频率和阻尼比分别为75.78rad/s和1.02。

根据式 (19) 、式 (23) 、式 (24) 计算nT时刻轮廓误差补偿向量为

式中, εcx、εcy、εcz分别为x、y、z轴补偿分量。

3.2.3 补偿实验

图9显示了采用轨迹误差补偿前后不同速度加工不同圆轨迹的轮廓误差, 为了使半径误差显示明显, 将标准圆轨迹的半径减小至0.2mm, 实际位置数据在法线方向上减小相同的量。补偿前后的轮廓误差IAE值的比较如表2所示。实验结果表明, 本文提出的补偿方法能够显著减小由于进给系统动态特性造成的轮廓误差, 提高圆轨迹的加工精度。

μm

图10为三轴联动加工螺旋线的理论轨迹, 加工速度为10m/min。实际输出位置通过开放式数控系统实时读取和记录反馈位置数据获得。读取周期为0.06s。螺旋线曲线轨迹补偿前后的轮廓误差如图11所示, 补偿前后轮廓误差IAE值从324.466μm减小到13.769μm。

4 结论

多联动轴加工 第5篇

现如今加工制造业在国家的地位不言而喻,五轴联动就是其中至关重要的一部分,在加工中心的发展中五轴联动有着划时代的意义。加工中心可以分为两类,一类是卧式加工中心,这类加工中心比较局限,即使是和回转工作台共同工作的情况下,也只能加工工件的四周轮廓,无法加工工件其他部位;另一类是立式加工中心,这种加工中心也并不完美,只有在加工工件顶面时才有效率。而五轴联动简易高效,在加工工件时只需装夹一次,就能对工件的五个面全部加工,其效率和精度水平在加工中心非常之高,是加工中心发展的里程碑。

1 概述五轴联动叶片加工中心

叶片式汽轮机、燃气轮机、航天发动机等的核心部件,是轮船和飞机十分关键的部位,叶片的形状非常复杂,叶根圆角结构是由数个圆弧共同组成,在空间中呈曲面形状,一些特殊的叶片叶身中部还会有阴尼台的设计。在我国的叶片设计发展史上,不同时代叶片的加工设备和方法也在逐渐更新变革。早期国内采用的是三轴机床加工叶片,由于设备比较简陋,技术也不太成熟,大多数是加工制造一些形状比较简单的叶片,而且工序比较复杂,效率也不高。通常是加工叶片的其中一个面,之后翻面加工另一个面,依次加工叶片的各个面。三轴机床加工叶片的方法应用较早,在长时间的加工中也得到了丰富的经验,技术相对成熟,因此目前国内仍有采用这种方法加工叶片的。经多次改革更新,四轴机床开始应用,建立在三轴机床的基础上,四轴机床延续了三轴机床的优点,也在相对低效率的手动翻面上有了改进,其配置的A轴不用多次的手动翻面,生产效率也随之提高。最终有了五轴联动叶片加工中心的出现,加工效率也突飞猛进,这也正顺应了叶片加工的发展潮流,是叶片加工中心的必然发展趋势。现今社会是发展科技和加工业的时代,国内国外都需要大量的叶片发展本国的机械制造业,叶片的形状逐渐复杂化,对叶片加工的设备要求也越来越高。目前我国的五轴联动叶片加工应用的时间较短,加工经验不够丰富,技术也不成熟,而以往的三轴联动和四轴联动已不再适用如今复杂的叶片加工,因此,本文在现有的五轴联动加工设备和技术上,设计一种能加工复杂叶片的五轴联动加工中心。

2 五轴联动叶片加工中心的发展现状

五轴联动叶片加工中心并非加工所有机床零件,而是会选择性地加工航空航天发动机和汽轮机等叶片,此外也会加工一些形状窄长的空间结构复杂的曲面零件机床。这些机床通常都由X、Y、Z、A和B轴组成,X、Y、Z轴是三条直线轴,空间结构和立式加工中心的布置比较相似,不同的是X轴较长,Y、Z轴较短,如果X轴较长的话就可以直接用于加工长叶片,B轴是刀具摆动轴,A轴是叶片回旋轴。目前我国的各种叶片加工中心的生产厂基本被国外的五轴联动叶片加工中心厂家垄断,因为国内的五轴联动叶片加工中心还处于初级阶段,起步较晚,技术也不太成熟,而国外知名的生产五轴联动叶片加工中心的厂家占据着我国机床加工市场。

3 五轴联动叶片加工中心机床的结构特点

3.1 B轴的回转中心与刀具主轴的回转中心成45°

五轴联动叶片加工中心对机床的规格非常严格,要求B轴的回转中心与刀具主轴成45°,刀具主轴的刀尖还必须在轴的回转中心上,机床的结构特点显著明确,如图1所示为五轴联动叶片的加工。直线轴Y通过刀具移动实现,直线轴X和Z则通过工件移动实现。这种结构不但可消除X、Z轴的插补运动,有效提高工件的表面加工质量,还能阻止切削力产生的扭矩传输到B轴。

3.2 B轴的回转中心与刀具主轴的回转中心成90°

五轴联动叶片加工中心要求B轴的回转中心与刀具主轴的回转中心成90°,可通过两个方法实现,一是使B轴回转中心与刀尖部位基本重合,尽可能偏离刀具主轴中心,二是B轴回转中心刀具主轴重合,然而这两种方法都有各自的优点和局限性。方法一的优点比较明显,刀尖的位置离轴回转中心非常近或基本在轴回转中心上,这使B轴在摆动时不会影响刀尖位置的改变,需要插补的量也很小。如果B轴摆动的角度出现误差,这种几乎可以忽略的误差也不会对刀尖的位置产生比较大的影响,X、Y轴频繁的插补运动会大大降低,提高了加工的精度,对轴的要求也有所降低。不足的是B轴在摆动时会产生偏心力矩,如果要在设计时平衡掉偏心力矩,这也加大了机械设计的困难度。方法二中刀具主轴的重心基本都在摆动中心上,在摆动时比较平衡,误差较小,有利于机械设计的简单化,然而实际中B轴的摆动往往伴随着X、Z轴的插补,摆动角度的误差带动着X、Z轴的插补误差,在在摆动角度误差较大时刀尖位置的误差也就不容忽视。要想机床加工比较准确,对B轴的摆动要求就要非常准确,不能有偏离的误差现象,这也给设计制造带来了困难。

3.3 多主轴叶片加工中心

在占地面积有限的情况下可以选用多主轴叶片加工中心,即加工时同时加工多个叶片,可大大提高了加工效率,也能节约加工成本。对规格较小的叶片加工中心,可以采用双刀具主轴结构,最大的加工长度不会超过262mm,刀具主轴转速可以达到30000r/min;有一次能同时加工两个叶片的五轴联动叶片加工中心g-mill550twin,主轴带有两个刀具和A轴;还有能一次同时加工四个叶片的五轴联动叶片加工中心,NX系列带有多个主轴,其生产效率非常高。

3.4 其他结构

HSTM系列五轴联动叶片加工中心的Y、Z轴运动通过刀具实现,B轴为“T”型结构,X轴运动通过工件实现,采用45°斜床身,具体结构如图2所示。

3.5 并联叶片加工中心

五轴联动叶片加工中心在叶片质量较轻时可依据刀具轴的运动方向和工件划分。有的机床是刀具主轴实现Y轴运动,工件实现X、Z轴运动;有的机床X、Y、Z轴运动是靠刀具主轴通过立柱和滑板等实现;还有的是工件实现Y轴运动,而刀具主轴实现X、Z轴运动。

4 五轴联动叶片加工中心的应用

加工叶片的叶身型面时加工中的重中之重,叶身型面在一定程度内可以弯曲,虽然不规则,却有一定的规律可循,在五轴联动叶片加工中心叶身型面的加工有一定的优势。螺旋加工方法使在刀具顺着3个坐标方向连续进给时,加工的轨迹是一条环着叶身的螺旋线,通常用这种方法加工叶片。由于五轴联动叶片加工中心的刀具主轴的角度可以在一定范围内转动,而且主轴有高速回转的功能,在加工时型面的圆角刀可以完全垂直于曲面,这时再用适当的前倾角方式走刀,最终加工出的型面不会有切合死角的存在,而其他的设备无法完全达到这种加工效果。虽然加工效果比较完美,但对编程算法的要求也相当高,若是编程算法的程度不够,就无法达到预期效果,若有专业的CAM软件编程算法,可这一解决问题。本文所述的机床可以配备叶片编程专业软件Hypermill,此款软件使用各种层次的叶片用户,能有效缩短编程时间,还能提供优质的参考模板。

5 结语

现代社会经济水平和科学技术发展迅速,在制造业领域机床水平的高低能直接反映一个国家的工业发展水平,五轴联动机床系统更是机械制造业的高新技术发展标志。机械制造业在现代社会中有着举足轻重的地位,汽轮机和航空航天发动机的需求也在逐渐扩大,五轴联动叶片加工中心的地位也越加重要。要实现叶片行业对叶片的大量需求,就要大力发展国内的五轴联动叶片加工中心,设计并制造出优良品质的五轴联动叶片铣削设备,在降低成本的同时能高效率生产加工出高质量的叶片,为我国的机械制造业创造出更加广阔的未来。

参考文献

[1]刘士玉,徐树洛.五轴联动龙门加工中心现状与发展探讨[J].世界制造技术与装备市场,2008,(6):84-87.

多联动轴加工 第6篇

整体叶轮是中央制冷离心压缩机的核心部件, 其加工的质量对发动机的性能起着决定性的影响。其典型的应用还有涡轮式发动机、涡轮膨胀机、离心叶片泵、内燃机增压器等领域, 但整体叶轮的结构十分复杂, 有多片叶片, 加工时叶片间的容刀空间小, 因此必须采用五轴联动的数控机床进行加工。笔者通过应用Pro/E软件进行CAD建模, 然后将图形数据转换到Master CAM软件中, 根据零件特点, 拟定数控加工工艺, 进行数控编程, 通过对生成的刀具路径进行模拟仿真设计, 方便地解决了叶轮的造型和数控加工问题。

1 叶轮PRO/E造型设计

1.1 构建旋转实体

打开PRO/E软件, 新建文件prt-1, 点选FRONT基准面作为绘图面, 绘制草图并标注尺寸如图1 (a) , 完成绘制得到图1 (b) 实体。

1.2 构建扫描实体

1) 绘制样条曲线与修改尺寸数值

点选FRONT基准面作为绘图面, 绘制图2所示样条曲线并标注尺寸。

2) 生成扫描实体 (如图3所示) 。

1.3 构建切割实体

点选RIGHT基准面作为绘图面, 绘制图4 (a) 所示并标注尺寸。切割得到图4 (b) 实体。

1.4 旋转阵列特征

点选图4 (b) 的实体相交的四条边, 输入圆角半径1, 生成单叶片实体。在树状目录中点选如图4 (b) 中扫描面, 切除, 圆角三个特征, 输入旋转增量24和阵列总数14, 得到叶轮实体特征如图4 (c) 。再构建孔型特征后得到整体叶轮图。

2 叶轮源文件的导入

MASTERCAM软件获取源文件有两种方法:1) 由其他的软件 (如U G、P R O/E、C i m a t r o n等) 进行造型并将其转入MASTERCAM软件中, MASTERCAM支持*.txt, *.prt, *.dxf等多种文件格式的转换;2) 直接由MASTERCAM软件完成三维曲面及实体造型。本例选用第一种方法并使用PRO/E软件完成叶轮的三维造型, 并将其扩展名保存为PRT格式。单击MASTERCAM软件, 选择打开文件, 选择指定目录的叶轮文件, 在文件类型中选择PRO/E文件, 如图5所示。

3 叶轮加工工艺分析

叶轮属于回转类型零件, 因为两叶片间距离小, 所以合理控制刀具轴是多轴程序编制的一个难点。叶轮的毛坯外形可通过数控车床车削成型, 而流道和叶片的成型加工则需要在五轴联动机床上完成, 叶片加工是整个零件的加工难点, 由于叶片之间的间隔距离小, 而也叶片的扭曲程度决定了加工时刀具的摆动范围, 刀具轴必须在两叶片之间的范围内摆动, 刀具才不会与叶片发生干涉。叶轮中间的圆孔用于加工时的装夹定位, 只需将毛坯放入与之配合的圆柱上, 再用螺母压紧毛坯便可实现零件的装夹定位。加工工艺规划如表1所示。

4 叶轮五轴粗加工轨迹

Master CAM X6软件提供丰富的五轴加工功能, 选择下拉菜单“刀具路径”“多轴”其五轴刀具类型主要有“经典”“线框”“曲面/实体”“钻孔/全圆铣削”“5轴轨迹转换”“自定义应用程序”等五大类型, 共计29种多轴加工方法, 用户可以根据零件的形状特点合理选择相应的五轴加工方法, 完成五轴轨迹的生成和仿真。本例叶轮为复杂的曲面加工, 选用自定义应用程序中的叶轮专家进行生成刀路。如图7。选择粗加工刀具为球头铣刀, 直径为Φ8R2, 设置转速3000r/min, 进给速度为400mm/min, 粗加工参数设置如图8。选择切削方式:“粗加工”, “从中心偏移”切削顺序:“双向切削, 从顶部开始”;在部分定义选项中设置:叶轮叶片圆角单击箭头, 并选择两相邻叶片曲面, 输入精加工预留量0.2mm。如图10。同理, 选择集线器!单击箭头, 并选择叶盘曲面, 输入精加工预留量0.2mm。如图11。其余选项可以默认设置, 生成叶轮粗加工轨迹如图12。

5 叶轮五轴精加工轨迹

叶轮精加工, 主要对叶轮轮毂和叶片进行修整, 保证叶轮加工质量。叶轮精加工刀具为硬质合金球头铣刀, 直径为Φ4R2, 设置转速5000r/min, 进给速度为120mm/min, 叶轮轮毂精加工参数设置如图13。选择切削加工内容:“轮毂修整”, 切削顺序中的方式为“双向切削, 从顶部开始”定制“由左至右”, 生成轮毂精加工轨迹。如图14;叶片精加工切削方式参数设置:选择“叶片修整”单击箭头, 并选择需要精加工的叶片曲面。如图15。方式为“从中心偏移”等高外形“球形”方式为“单向切削, 从顶部开始”切削方向为顺铣。叶片精加工部分定义参数设置:单击部分定义参数, 选择需要精加工的叶片, 并将预留量设置为零, 将各项参数设置完成后, 生成叶片精加工轨迹, 如图16所示。

6 叶轮五轴仿真

叶轮粗精加工生成的代码修改比较困难, 本例通过Master CAM X6软件自带的仿真模块进行仿真, 以防止在加工中发生干涉和撞刀。该叶轮零件为圆盘零件, 通过CK6132机床车削得到其毛坯, 如图17。单击模拟仿真工具, 设置其仿真参数, 在图18中, 选中碰撞停止, 换刀停止, 完成每个操作后停止等选项。设置完成所有仿真参数后, 选中需要仿真的刀路轨迹, 开始仿真, 其叶轮仿真结果如图19所示。

7 结束语

使用PRO/E可以准确快捷创建复杂曲面零件, 然后将图形数据转换到Master CAM软件中, 根据零件特点, 拟定数控加工工艺, 进行数控编程, 通过对生成的刀具路径进行模拟仿真。方便地解决了叶轮的造型和数控加工问题。同时, 也为其他类似曲面的造型及加工提供参考, 充分发挥了五轴联动加工中心的应用价值。

参考文献

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