徐志明 楊家榮 程 松 周 吉

(上海電氣中央研究院，上海200070)

在數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過(guò)程中，僅X、Y、Z軸配合主軸已經(jīng)很難滿足某些加工的要求，針對(duì)多功能及復(fù)合加工，又開(kāi)發(fā)了B、W、U軸及各軸聯(lián)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工［1］。

在液壓氣動(dòng)、工程機(jī)械、石油化工設(shè)備、汽車(chē)、機(jī)車(chē)車(chē)輛及電力設(shè)備等行業(yè)中，以橋殼、差速器殼體、泵體及閥體類(lèi)型的零件為主要加工對(duì)象。由于此類(lèi)零件有大量的內(nèi)徑不同的同軸孔系且同軸度要求高，使得其加工往往依賴(lài)專(zhuān)機(jī)。

為了能在數(shù)控機(jī)床上加工上述類(lèi)型的零件，刀具制造商與機(jī)床制造商分別推出了具備U軸功能的刀具和能采用U軸刀具的數(shù)控機(jī)床。如日本池貝開(kāi)發(fā)的TVU4、TVU5型立式加工中心就采用了其自行開(kāi)發(fā)的系列化U軸刀具［2］。U軸功能的應(yīng)用不僅僅解決了上述異型件的加工問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于普通加工也大大減少了刀具使用數(shù)量，提高刀具集成化。

當(dāng)前只有極少數(shù)的進(jìn)口高檔數(shù)控系統(tǒng)具備U軸控制功能，國(guó)內(nèi)大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)尚不具備U軸控制功能。

1 U軸刀具

刀具旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，刀頭可沿著刀架端面做徑向運(yùn)動(dòng)。這種在NC控制下可達(dá)到0.001 mm的精度、沿徑向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的軸，稱(chēng)之為U軸。

為了能夠采用U軸，數(shù)控機(jī)床主軸及刀柄的機(jī)械結(jié)構(gòu)必須有所改變。如圖1所示，U軸的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于U軸伺服電動(dòng)機(jī)。U軸伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)一套齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把動(dòng)力傳遞給位于機(jī)床主軸中心位置上的U軸桿，U軸桿再把動(dòng)力傳遞給位于U軸刀柄內(nèi)的一對(duì)斜齒輪，斜齒輪把動(dòng)力傳遞給蝸輪蝸桿，最后驅(qū)動(dòng)安裝U軸刀具的滑板。U軸刀柄/刀具的實(shí)物如圖2所示。本文中提到的U軸與采用行星輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)平旋盤(pán)［3］中的U軸除了在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有差別外，在控制上的要求也是完全不一樣的。在控制上，平旋盤(pán)中的U軸與數(shù)控機(jī)床上其他的線性軸如X、Y、Z軸等完全一樣，而本文中提到的U軸則必須考慮主軸旋轉(zhuǎn)對(duì)其造成的影響，控制難度要大得多。

帶U軸的加工中心集車(chē)削、銑削等功能于一體，而且能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的車(chē)床加銑床不能實(shí)現(xiàn)的加工工藝，對(duì)于形狀復(fù)雜工件的加工具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。U軸可以實(shí)現(xiàn)的加工工藝包括:階梯加工、圓弧加工、錐面加工、曲面加工、開(kāi)槽加工以及螺紋加工等等，如圖3所示。

2 U軸的控制

U軸不是一般的線性軸，也不是一般的旋轉(zhuǎn)軸，U軸安裝在U軸刀柄內(nèi)，而U軸刀柄又安裝在主軸內(nèi)，因此這種機(jī)械結(jié)構(gòu)方式，使得U軸的運(yùn)動(dòng)受到主軸公轉(zhuǎn)的影響。

數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取主軸的轉(zhuǎn)速信號(hào)，在沒(méi)有U軸位置指令的時(shí)候，U軸伺服電動(dòng)機(jī)必須達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速以使得U軸桿能和主軸的旋轉(zhuǎn)保持同步;在U軸需要移動(dòng)的情況下，則必須使U軸電動(dòng)機(jī)以相對(duì)較快或較慢的速度旋轉(zhuǎn)以確保U軸桿相對(duì)于主軸有一定的轉(zhuǎn)差率。

考慮到U軸的特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)，本文提出了一種U軸的控制方法，具體如圖4所示。

(1)運(yùn)動(dòng)速度控制

考慮到主軸旋轉(zhuǎn)影響后的U軸最終速度指令值Vu由兩部分組成，一部分來(lái)自于加工程序中給定的U軸進(jìn)給速度值V2u，另一部分是當(dāng)前采樣到的主軸轉(zhuǎn)速Vs與U軸到主軸之間傳動(dòng)比K之間的乘積V1u。即:

(2)運(yùn)動(dòng)位置控制

考慮到主軸旋轉(zhuǎn)影響后的U軸最終位置指令值Pu也是由兩部分組成，一部分是沒(méi)有考慮到主軸旋轉(zhuǎn)影響時(shí)U軸的當(dāng)前位置指令值P2u，另一部分來(lái)自于考慮了主軸當(dāng)前旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)U軸位置指令影響的P1u。即:

Kadpa為補(bǔ)償基于速度U軸運(yùn)動(dòng)誤差的自適應(yīng)系數(shù)。

3 U軸的編程

考慮到實(shí)際使用中的方便性，U軸運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性被包裝到數(shù)控系統(tǒng)控制算法中，U軸的編程做到了與其他X、Y、Z軸一樣簡(jiǎn)單，如圖5所示。

4 U軸技術(shù)的應(yīng)用

可以簡(jiǎn)化加工工藝，提高加工精度和加工效率。如圖6所示的復(fù)雜工件，傳統(tǒng)做法是配重后進(jìn)行車(chē)削加工，現(xiàn)在使用帶U軸刀具的加工中心，則可把工件固定在工作臺(tái)上進(jìn)行加工。

另外，對(duì)于有些復(fù)雜的工件，若不使用U軸刀具，則很難加工。如圖7所示的球面加工。

本文所開(kāi)發(fā)的U軸控制功能已經(jīng)集成到SE300開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中，并且已經(jīng)成功應(yīng)用到了TVU4立式加工中心上，如圖8所示。目前該機(jī)床已被上海電氣液壓氣動(dòng)有限公司用于液壓泵中關(guān)鍵零件的加工。

5 結(jié)語(yǔ)

帶U軸的加工中心集車(chē)削、銑削等功能于一體，而且能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的車(chē)床加銑床不能實(shí)現(xiàn)的加工工藝，對(duì)于形狀復(fù)雜工件的加工具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文實(shí)現(xiàn)了U軸的復(fù)雜控制功能，改變了國(guó)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)不具備U軸控制功能的現(xiàn)狀。

1 焦立濤.具備U軸功能的臥式加工中心的應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2001(10):47～48

2 趙麗平，衡山德衛(wèi)等.U軸刀具在池貝加工中心上的應(yīng)用［J］.工具技術(shù)，2008，42(7)

3 韓永剛，金兆鈞等.行星輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)在平旋盤(pán)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程師，2005(6)