蔡 捷

(上海第二工業(yè)大學(xué) 智能制造控制工程學(xué)院,上海201209)

0 引言

五軸加工中心經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)作或者搬運(yùn)移動后,需要對機(jī)床的各項(xiàng)靜態(tài)及動態(tài)精度進(jìn)行校驗(yàn)及調(diào)整。完成機(jī)床各項(xiàng)基本精度(包括垂直度、平行度、直線度、定位精度及主軸跳動)調(diào)試合格后,對影響五軸變換后刀具位置精度的參數(shù)進(jìn)行校正是有必要的。五軸變換功能是指在可選操作模式中用傾斜軸定位時(shí)保持刀尖位置的功能,如SIEMENS的旋轉(zhuǎn)刀具中心點(diǎn)(rotation tool center point,RTCP)功能,HEIDENHAIN的刀具中心點(diǎn)管理(tool centre point management,TCPM)保持刀尖位置功能。HERMLE五軸加工中心配套的是HEIDENHAIN iTNC530系統(tǒng),配有TCPM功能。

目前,國內(nèi)對各種五軸聯(lián)動機(jī)床的動態(tài)精度的標(biāo)定原理和算法的闡述已比較完整,但標(biāo)定及校驗(yàn)的方法一般常采用了以下幾種:①標(biāo)準(zhǔn)棒(球頭檢棒或直棒等)配合千分表標(biāo)定[1-2],這種方法會引入標(biāo)準(zhǔn)棒的輪廓誤差以及千分表的讀數(shù)偏差,降低RTCP誤差補(bǔ)償效果,并需要人工讀取千分表讀數(shù),過程耗時(shí)耗力;②采用無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置校驗(yàn)標(biāo)定,精度高,但價(jià)格昂貴且采購周期長;③采用Axiset Check-Up回轉(zhuǎn)軸心線檢查工具校驗(yàn)標(biāo)定,缺點(diǎn)也是價(jià)格昂貴且采購周期長;④利用球桿儀檢測旋轉(zhuǎn)軸誤差檢測方法[3-5],球桿儀需要購買,短時(shí)無法進(jìn)行校驗(yàn)補(bǔ)償工作。⑤利用標(biāo)準(zhǔn)球配合機(jī)床的運(yùn)動特性模塊進(jìn)行自動校正的方法,前提是購買機(jī)床時(shí)開通了此模塊。

以上幾種校正方法需要花費(fèi)較多的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。如果檢測工具不準(zhǔn)備購買、機(jī)床沒有內(nèi)置運(yùn)動特性模塊或者工作時(shí)間比較緊促的話,如何利用機(jī)床系統(tǒng)內(nèi)置的一些功能來解決這個(gè)現(xiàn)實(shí)問題,是值得探討的。此類方法在目前文獻(xiàn)中還比較缺乏,本文提出的校正方法具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 檢測原理與方法

具有TCPM功能機(jī)床運(yùn)行五坐標(biāo)聯(lián)動加工程序時(shí),刀位點(diǎn)是其相對于工件坐標(biāo)系的位置點(diǎn),當(dāng)機(jī)床的回轉(zhuǎn)軸參與運(yùn)動時(shí)直線軸做出額外的補(bǔ)償運(yùn)動來保持刀尖點(diǎn)相對于工件坐標(biāo)系的位置,補(bǔ)償運(yùn)動的方位是機(jī)床根據(jù)動態(tài)精度的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行執(zhí)行的。HERMLE C30U機(jī)床如圖1所示,機(jī)床側(cè)A軸和C軸中心相對機(jī)床參考點(diǎn)偏移補(bǔ)償參數(shù)包括:A軸旋轉(zhuǎn)中心相對機(jī)床參考點(diǎn)Y軸方向的距離;A軸旋轉(zhuǎn)中心相對機(jī)床參考點(diǎn)Z軸方向的距離;C軸臺面中心相對A軸旋轉(zhuǎn)中心Z軸方向的距離(恒定);C軸旋轉(zhuǎn)中心相對機(jī)床參考點(diǎn)X軸方向的距離(X軸默認(rèn)A、C軸重合,所以只出現(xiàn)了一次);C軸旋轉(zhuǎn)中心相對A軸旋轉(zhuǎn)中心Y軸方向的距離。

圖1 HERMLE C30U機(jī)床Fig.1 HERMLE C30U machine

機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖2所示,A、C軸中心偏移參數(shù)頁面如圖3所示。

圖2 雙轉(zhuǎn)臺機(jī)床結(jié)構(gòu)Fig.2 Double turntable machine structure

圖3 A,C軸中心偏移參數(shù)頁面Fig.3 A,C axis center offset parameter page

利用3D探頭標(biāo)定被測工件3個(gè)相鄰的面,建立工件坐標(biāo)系,運(yùn)行刀尖位置保持功能指令,將回轉(zhuǎn)軸線運(yùn)行到指定位置,再次測量相同的3個(gè)面,二者之間必然存在一些偏差,然后根據(jù)檢測方法,將偏移值代入矩陣方程計(jì)算,計(jì)算出偏差的大小和方向,將其補(bǔ)正在相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)中,使機(jī)床的TCPM運(yùn)行精度有效提高。其中用于計(jì)算的矩陣算法如下所示:

式中:TC為繞Z軸旋轉(zhuǎn)C角后在XY平面內(nèi)的坐標(biāo)變換;TA為繞X軸旋轉(zhuǎn)A角后在Y Z平面內(nèi)的坐標(biāo)變換;P為x、y、z初始坐標(biāo)。而

式中:δCx、δCy、δAy、δAz為C軸和A軸的中心在x、y、z軸的線性誤差;x1,y1,z1為刀具在機(jī)床中的坐標(biāo)位置;為刀具在C軸坐標(biāo)系中的位置。

2 檢測步驟

檢測五軸中心空間點(diǎn)偏移誤差主要有4步:①使用附加功能FN18(讀取系統(tǒng)數(shù)據(jù)功能)讀取當(dāng)前坐標(biāo)系統(tǒng)中的當(dāng)前位置,將后續(xù)測到的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)存放在規(guī)定的各Q參數(shù)內(nèi);②使用循環(huán)13(主軸定向功能)控制機(jī)床主軸并能將其旋轉(zhuǎn)到給定角度位置,消除主軸偏擺誤差的影響;③使用循環(huán)0(參考面功能)建立X、Y、Z參考面,并將數(shù)據(jù)存放在規(guī)定的各Q參數(shù)內(nèi);④運(yùn)用傾斜加工面PLANE功能使工作臺旋轉(zhuǎn),定位時(shí)保持刀尖位置,用于測量各空間點(diǎn)相對于當(dāng)前工件坐標(biāo)系的偏差。檢測邏輯流程圖如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 校驗(yàn)前的技術(shù)準(zhǔn)備

校驗(yàn)工作之前需要調(diào)出3D探頭,調(diào)整探頭的偏擺幅度在0.01 mm內(nèi)(見圖5)。利用系統(tǒng)標(biāo)定功能和精密內(nèi)徑環(huán)規(guī),標(biāo)定出探針頭的有效半徑及XY方向上的偏擺值(見圖6),如果顯示的偏擺值在0.01 mm范圍內(nèi)就可以將半徑數(shù)值存入相應(yīng)參數(shù)中。探頭標(biāo)定完成后,將A軸和C軸旋轉(zhuǎn)回機(jī)械原點(diǎn),安裝被測工件。安裝時(shí)盡量將工件靠近轉(zhuǎn)臺中心,避免后續(xù)測量時(shí)主軸與翻轉(zhuǎn)后的工作臺出現(xiàn)干涉。利用探頭標(biāo)定功能找正工件,建立加工坐標(biāo)系;用TOOL CALL命令調(diào)出精加工用銑刀,對被測工件的頂面和周邊進(jìn)行精加工,工件的頂面及右下角的兩側(cè)面將作為后續(xù)被測的x、y、z的基準(zhǔn)面,如圖7所示。

圖4 檢測程序邏輯圖Fig.4 Logic diagram of detection program

圖5 調(diào)整探頭偏擺Fig.5 Adjust probe de fl ection

圖6 標(biāo)定探頭有效半徑Fig.6 Effective radius of calibration probe

圖7 精銑被測件Fig.7 Finish milling the tested part

3.2 測量五軸中心誤差值

利用HEIDENHAIN系統(tǒng)原有的測量循環(huán)指令、附加功能指令、Q參數(shù)等運(yùn)行機(jī)床配套的檢測探頭測量五軸中心在機(jī)床坐標(biāo)系中各空間位置的偏差值,并記錄在指定文件中。五軸中心空間位置偏差值是指兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的零點(diǎn)偏差以及兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心在空間Y、Z兩個(gè)方向上的偏差值。

(1)首先精確補(bǔ)償C軸角度偏置。調(diào)出探頭移動至工件X0Y 0 Z30A0C0位置,如圖8所示。因銑削加工存在加工誤差,所以利用403循環(huán)指令精確補(bǔ)償C軸角度偏移誤差,保證后續(xù)各空間點(diǎn)坐標(biāo)測量的精確性。

圖8 探頭位置Fig.8 Probe location

循環(huán)403是圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),用兩點(diǎn)自動測量,通過轉(zhuǎn)動工作臺對工件對X軸的不平行度進(jìn)行補(bǔ)償,TNC將測量繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度偏移值保存在參數(shù)Q150中,對新建的坐標(biāo)系進(jìn)行C軸角度偏置補(bǔ)償。循環(huán)403參數(shù)如圖9所示。

圖9 自動測量工具不對正量Fig.9 Automatic measurement tool misalignment

循環(huán)403參數(shù)含義如下:

TCH PROBE 403 ROT IN ROTARY AXIS;循環(huán)403(旋轉(zhuǎn)在旋轉(zhuǎn)軸)。

Q263=?90。沿加工面參考軸的第1觸點(diǎn)坐標(biāo)。

Q264=?10。沿加工面輔助軸的第1觸點(diǎn)坐標(biāo)。

Q265=?10。沿加工面參考軸的第2觸點(diǎn)坐標(biāo)。

Q266=?10。沿加工面輔助軸的第3觸點(diǎn)坐標(biāo)。

Q272=+2。被測軸1參考軸=測量軸,2輔助軸=測量軸,3測頭軸=測量軸。

Q267=+1。測頭接近工件的方向:?1為負(fù)運(yùn)動方向,+1為正方向運(yùn)動。

Q261=?10。測頭軸的測量高度(絕對值),進(jìn)行測量的球頭中心坐標(biāo)值。

Q320=+0。安全高度(增量值),測量點(diǎn)與球頭間的附加距離。

Q260=+30。間隔高度(絕對值),避免測頭發(fā)生碰撞沿測頭軸的坐標(biāo)值。

Q301=+0。移至間隔高度,定義測頭運(yùn)動方式0,在測量高度位置在兩測量點(diǎn)間運(yùn)動1,兩測量點(diǎn)間在間隔高度處運(yùn)動。

Q312=+6。補(bǔ)償運(yùn)動的軸,用于指定TNC補(bǔ)償被測不對正量的旋轉(zhuǎn)軸;4:用旋轉(zhuǎn)軸A補(bǔ)償不對正量;5:用旋轉(zhuǎn)軸B補(bǔ)償不對正量;6:用旋轉(zhuǎn)軸C補(bǔ)償不對正量。

Q337=+1。對正后置零,用于確定TNC是否將對正的旋轉(zhuǎn)軸顯示值置為零,0:對正后,不將旋轉(zhuǎn)軸顯示值置零;1:對正后,將旋轉(zhuǎn)軸顯示值置為零。

(2)檢測五軸中心空間點(diǎn)坐標(biāo)。本次共測量6個(gè)空間點(diǎn),分別為A+0、C+0,A+0、C+90、A+0、C180、A0、C+270、A-90、C180,A+90、C0,具體方位示意如圖10所示。

圖10 空間測量方位圖Fig.10 Spatial measurement map

特別提示:因機(jī)床軟限位行程是A+31p–A-116p,所以操作前需將A軸正方向的軟行程參數(shù)修改為+92p。并將固定在A軸機(jī)械本體上的線纜卸下,防止線纜因A軸旋轉(zhuǎn)而被拉斷。

檢測五軸中心空間點(diǎn)程序如下所示:

①主要功能指令和附加功能指令。

TCH PROBE 0.0 REF.PLANE Q70X-:參考面(循環(huán)0,DIN/ISO:G55)測到的X-方向的坐標(biāo)值放進(jìn)Q70參數(shù)。

TCH PROBE 0.1 IX?Q60:向X方向走一個(gè)?增量值。

TCH PROBE 0.0 REF.PLANE Q71Y+:測到的Y+方向的坐標(biāo)值放進(jìn)Q71參數(shù)。

TCH PROBE 0.1 IY+Q60:向Y方向走一個(gè)+增量值。

FN 25:PRESET=X/+Q70/+0;將新原點(diǎn)設(shè)置在當(dāng)前坐標(biāo)系X+Q70位置處。

FN 25:PRESET=Y/+Q71/+0;將新原點(diǎn)設(shè)置在當(dāng)前坐標(biāo)系Y+Q71位置處。

PLANE RESET STAY;特性內(nèi)容等級(FCL),PLANE功能:輸入軸角,FCL 3功能。

PLANE SPATIAL SPA+0 SPB+0 SPC+90 TURN F5000 SEQ-TABLE ROT;SEQ-傾斜方向,TABLE ROT工作臺轉(zhuǎn)動。

FN 16:F-PRINT TNC:ERGEBNIS1/TNC:ROTATION1.TXT;(帶格式打印)輸出帶格式文本或Q參數(shù)值。

FN 18:SYSREAD Q1=ID270 NR1 IDX6(讀取系統(tǒng)數(shù)據(jù))當(dāng)前坐標(biāo)系統(tǒng)中的當(dāng)前位置,270。

FN 25:PRESET=C/+Q1/+0(預(yù)設(shè)點(diǎn)),程序運(yùn)行中設(shè)置原點(diǎn),C軸,將新原點(diǎn)設(shè)置在當(dāng)前坐標(biāo)系C+Q1位置處。

②可重復(fù)調(diào)用的子程序。

LBL 10:10號子程序開始。

FN 18:SYSREAD Q61=ID1000 NR6140 IDX0;將機(jī)床內(nèi)部參數(shù)控制行程距離的數(shù)值賦值給參數(shù)Q61。

FN 18:SYSREAD Q62=ID350 NR11 IDX0;將當(dāng)前觸發(fā)測頭的有效球半徑賦值給參數(shù)Q62;350觸發(fā)測頭,11有效球半徑

Q60=Q61+Q62:Q60參數(shù)值等于Q61、Q60參數(shù)值的和。

LBL 0:子程序結(jié)束。

LBL 1:1號子程序開始。

CYCL DEF 13.0 ORIENTATION:主軸定向(循環(huán)13,DIN/ISO:G36)。

CYCL DEF 13.1 ANGLE0:定向角為輸入相對加工面參考軸的角度;輸入范圍為0.000 0°～360.000 0°。

L M19:循環(huán)中定義的定向角通過輸入M19或M20定位(與機(jī)床有關(guān))。

L X+10 Y+10 Z+Q40 R0 F10000;程序開頭賦予Q40參數(shù)值為+3。

TCH PROBE 0.0 REF.PLANE Q1Z-;測到的Z-方向的坐標(biāo)值放進(jìn)Q1參數(shù)。

TCH PROBE 0.1 IZ-Q61

L X-10 R0 F10000

L Z-10

TCH PROBE 0.0 REF.PLANE Q2X+;測到的X+方向的坐標(biāo)值放進(jìn)Q2參數(shù)。

TCH PROBE 0.1 IX+Q60

L Y-10 R0 F10000

L X+10

TCH PROBE 0.0 REF.PLANE Q3Y+;測到的Y+方向的坐標(biāo)值放進(jìn)Q3參數(shù)。

TCH PROBE 0.1 IY+Q60

L Z+50 R0 F10000

LBL 0。

3.3 偏移誤差值輸出及偏移參數(shù)校正

通過FN16:F-PRINT(帶格式打印功能)附加功能指令按照ERGEBNIS1文件中的格式輸出偏移坐標(biāo)值到ROTATION1.TXT文件中。文件內(nèi)容如下:

偏移誤差值輸出的文件格式

ERGEBNIS1文件內(nèi)容格式如下:

“Messprotokoll 3D-Rotation”;

“Maschinennummer:.........”;

“Datum:%02.2d-%02.2d-%4d”,DAY,MONTH,YEAR4;

“Uhrzeit:%2d:%02.2d:%02.2d”,HOUR,MIN,SEC;

“---------------------------”;

“***************************”;

“Messung A0-C90-Grad”;

“***************************”;

“X=%3.3LF”,Q2;

“Y=%3.3LF”,Q3;

“Z=%3.3LF”,Q1;

“***************************”;

“Messung A0-C180-Grad”;

“***************************”;

“X=%3.3LF”,Q12;

“Y=%3.3LF”,Q13;

“Z=%3.3LF”,Q11;

“***************************”;

“Messung A0-C270-Grad”;

“***************************”;

“X=%3.3LF”,Q22;

“Y=%3.3LF”,Q23;

“Z=%3.3LF”,Q21;

“***************************”;

“Messung A-90-C180-Grad”;

“***************************”;

“X=%3.3LF”,Q32;

“Y=%3.3LF”,Q33;

“Z=%3.3LF”,Q31;

“***************************”;

“Messung A+90-C0-Grad”;

“***************************”;

“X=%3.3LF”,Q52;

“Y=%3.3LF”,Q53;

“Z=%3.3LF”,Q51;

”***************************”;

按照格式輸出的ROTATION1文件部分內(nèi)容如下:

Messprotokoll 3D-Rotation

Maschinennummer:.........

Datum:27-08-2020

Uhrzeit:14:08:48

***************************

Messung A0-C90-Grad

***************************

X=0.046

Y=?0.002

Z=?0.001

***************************

Messung A0-C180-Grad

***************************

X=0.042

Y=?0.048

Z=?0.001

***************************

Messung A0-C270-Grad

***************************

X=?0.003

Y=?0.046

Z=?0.001

***************************

Messung A-90-C180-Grad

***************************

X=0.036

Y=?0.119

Z=?0.124

***************************

Messung A+90-C0-Grad

***************************

X=0.003

Y=0.062

Z=?0.119

***************************

打開機(jī)床參數(shù)頁面(需要有授權(quán)密碼,可向廠方索要)找到參數(shù)7 530。將當(dāng)前機(jī)床側(cè)C軸中心在X軸和Y軸上的坐標(biāo)偏移補(bǔ)償值和A軸中心在Y軸和Z軸上的坐標(biāo)偏移補(bǔ)償值寫入廠商提供的五軸中心偏移誤差優(yōu)化軟件–Excel宏程序里(見圖11)的 “Werte aus Parameter in die Tabelle eintargaen”表格白色單元格中。將ROTATION1.TXT文件中測得的A+0 C+180和A-90 C+180兩個(gè)空間點(diǎn)的偏移誤差值依次填入兩頁面的“Nach der ersten Messung werte aus”表格白色單元格中,此時(shí)A-90 C180頁面的“werte in Parameter eintragen”表格會顯示計(jì)算出新的坐標(biāo)偏移補(bǔ)償數(shù)值。將新的坐標(biāo)偏移補(bǔ)償值輸入到機(jī)床側(cè)對應(yīng)的7530參數(shù)中,更新機(jī)床側(cè)原來的坐標(biāo)偏移補(bǔ)償值并重復(fù)運(yùn)行檢測程序,反復(fù)比對,選擇最優(yōu)的坐標(biāo)偏移補(bǔ)償值進(jìn)行補(bǔ)償。

圖11 五軸中心偏移誤差優(yōu)化程序Fig.11 Five-axis center offset error optimization program

表1為5次比對的偏移誤差數(shù)據(jù)(第2次和第5次用的是相同的機(jī)床側(cè)坐標(biāo)偏移補(bǔ)償值)。主要看“A0-C180”和 “A-90-C180”兩例數(shù)據(jù),可以看出第2、5次的五軸中心空間坐標(biāo)偏移誤差相對第1、3、4次的明顯減小,所以最終采用第5次(同第2次)的機(jī)床側(cè)坐標(biāo)偏移補(bǔ)償數(shù)值。

表1 偏移值誤差數(shù)據(jù)Tab.1 Offset value error data

4 結(jié) 語

查閱了國內(nèi)幾種常用的五軸中心坐標(biāo)偏移補(bǔ)償值的校正方法后,結(jié)合實(shí)際情況,從經(jīng)濟(jì)性和時(shí)間成本考慮,利用機(jī)床系統(tǒng)的測量循環(huán)指令、附加功能指令、Q參數(shù)等運(yùn)行探針檢測五軸中心空間位置偏移誤差,將數(shù)據(jù)按指定格式輸出到文件中,然后借助廠方提供的外部偏移誤差優(yōu)化軟件計(jì)算出新的C軸和A軸中心在XY Z軸上的坐標(biāo)偏移補(bǔ)償值,并在機(jī)床側(cè)進(jìn)行校正,經(jīng)校正后的五軸中心空間坐標(biāo)偏移誤差明顯減小。實(shí)踐證明此方法是一種高效、實(shí)用的五軸中心校正方法。其他系統(tǒng)或類型的五坐標(biāo)聯(lián)動加工中心需要五軸中心校正時(shí)也可以借鑒。