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五軸數(shù)控加工測試平臺開發(fā)研究的論文
摘要：在五軸數(shù)控切削工件表面的過程中會產(chǎn)生溫升、力、振動等。這些因素會使加工精度降低，零件表面質(zhì)量變差，降低產(chǎn)品的合格率。為了解決這些問題，開發(fā)了一種五軸數(shù)控加工測試平臺，并對溫度、力、振動對加工過程中的影響進(jìn)行了分析。為進(jìn)一步的提高五軸數(shù)控加工精度提供了測試平臺。
關(guān)鍵詞：CPAC；五軸數(shù)控加工；測試平臺
引言
隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需求也變得越來越迫切，現(xiàn)階段我國機械加工產(chǎn)品的附加值不高，其主要原因就在于對復(fù)雜曲面、高精度和優(yōu)良的表面質(zhì)量等對機械制造裝備要求較高的零件加工能力嚴(yán)重不足。目前來說，五軸數(shù)控加工中心在附加值較高的零件加工中具有不可取代的重要作用，代表著一個國家的機械加工水平。由于五軸加工具有一次裝夾，可以加工多個曲面，定位誤差較小的特點。不僅縮短了零件在多次裝夾時浪費的時間，而且提高了零件的精度。隨著時代的發(fā)展，人工和時間成本的提高，五軸數(shù)控加工會在制造業(yè)中占據(jù)越來越重要的位置。
1測試平臺的開發(fā)
�。�1）平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計五軸聯(lián)動數(shù)控加工機床包括3個直線運動軸2個旋轉(zhuǎn)軸，其實現(xiàn)形式的主要不同集中在機床主軸的安裝方式上。目前的主流實現(xiàn)方式有雙轉(zhuǎn)臺、雙擺頭、一擺頭一轉(zhuǎn)臺形式。為了構(gòu)建三軸大零件與復(fù)雜曲面都可以加工的重構(gòu)機床，故采用的是較為經(jīng)濟(jì)的A—C雙擺臺形式。其中擺臺可以沿X、Y方向移動，A、C方向旋轉(zhuǎn)，電主軸可以上下移動，這樣就構(gòu)成了X、Y、Z、A、C五個自由度的加工范圍。該測試平臺主要由床身、直線運動平臺、以及旋轉(zhuǎn)運動平臺組成。其中直線運動平臺會影響安裝在其上的旋轉(zhuǎn)運動平臺的運動，該五軸機床的運動拓?fù)鋱D如圖1所示。為了保證加工過程中的安全，X軸設(shè)計行程為700mm，Y軸設(shè)計行程為500mm，Z軸設(shè)計行程為600mm，A軸旋轉(zhuǎn)角度為—90°~+90°，C軸旋轉(zhuǎn)角度為0~360°。機床機械結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。（2）坐標(biāo)變換由于機床結(jié)構(gòu)采取的是A—C雙擺臺形式，而且擺臺旋轉(zhuǎn)中心線的交點和機床夾具裝夾工件時所確定的加工零點不在同一位置。在機床A—C軸旋轉(zhuǎn)時，會對其直線坐標(biāo)產(chǎn)生較為復(fù)雜的影響。對此構(gòu)建3個坐標(biāo)，如圖3所示從上往下分別為機床坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系和刀具坐標(biāo)系。在加工過程中，刀具在工件坐標(biāo)系中相對于工件的運動需要轉(zhuǎn)化為機床絕對坐標(biāo)的運動。對于此機床工件坐標(biāo)系和絕對坐標(biāo)系來說，可以列出其坐標(biāo)系變換的方程表達(dá)式：XNYNZN00000000000000000000=ΔX0ΔY0ΔZ000000000000000000000+Q（I）XMYMZM00000000000000000000，Q（I）=Q（A）Q（B）Q（C）式中XM、YM、ZM———機床運動前坐標(biāo)；XN、YN、ZN———運動后坐標(biāo)；Q（I）———坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換矩陣。對于A—C雙擺臺五軸聯(lián)動機床坐標(biāo)系來說，繞X軸旋轉(zhuǎn)變換矩陣Q（A）=1000cosXsinX0—sinXcos00000000000000000000X，繞Y軸旋轉(zhuǎn)變換矩陣Q（B）=10001000000000000000000000001，繞Z軸旋轉(zhuǎn)變換矩陣Q（C）=cosZsinZ0—sinZcosZ000000000000000000000001，初始刀具矢量為（001）T，對于空間任意一點以及這一點所對應(yīng)的任意方向的矢量，都可以看作是刀具從初始位置先旋轉(zhuǎn)過后再進(jìn)行平移。由于A—C雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機床只能沿X軸方向和沿Z軸方向旋轉(zhuǎn)，為了簡便數(shù)學(xué)計算難度，同時達(dá)到在旋轉(zhuǎn)時可以使刀具初始矢量達(dá)到任意方向的要求，可以將旋轉(zhuǎn)運動視作先沿X軸方向旋轉(zhuǎn)后沿Z軸方向旋轉(zhuǎn)。即Q（I）′=Q（C）Q（A）=cosCcosAsinCsinAsinC—sinCcosAcosCsinAcosC0—sinAcos00000000000000000000A，設(shè)旋轉(zhuǎn)過后所得到的向量為（αβγ）T，則Q（I）＝（001）T=（αβγ）T，解之得A=IAarccos（γ），IA=1，－1C=arctan（αβ）—ICπ，IC=0，，，，，，，，，，1即可求出機床轉(zhuǎn)角軸的絕對角度變化量，和前一位置角度相減即可得機床旋轉(zhuǎn)軸需要轉(zhuǎn)動的角度值。
2平臺硬件結(jié)構(gòu)
固高CPAC計算機可編程自動化控制器具有運動控制，邏輯控制和人機交互融合一體的功能。CPAC支持符合IEC61131—3標(biāo)準(zhǔn)的OtoStudio軟件開發(fā)環(huán)境，可以進(jìn)行文本和圖形化的混合編程，在進(jìn)行開發(fā)時較為簡便。CPAC—Oto—box系列控制器由控制器以及端子板兩部分組成，在使用過程中用24V電源向兩部分供電，控制信號由運動控制器通過端子板發(fā)送給伺服驅(qū)動器，由伺服驅(qū)動裝置驅(qū)動伺服電機實現(xiàn)X、Y、Z、A、C軸的運動。CPAC自動化控制器輸入、輸出接口分為專用輸入輸出、通用專用輸入輸出、控制輸出以及編碼器輸入。專用輸入用來連接驅(qū)動報警信號、限位信號等，專用輸出用以輸出驅(qū)動允許、報警信號復(fù)位等。而通用輸入、輸出信號可以外接傳感器、開關(guān)量等信號，編碼器輸入可以使用雙端輸入或單端輸入，控制輸出可以工作于脈沖量工作模式或模擬量工作模式。其中主軸驅(qū)動方式為運動控制裝置將脈沖信號發(fā)送至變頻驅(qū)動器，由運動控制器發(fā)出的脈沖信號對應(yīng)于變頻器的輸出頻率從而控制主軸電機，數(shù)據(jù)采集部分采用傳感器連接CPAC模擬量輸入模塊，實時將機床的加工狀態(tài)反饋到機床控制系統(tǒng)中。同時通用輸入輸出接口連接機床的限位開關(guān)和報警信號以保障安全。機床硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用運動控制裝置與X、Y、Z、A、C軸驅(qū)動器以及主軸變頻器和開關(guān)量執(zhí)行裝置相連。同時利用CPAC提供的網(wǎng)絡(luò)接口將加工零件時的狀態(tài)信息發(fā)送至上級管理計算機。
3測試平臺軟件結(jié)構(gòu)
�。�1）軟件結(jié)構(gòu)使用OtoStudio對測試平臺的軟件進(jìn)行編制，在編制過程中對所選用設(shè)備型號所支持的函數(shù)庫進(jìn)行調(diào)用，縮短了平臺開發(fā)周期。其中測試平臺軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，調(diào)用CPAC提供的運動函數(shù)庫清除系統(tǒng)的報警信息，將伺服驅(qū)動器進(jìn)行伺服使能，記錄機床軸的狀態(tài)，驅(qū)動器驅(qū)動軸返回坐標(biāo)零點從而使使機床回零。然后對操作信息進(jìn)行處理并選擇工作方式。主要功能包括自動方式和手動方式。其中，自動方式主要功能是進(jìn)行連續(xù)加工處理，利用從上級下載NC代碼實現(xiàn)加工測試平臺的工件加工。手動方式運行是通過軟件界面選取所需要點動運行的軸，后設(shè)置點動運行時驅(qū)動軸運行的速度，對驅(qū)動軸進(jìn)行點動處理。狀態(tài)信息反饋模塊是通過運動控制器通用輸入接口讀取傳感器信息，并實時傳遞到顯示面板上。而后判斷程序是否執(zhí)行結(jié)束，結(jié)束后對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)，否則返回操作信息處理，系統(tǒng)繼續(xù)運行。（2）狀態(tài)信息反饋對于固高CPAC系列控制器集成了多種數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入輸出等I/O模塊，機床運動狀態(tài)信息可以通過傳感器進(jìn)行采集，然后通過I/O模塊等反饋到系統(tǒng)之中，系統(tǒng)可以根據(jù)反饋回的狀態(tài)信息，對加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，機床的反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。溫度傳感器對在機床運行過程中產(chǎn)生的溫度變化進(jìn)行測量，將加工過程中產(chǎn)生的溫度變化信息反饋至系統(tǒng)之中，對主軸的溫度變形進(jìn)行分析，將由溫度變化產(chǎn)生的熱變形帶來的對工件產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補償，減少由加工過程中溫度變化引起的主軸變形對加工誤差的影響。同時振動傳感器對主軸加工過程中產(chǎn)生的振動進(jìn)行測量，對主軸振動信號進(jìn)行分析從而得到加工工件的刀具的狀態(tài)信息，在加工工件的過程中，如果刀具磨損達(dá)到了需要進(jìn)行刃磨的工作狀態(tài)，則對加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)?shù)亟档瓦M(jìn)給量等措施，降低加工效率，保持切削的連續(xù)性，并在加工結(jié)束后產(chǎn)生刀具報警信號，提醒進(jìn)行刀具刃磨。通過CPAC控制器控制機床對工件進(jìn)行切削，在切削過程中使用CPAC—300—300—7KF01模擬量輸入模塊的輸入信號接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，傳感器將機床的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為電壓信號。根據(jù)模擬量輸入模塊所對應(yīng)的模擬量輸入類型對通訊模塊進(jìn)行配置，配置后會顯示該模擬量輸入模塊的所有配置通道的地址值，在程序中可以直接采用賦值語句將通道的地址賦給變量，從而對通道的信息進(jìn)行采集。采集得到的信息為數(shù)字量信息，可以通過其提供的DigitalData_To_AnologData函數(shù)將信息轉(zhuǎn)換為模擬量信息，然后根據(jù)傳感器的原理將機床運動狀態(tài)信息計算出來。由機床的運動狀態(tài)信息，即可將機床運動參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使得機床切削過程的狀態(tài)更穩(wěn)定。
4結(jié)語
在構(gòu)建五軸數(shù)控加工平臺中，采用了PC+GUC的結(jié)構(gòu)，使用運動控制器控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)，在WindowsCE操作系統(tǒng)下，利用CPAC所支持的IEC61131—3工業(yè)控制語言進(jìn)行軟件的編寫。通過對數(shù)控加工的參數(shù)進(jìn)行測量，對了解數(shù)控加工中各種物理量對工件精度的影響，提高數(shù)控加工精度具有積極的意義。
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