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虛擬軸數控加工中心主軸定向的調整與研究

2017-2-22 來源：沈陽飛機工（gōng）業(集團)有限責（zé）任公（gōng）司作者：李林

摘要：在數控機床領域（yù），並聯數控機床(在國內)被稱作虛擬軸數控JJn-r_de心，簡稱為“虛擬（nǐ）軸”。虛擬軸機床根據數學理論使3個z軸（zhóu）配合運動合成出A、日（rì）軸。虛（xū）擬軸（zhóu）數控加工中心的電主軸在維（wéi）護（hù）保養後，需要對其主軸定向進行調整。結合虛擬軸主軸的特點，使用自製（zhì）特殊檢（jiǎn）具，配合刀庫運動，調整機床參數，完成虛（xū）擬軸加工中心主軸定向的調整。

關（guān）鍵詞：虛擬軸數控加工中心；電主（zhǔ）軸；定（dìng）向調整

虛擬軸數控加工中心是一個跨時代的（de）超（chāo）越，為數控（kòng）機床的（de）研究（jiū）和發展（zhǎn）起到了重要（yào）作用。它的響應速度（dù）更快、精度（dù）更高、剛性更大。由於它（tā）具有上述優點，所以成為國際（jì）各個機床廠家研（yán）發生產的重點。虛擬（nǐ）軸在進行（háng）定期的專業維護保養時，需要對電主軸進行拆卸、保養、安裝和調試。做（zuò）好主軸定向調整工作（zuò）能夠更好地（dì）優化設（shè）備，提高機床的生（shēng）產效率（lǜ）。所以，對它進行研究是個重要的課題。

1.虛擬（nǐ）軸數（shù）控Jjn-r中心的意義

串聯數（shù）控機床零（líng）件（jiàn）的製造（zào）誤差、機械（xiè）結構部件（jiàn）之間（jiān）的傳動誤差、受力造成的變形誤（wù）差（chà）會相互疊加，影響機床的力n-r．精度．同時，承重導軌產牛的摩擦阻力工也限製了機床的加工速度。機床生產廠家進行了一次全新的嚐試，使用機床軟件（jiàn）和電子裝置代替機械部件（jiàn），減少了傳統設備（bèi）的疊加誤差。伺（sì）服電機控製各個連杆的長度，可以迅速實現主軸頭的位置變動．獲了比（bǐ）傳統（tǒng）設備（bèi）更快的進給速度。主軸頭上的線性導（dǎo）軌既是傳（chuán）動部件又（yòu）是支撐部（bù）件，這（zhè）樣的結構提高了機床的整體剛性。所以（yǐ），虛擬軸數控加工中心的設計可謂是全新（xīn）的突破，為數控加工技術（shù）帶來了革（gé）命性的改變。

2.虛擬軸數控（kòng）Jjn-r中心的運動學原理簡介

設主軸端麵的轉（zhuǎn）動中（zhōng）心用。一xyz坐標係表（biǎo）示．工作台的工件坐標用O—XYZ坐標係表示，2個（gè）坐標（biāo）係方向（xiàng）一致．如圖1所示.

圖1 主軸轉動中（zhōng）心相對於工作台坐標的歐拉角模型（xíng）

工作台（tái）上的坐標係描述（shù）為Q=[x，y，z]T。主軸轉動中心的坐標係描述為r=[省，，，，彳]TO萬向球鉸坐標係為P=[茗（míng）’，Y’，彳’]。主軸轉動中心O一彬坐標（biāo）係（xì）相對於（yú）工作台坐標O—XYZ坐標（biāo）係，用歐拉角來描述（shù）。萬向球鉸坐標係Ot--X～Y z’相對於主軸轉動中（zhōng）心坐標係。一xyz坐標係，同樣（yàng）用歐拉角來（lái）描述（shù）。歐拉角是唯一確定定點轉動（dòng）物體位置的3個一（yī）組獨（dú）立（lì）的角（jiǎo）參量(由章（zhāng）動角（jiǎo）、進動角和（hé）自轉角組成)。一（yī）個物體的取向，從一個坐標係，做3個歐拉角的（de）旋轉而（ér）設定的。所以，物體的取向可以用3個（gè）基本旋轉矩陣複合而成（chéng）。

當旋轉主軸頭（tóu）、主軸轉動中心。一xyz坐標係發生轉（zhuǎn）動。與0一XYZ坐標係（xì）的z方向章動角成a角，與旋轉後（hòu）的。一xyz坐標係的茗軸進動角成JB角，與Y軸自轉角成y角。非線性齊次轉（zhuǎn）換矩陣方程為：r×Q，得出（chū）主軸轉動中心坐標係相對於工作台坐標係位置。同理，利用歐拉角原理，根據非線性（xìng）齊次轉換矩陣方程：TxP。得（dé）出萬向（xiàng）球鉸坐標係相（xiàng）對（duì）於主軸轉動中心坐標係位置。可以求出各個萬向球鉸在0一XYZ中的坐標。每一個萬向球鉸都和（hé）一個Z軸相連。所以，知道一個工作台上的坐標點，就可以得出3個z軸的位置和長度。

3.ECOSPEED係列虛擬軸數控加工中心

德國DST公司開發（fā）的ECOSPEED係列虛擬軸數控加工中（zhōng）心，在主軸頭上麵的開發非常成功。sprint Z3型主軸頭使用的是並聯三（sān）軸機構，是一（yī）個全新的突破，如圖（tú）2所示（shì）。

主軸頭的軸向線性導軌在箱式圓柱體內（nèi）壁上（shàng）按照1200進行裝（zhuāng）配，每個線性導軌上都有一個能夠前後移動的滑動塊。萬向球鉸與（yǔ）滑動塊（kuài）前端相連，另一（yī）端與主軸端麵平台相連接。根據虛擬軸數控加工中心的運動學原理。軸向線性導軌上的3個滑動塊同步運動，則主軸沿著Z軸方向前後運動。3個滑動塊不同步運動．就實現了A軸和B軸在±400範圍內的擺動。

表l ECOSPEED係列虛擬軸數控加工中心（xīn）的主要技術參數

作者以DST公（gōng）司的ECOSPEED係列虛擬軸數控加工中心（xīn）為（wéi）例，對其主軸定向進（jìn）行調整和研究（jiū）。

4.虛擬軸數控加工中心主軸定向的調（diào）整

定向控製就是主（zhǔ）軸能夠準確地停（tíng）止在刀具安裝位置（zhì）上，以（yǐ）便在該位置進行刀具更換。主軸定向如果不準確，那（nà）麽刀具（jù）安裝（zhuāng）和更換就無法進行。錯誤的（de）主軸定向位置會撞壞換刀爪。會撞壞刀具檢測開關，會損（sǔn）壞主軸頭鬆卡刀的模擬量開關，對機床有很嚴重（chóng）的損壞。做好主軸定（dìng）向調整工作（zuò）能（néng）夠（gòu）更好地優化設備，提高機床的生產效率。對虛擬軸主軸定向進行調整，要根據虛擬軸運動學原理。在保（bǎo）證機床擺角的精度前提下才能進行。

如果虛（xū）擬（nǐ）軸的零位參考點發生錯誤時，要取消主軸的舊的基準點，需要對SIEMENS 840D係統的機床數據（jù）進行修改：Start up-+Machine data—A】【is data_選擇sP軸_+選擇參數MD34090-+將參數更改為0。在調（diào）節虛擬軸的主軸定位時，確保虛擬軸的A／B擺角的角度為00。在機床MDI方式下輸（shū）入（rù）指令：G0；A0；B0；M11150001；M02。執行（háng）MDI中的指令文件後，手動將主軸旋轉一周，舊的參考（kǎo）點（diǎn）取消，SP軸參數MD34090=0設置生效。

調整虛擬軸的主軸定向，需要使用專用測量刀具和千分表來（lái）校正。在主軸頭上安裝專用（yòng）測量刀具，使用手持（chí）單元將刀庫門打開，選擇Q6軸的“+”向，將機床換刀臂手動開出，在接近測量點的適當位（wèi）置停止。將千分表固定吸附在換刀爪上，把表針打在專（zhuān）用（yòng）ECOSPEED係列（liè）虛擬軸數控加工中心的主要技術參數見表1。

圖2德國DST公司開發的ECOSPEED係列虛擬軸數控（kòng）加工中心

測量刀具的測量平麵上。使用手持單元將專用測量刀具沿（yán）著y軸方向（xiàng）上下移（yí）動，進行測量。手動微調主（zhǔ）軸（zhóu）角度，保證測（cè）量偏差控製（zhì）到1¨m以（yǐ）內，記錄主軸的角度變化值。如圖3所示。

圖（tú）3虛擬軸數控加工中心主軸定向的校（xiào）準

校正好主軸位置後。把主軸角度的變化值R減去900輸人（rén）到SP軸（zhóu）的參數MD 34090中（zhōng），如果尺值小於90。，輸人（rén）數值為(3600—R)一900。在機床MDI方式下輸入指令：MIll50001；M02；PARAUM2；SPOS=0。執行MDI中的指令文件（jiàn），主（zhǔ）軸（zhóu）定向調整角度R值設定完成。在執行換刀的時候，虛擬軸的（de）主軸會先旋轉尺角度。和刀具在主軸頭上的裝配位置相符，完成虛擬軸主（zhǔ）軸定（dìng）向的（de）調整。

使用手持單元將刀庫門打開，選擇Q6軸的“+”向，將（jiāng）機床（chuáng）換刀臂手動開出（chū），在接近測量點的適（shì）當位置停止。在主軸頭上安裝刀具，手動微調主軸角度（dù），保（bǎo）證主軸上的刀具位置與刀爪上的刀具位置完全相符，記錄主軸的角度值R。虛擬軸的自動換刀位置在（zài）機床文件WZW PAR中，程序段為POS—SPI=135。完成主（zhǔ）軸定向角度需要將（jiāng）程序段（duàn）POS—SPI的135改為R。

圖4虛擬軸數控加工中心主軸定向調（diào）整（zhěng）的流程圖修改機床自動換刀TCH文件。更（gèng）改N340程序段

為PARAUM2 SPOS=POS—SPI。執行（háng）自動換（huàn）刀程（chéng）序，慢速觀察。完成虛擬軸數控（kòng）加工中（zhōng）心主軸定向的（de）調整工作。虛擬軸數控（kòng）加工中心主軸定向調整2種方法的流程圖如圖4。

5.結論

以德國DST公司開發的ECOSPEED係列虛擬軸數控加工中心為分析對象，對虛擬（nǐ）軸數控（kòng）加工中心的主軸定向調整技術進行了初步探索和研究。對深入了解虛擬軸數（shù）控機床的使用、保養（yǎng）和維護提供了一（yī）定理論基礎，對虛擬軸數控加（jiā）工中心主軸頭的現場（chǎng）調試工作具有一定的實踐指導意義。

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