五軸數控加工測試平臺開(kāi)發(fā)研究的論文
摘要：在五軸數控切削工件表面的過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生溫升、力、振動(dòng)等。這些因素會(huì )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(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種五軸數控加工測試平臺，并對溫度、力、振動(dòng)對加工過(guò)程中的影響進(jìn)行了分析。為進(jìn)一步的提高五軸數控加工精度提供了測試平臺。
關(guān)鍵詞：CPAC；五軸數控加工；測試平臺
引言
隨著(zhù)我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對產(chǎn)業(yè)轉型升級的需求也變得越來(lái)越迫切，現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重不足。目前來(lái)說(shuō)，五軸數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(zhù)一個(gè)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(gè)曲面，定位誤差較小的特點(diǎn)。不僅縮短了零件在多次裝夾時(shí)浪費的時(shí)間，而且提高了零件的精度。隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，人工和時(shí)間成本的提高，五軸數控加工會(huì )在制造業(yè)中占據越來(lái)越重要的位置。
1測試平臺的開(kāi)發(fā)
�。�1）平臺結構設計五軸聯(lián)動(dòng)數控加工機床包括3個(gè)直線(xiàn)運動(dòng)軸2個(gè)旋轉軸，其實(shí)現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(shí)現方式有雙轉臺、雙擺頭、一擺頭一轉臺形式。為了構建三軸大零件與復雜曲面都可以加工的重構機床，故采用的是較為經(jīng)濟的A—C雙擺臺形式。其中擺臺可以沿X、Y方向移動(dòng)，A、C方向旋轉，電主軸可以上下移動(dòng)，這樣就構成了X、Y、Z、A、C五個(gè)自由度的加工范圍。該測試平臺主要由床身、直線(xiàn)運動(dòng)平臺、以及旋轉運動(dòng)平臺組成。其中直線(xiàn)運動(dòng)平臺會(huì )影響安裝在其上的旋轉運動(dòng)平臺的運動(dòng)，該五軸機床的運動(dòng)拓撲圖如圖1所示。為了保證加工過(guò)程中的安全，X軸設計行程為700mm，Y軸設計行程為500mm，Z軸設計行程為600mm，A軸旋轉角度為—90°~+90°，C軸旋轉角度為0~360°。機床機械結構圖如圖2所示。（2）坐標變換由于機床結構采取的是A—C雙擺臺形式，而且擺臺旋轉中心線(xiàn)的交點(diǎn)和機床夾具裝夾工件時(shí)所確定的加工零點(diǎn)不在同一位置。在機床A—C軸旋轉時(shí)，會(huì )對其直線(xiàn)坐標產(chǎn)生較為復雜的影響。對此構建3個(gè)坐標，如圖3所示從上往下分別為機床坐標系、工件坐標系和刀具坐標系。在加工過(guò)程中，刀具在工件坐標系中相對于工件的運動(dòng)需要轉化為機床絕對坐標的運動(dòng)。對于此機床工件坐標系和絕對坐標系來(lái)說(shuō)，可以列出其坐標系變換的方程表達式：XNYNZN00000000000000000000=ΔX0ΔY0ΔZ000000000000000000000+Q（I）XMYMZM00000000000000000000，Q（I）=Q（A）Q（B）Q（C）式中XM、YM、ZM———機床運動(dòng)前坐標；XN、YN、ZN———運動(dòng)后坐標；Q（I）———坐標旋轉變換矩陣。對于A(yíng)—C雙擺臺五軸聯(lián)動(dòng)機床坐標系來(lái)說(shuō)，繞X軸旋轉變換矩陣Q（A）=1000cosXsinX0—sinXcos00000000000000000000X，繞Y軸旋轉變換矩陣Q（B）=10001000000000000000000000001，繞Z軸旋轉變換矩陣Q（C）=cosZsinZ0—sinZcosZ000000000000000000000001，初始刀具矢量為（001）T，對于空間任意一點(diǎn)以及這一點(diǎn)所對應的任意方向的矢量，都可以看作是刀具從初始位置先旋轉過(guò)后再進(jìn)行平移。由于A(yíng)—C雙轉臺五軸數控機床只能沿X軸方向和沿Z軸方向旋轉，為了簡(jiǎn)便數學(xué)計算難度，同時(shí)達到在旋轉時(shí)可以使刀具初始矢量達到任意方向的要求，可以將旋轉運動(dòng)視作先沿X軸方向旋轉后沿Z軸方向旋轉。即Q（I）′=Q（C）Q（A）=cosCcosAsinCsinAsinC—sinCcosAcosCsinAcosC0—sinAcos00000000000000000000A，設旋轉過(guò)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軸需要轉動(dòng)的角度值。
2平臺硬件結構
固高CPAC計算機可編程自動(dòng)化控制器具有運動(dòng)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標準的OtoStudio軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)時(shí)較為簡(jiǎn)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(guò)程中用24V電源向兩部分供電，控制信號由運動(dòng)控制器通過(guò)端子板發(fā)送給伺服驅動(dòng)器，由伺服驅動(dòng)裝置驅動(dòng)伺服電機實(shí)現X、Y、Z、A、C軸的運動(dòng)。CPAC自動(dòng)化控制器輸入、輸出接口分為專(zhuān)用輸入輸出、通用專(zhuān)用輸入輸出、控制輸出以及編碼器輸入。專(zhuān)用輸入用來(lái)連接驅動(dòng)報警信號、限位信號等，專(zhuān)用輸出用以輸出驅動(dòng)允許、報警信號復位等。而通用輸入、輸出信號可以外接傳感器、開(kāi)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。其中主軸驅動(dòng)方式為運動(dòng)控制裝置將脈沖信號發(fā)送至變頻驅動(dòng)器，由運動(dòng)控制器發(fā)出的脈沖信號對應于變頻器的輸出頻率從而控制主軸電機，數據采集部分采用傳感器連接CPAC模擬量輸入模塊，實(shí)時(shí)將機床的加工狀態(tài)反饋到機床控制系統中。同時(shí)通用輸入輸出接口連接機床的限位開(kāi)關(guān)和報警信號以保障安全。機床硬件結構如圖4所示，采用運動(dòng)控制裝置與X、Y、Z、A、C軸驅動(dòng)器以及主軸變頻器和開(kāi)關(guān)量執行裝置相連。同時(shí)利用CPAC提供的網(wǎng)絡(luò )接口將加工零件時(shí)的狀態(tài)信息發(fā)送至上級管理計算機。
3測試平臺軟件結構
�。�1）軟件結構使用OtoStudio對測試平臺的軟件進(jìn)行編制，在編制過(guò)程中對所選用設備型號所支持的函數庫進(jìn)行調用，縮短了平臺開(kāi)發(fā)周期。其中測試平臺軟件結構如圖5所示，首先對系統進(jìn)行初始化處理，調用CPAC提供的運動(dòng)函數庫清除系統的報警信息，將伺服驅動(dòng)器進(jìn)行伺服使能，記錄機床軸的狀態(tài)，驅動(dòng)器驅動(dòng)軸返回坐標零點(diǎn)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(dòng)方式和手動(dòng)方式。其中，自動(dòng)方式主要功能是進(jìn)行連續加工處理，利用從上級下載NC代碼實(shí)現加工測試平臺的工件加工。手動(dòng)方式運行是通過(guò)軟件界面選取所需要點(diǎn)動(dòng)運行的軸，后設置點(diǎn)動(dòng)運行時(shí)驅動(dòng)軸運行的速度，對驅動(dòng)軸進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)處理。狀態(tài)信息反饋模塊是通過(guò)運動(dòng)控制器通用輸入接口讀取傳感器信息，并實(shí)時(shí)傳遞到顯示面板上。而后判斷程序是否執行結束，結束后對系統狀態(tài)進(jìn)行恢復，否則返回操作信息處理，系統繼續運行。（2）狀態(tài)信息反饋對于固高CPAC系列控制器集成了多種數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出等I/O模塊，機床運動(dòng)狀態(tài)信息可以通過(guò)傳感器進(jìn)行采集，然后通過(guò)I/O模塊等反饋到系統之中，系統可以根據反饋回的狀態(tài)信息，對加工參數進(jìn)行調整，機床的反饋控制系統結構如圖6所示。溫度傳感器對在機床運行過(guò)程中產(chǎn)生的溫度變化進(jìn)行測量，將加工過(guò)程中產(chǎn)生的溫度變化信息反饋至系統之中，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(lái)的對工件產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補償，減少由加工過(guò)程中溫度變化引起的主軸變形對加工誤差的影響。同時(shí)振動(dòng)傳感器對主軸加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行測量，對主軸振動(dòng)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(guò)程中，如果刀具磨損達到了需要進(jìn)行刃磨的工作狀態(tài)，則對加工參數進(jìn)行調整，適當地降低進(jìn)給量等措施，降低加工效率，保持切削的連續性，并在加工結束后產(chǎn)生刀具報警信號，提醒進(jìn)行刀具刃磨。通過(guò)CPAC控制器控制機床對工件進(jìn)行切削，在切削過(guò)程中使用CPAC—300—300—7KF01模擬量輸入模塊的輸入信號接口進(jìn)行數據采集工作，傳感器將機床的狀態(tài)信息轉化為電壓信號。根據模擬量輸入模塊所對應的模擬量輸入類(lèi)型對通訊模塊進(jìn)行配置，配置后會(huì )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(yǔ)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字量信息，可以通過(guò)其提供的DigitalData_To_AnologData函數將信息轉換為模擬量信息，然后根據傳感器的原理將機床運動(dòng)狀態(tài)信息計算出來(lái)。由機床的運動(dòng)狀態(tài)信息，即可將機床運動(dòng)參數進(jìn)行調整，使得機床切削過(guò)程的狀態(tài)更穩定。
4結語(yǔ)
在構建五軸數控加工平臺中，采用了PC+GUC的結構，使用運動(dòng)控制器控制伺服驅動(dòng)系統，在WindowsCE操作系統下，利用CPAC所支持的IEC61131—3工業(yè)控制語(yǔ)言進(jìn)行軟件的編寫(xiě)。通過(guò)對數控加工的參數進(jìn)行測量，對了解數控加工中各種物理量對工件精度的影響，提高數控加工精度具有積極的意義。
參考文獻：
�。�1］孫正康，梅志千，李向國，等�；贑PAC的數控PCB鉆床軸運動(dòng)規劃研究［J］。機電工程，2015，32（8）：1066—1070。
�。�2］劉洋，吳孜越，頡潭成，等�；贑PAC的軸承圓度測量?jì)x控制系統［J］。儀表技術(shù)與傳感器，2017（9）：63—66+87。
�。�3］張惠敏。五軸聯(lián)動(dòng)數控機床的設計［J］。機床與液壓，2010，38（8）：8—10。
�。�4］高建民，史曉軍，許艾明，等。高速高精度機床熱分析與熱設計技術(shù)［J］。中國工程科學(xué)，2013，15（1）：28—33。
�。�5］張智，劉成穎，劉辛軍，等�；谔卣黝l率自動(dòng)識別的機床振動(dòng)分析［J］。組合機床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2017（9）：9—11+15。
�。�6］樊紅衛，吳騰慶，劉恒，等。計入電磁平衡裝置的機床電主軸穩態(tài)溫度場(chǎng)有限元分析［J］。制造技術(shù)與機床，2017（11）：88—91+94。
【五軸數控加工測試平臺開(kāi)發(fā)研究的論文】相關(guān)文章：
數控加工技術(shù)論文06-09
數控加工技術(shù)論文[精選15篇]06-13
軸加工心得體會(huì )01-05
數控加工技術(shù)論文合集(15篇)06-11
(熱門(mén))數控加工技術(shù)論文15篇06-12
數控加工技術(shù)論文大全[15篇]06-10
數控加工精度影響因素及提升策略論文07-19
軸類(lèi)零件加工工藝及夾具設計探討10-13
數控加工心得體會(huì )09-02