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直角銑頭在五軸加工中的刀尖點補償技術

2015-8-14 來源：數控機（jī）床市場網作者：北京衛星製造廠高立國蔣疆張佳朋

摘要：針對（duì）直角銑頭在五（wǔ）軸數控加工中刀尖點位置線性補償的（de）技（jì）術難題，通過對直角銑頭（tóu）的安裝方式及刀尖點補償算法等研究（jiū），采用（yòng）了刀（dāo）具參考點（diǎn）偏置（zhì）補償法、控製器雙向刀長補償法，解決（jué）了直角銑頭在不同機床（chuáng）結構、不同數（shù）控係統的加工中（zhōng）心上，對內部空（kōng）間狹小的複雜（zá）結構進行加工時（shí）易出現主軸幹涉和運動軸超程的共性瓶頸問題，大幅度提升了加工中心的加工範圍與適應性。目前，直角銑頭已在多個航天器型號的複（fù）雜結構（gòu）研製中得到成功應用（yòng）。

關鍵詞：直（zhí）角（jiǎo）銑頭；五軸加工；刀尖點補償；刀軸方向

1 引言

直角銑頭是一種重要的機床主軸附件，因其能夠使刀具軸線與主軸軸線成 90°直角結構，所以通過與多軸（zhóu）加（jiā）工中心（xīn）的配合能（néng）夠增加機床的加工範圍。由於直角銑頭的刀具軸線與主軸軸線位於不同方位，傳（chuán）統五軸數控加工中的刀尖點補償方式已不再適用於直角銑頭，因此需探索新的途徑來實現直（zhí）角銑頭的五軸加工。直角銑頭應用（yòng）於五軸（zhóu）加工時，存在控製器參（cān）數設（shè）置複雜，數（shù）控編程難度大，加工過程操作繁（fán）瑣（suǒ）等問（wèn）題，嚴重影響了直角銑頭的利（lì）用率和加工效率（lǜ），並且存在新技（jì）術風（fēng）險分（fèn）析不到位，造成質量（liàng）問題的隱（yǐn）患。

2 直角銑頭的刀尖點（diǎn）線性坐標補償

數控程序（xù）的主體部分是由機床刀尖點相對於（yú）工件的坐標點群構成（chéng）的。在五軸加工中，刀尖點位置會隨著機床（chuáng）旋轉（zhuǎn）軸的旋轉而發生變化（huà），因此必須將刀具參考點通（tōng）過線性偏置補償到刀尖點處，實現刀尖點的實時跟隨。圖（tú） 1 是關閉和開啟刀尖點補償功能時的五軸轉換效果圖（tú）。在初始狀態下，刀具參考點（diǎn）位於機床的主軸端麵中心（xīn）點處，因此刀尖點線（xiàn）性坐標補償（cháng）的本質是計算並（bìng）補償機床旋轉後主軸端麵中心點相對（duì）於刀尖點的線性偏置（zhì）值。從圖 1 可（kě）以看出，當關閉刀尖點線性坐標補償功能時，機床將無法運動到正確的加工位置。

圖 1 刀尖點線性坐標補償的五軸轉換[1]

由於直角銑頭是由兩段直（zhí）角邊構成，目前（qián）使用的常規刀具刀尖點線性坐標補償功能並不適用。直角銑頭的刀尖點線（xiàn）性坐標補償算法主要有兩種實現方式：

a. 對於沒（méi）有開放五軸聯動功能的加工中（zhōng）心，可通過編製刀具參考點偏置補（bǔ）償算法的子程序實現補償；

b. 對於能夠完（wán）成五軸聯動的（de）加工中心可通過控製器雙向刀長補償法完成補償。

下麵具體闡述（shù）刀具（jù）參考點偏（piān）置補償法和控製器雙向刀長補償法這兩種直角銑頭的（de）刀尖點線性坐（zuò）標補（bǔ）償方法。

2.1 刀具參考點偏置補償法

刀具參考點偏（piān）置補償法是通過在 NC 代（dài）碼中調用外部子程序，實現對（duì）不（bú）同機床旋轉角度下（xià）直角銑頭（tóu）刀（dāo）尖點的線性軸補償。其原理（lǐ）是將機床的旋轉角度作為實參傳遞給子程序，在子程序中計算機床在不同（tóng）旋（xuán）轉角度下主軸端麵相對於刀尖點（diǎn）的線（xiàn）性軸位（wèi）置偏置，並將該偏置值寫入（rù）控製器的刀具參數表中，當主程序調用該子程序時，刀具參考點（diǎn）將自動補償到刀尖點處（chù）。以五軸臥式加工中心為例，刀具參考點偏置（zhì）補償法根（gēn）據刀軸的指向可分（fèn）為（wéi）四種（zhǒng）初始安裝方位（麵向機床方向觀察（chá））：刀軸指向 12 點方向（xiàng）（垂直向上）、3 點方向（水平（píng）向右）、6 點方向（垂直向下）、9 點方（fāng）向（水平向左），如圖 2 所示。若在五軸立式機床上，則應從機床俯視圖角度進行觀察。

圖 2 直角銑頭（tóu）四種初始安裝方位

2.1.1 刀軸初始方向指向 12 點位（wèi）置

圖3 直角銑頭刀軸初始方向指向12點位置（右視圖）

如圖 3 所示，當直角銑頭刀軸初始方向指向 12點位置時，以機床水平旋轉軸中（zhōng）心（xīn） A 為（wéi）參考原點，則初始刀具參考點 B 的坐標為[0 0 -La]T，初始刀尖點 C 的坐標為[0 Lc -La-Lb]T。當直角（jiǎo）銑頭繞 Xm軸旋轉 °後，刀尖點 D 的坐標[Xd Yd Zd]T可由式（1）求得：

(1)

因此，初始刀具參（cān）考點（diǎn） B 相對於刀尖點 D 的線性偏（piān）差值為：

（2）

2.1.2 刀（dāo）軸初始方（fāng）向（xiàng）指向 3 點位置

圖 4 直（zhí）角（jiǎo）銑頭刀軸初（chū）始方向指向 3 點位置

如圖（tú） 4 所示，當直角銑頭刀軸初始方向指向 3 點位置時，設機床（chuáng）水平旋轉軸中心 A 為參考原點，則初始（shǐ）刀具參考點 B 的坐標為[0 0 -La]T，初始刀尖點C 的坐標為[-Lc 0 -La-Lb]T。此時機床先繞 Xm 軸旋轉-90°，再繞 Zm 軸旋轉 °後，刀尖點 D 的坐標[Xd Yd Zd]T可由式（shì）（3）求得：

因此，初始刀具參考點 B 相對於刀尖點 D 的線性偏差值為：

2.1.3 刀軸初始方向指向 6 點位置

圖 5 直角銑（xǐ）頭刀（dāo）軸初（chū）始方向（xiàng）指向（xiàng） 6 點位置（右視圖（tú））

如（rú）圖（tú） 5 所示，當直角銑頭刀軸初始方向指向 6 點位置時，設（shè）機床水平（píng）旋轉（zhuǎn）軸中（zhōng）心 A 為參考原點，此時銑頭軸線平麵位（wèi）於機床的 YmZm 平麵內，則初始刀具參考點 B 的坐標為[0 0 -La]T，初始刀尖點 C 的坐標為[0 -Lc -La-Lb]T。當直角銑頭繞-Xm 軸旋轉 °後，刀尖點 D 的坐標[Xd Yd Zd]T可由式（5）求得：

（5）

因此，初始刀（dāo）具參考點 B 相對於刀（dāo）尖點 D 的線性偏（piān）差值（zhí）為：

2.1.3 刀軸初始方向（xiàng）指向 9 點位置

圖 6 直角銑頭（tóu）刀（dāo）軸初始方向指向（xiàng） 9 點（diǎn）位置

圖 6 直角銑頭刀軸初始方向指向 9 點位置

如圖 6 所示，當直（zhí）角銑頭刀軸初始方向指向 9 點位置（zhì）時，設機床水平旋轉軸（zhóu）中心 A 為參考原點（diǎn），則初始刀具（jù）參考點 B 的（de）坐標為[0 0 -La]T，初始刀尖點C 的坐標為[Lc 0 -La-Lb]T。此（cǐ）時機床先繞 Xm 軸（zhóu）旋轉-90°，再繞 Zm 軸旋（xuán）轉 °後，刀尖點 D 的（de）坐（zuò）標[Xd Yd Zd]T可（kě）由式（7）求得：

因此，初始（shǐ）刀具（jù）參考點 B 相對於刀尖點 D 的線性偏差值為（wéi）：

根據上文（wén）所述的四種（zhǒng）刀軸初始安裝方向，將其刀尖點的（de）位置補償算法封裝在數控係統的用戶子程序中，並將計算結果通過該（gāi）程序直接寫入到刀具參（cān）考點的（de）基礎偏（piān）置參數中。在應用直角銑頭進（jìn）行五軸加工時，將機床轉動角度 作為（wéi）實參傳遞給該用（yòng）戶（hù）子（zǐ）程序便可實現直角銑（xǐ）頭刀尖（jiān）點的實時跟隨。

2.2 控製器（qì）雙向刀（dāo）長補償（cháng）法

普（pǔ）通銑（xǐ）頭的刀具（jù）長度僅沿機床主軸方向，在進行刀（dāo）具長度補償時僅需（xū）補償刀具（jù）的 Z 向長度（dù）值。而直角（jiǎo）銑頭包含（hán）主軸軸線和刀具軸線兩個刀長方向，因此必須在機（jī）床控製器刀具表中（zhōng）設置雙向刀長才能（néng）實現機床刀具參考點的偏置補償。以五軸臥式（shì）加工中心為例，按照圖2所述直角銑頭（tóu）初始安裝位置的四種方向，雙向（xiàng）刀長數值的設置分成以下（xià）四組，每組兩個刀長（zhǎng）值，如圖 7 所示。以圖 3 中所示的 12 點方向為例，直角銑（xǐ）頭中第 1段與刀（dāo）柄同軸的直角邊沿 Zm 軸正向，第 2 段與（yǔ）刀具同軸的直角邊沿 Ym 軸負向（xiàng），因此需將刀長 Lb 值輸入刀具表的 Length 1 中，將-Lc 值輸入 Length 2 中，如圖 7a所示。根據刀具表中設置的雙向刀長補償值，啟動（dòng）五軸聯動模式，控製器將自動補償由於（yú）旋轉軸運動（dòng）產生的線性偏差，實現機床刀尖點的實時（shí）跟隨，該方法適合於具（jù）備五軸（zhóu）聯動的五軸加工中（zhōng）心。



圖（tú） 7 雙向刀長數（shù）值的設置

3 直角銑頭在五軸加工中心上的幾何參數獲取



圖（tú） 8 直角銑頭幾何參數示意圖

直角（jiǎo）銑頭在五軸加工中心上的實際應用過程中，由於要參與五軸旋轉和補償，所以直角銑頭的（de）長度尺寸和（hé）角度尺寸的準確獲取是保證刀尖點正確補償的前提條件。以五軸臥式加工中心（xīn）為例，如圖 8 所示，對於（yú）長度（dù）方向尺寸需要獲得 Lb 和（hé） Lc 的準確數值（zhí）；對於角度尺寸需（xū）要確保角度 α 等於零。 Lb 是直角銑（xǐ）頭的固有參（cān）數，可以通過配件參數表直接獲得。

Lc 根據安裝刀具長度（dù）的不（bú）同（tóng）會實時變化，需要通過測刀儀獲（huò）取準確數（shù）值。由（yóu）於主軸中心線無法獲取，所以 Lc 數值（zhí）無法直接測量（liàng），具體測量方法如下：切削刀具在直角（jiǎo）銑頭上安裝完成後，將直角銑頭放置於測刀儀工作台，使直角銑頭（tóu）繞主軸中心線進行回轉，在（zài）測刀儀屏幕上找到刀尖位置，並測量最大回轉半徑，通過圖 8 可知繞主軸中心線的最大回轉半徑（jìng）即為Lc 值。

角度α是直角銑頭的（de）實際安裝位置（zhì）和理論安裝位置之間的偏差，為了確保（bǎo）五軸旋轉和補償正確，需（xū）要（yào）確（què）保 α 等於（yú）零。角度 α 的具（jù）體調零方法為：將百分表的觸頭與刀具外表麵接觸，采用機床手動模式沿豎直（zhí）方向上下移動（dòng）機床主軸，觀察百分表的跳動值，根（gēn）據跳動值調整直（zhí）角銑頭與（yǔ）機床主軸上的緊固螺釘，當（dāng）跳動值為零時角度 α 等於零。

4 結束語

所采用的刀具參考點偏置補償法、控製器雙向刀長（zhǎng）補償法，很好地解（jiě）決了直角銑頭在五軸加工中（zhōng）的刀尖點補償難題，進一步提升了五軸數控加工中心的加工範圍與適應性。目前，直角銑頭已（yǐ）在多（duō）個航天器（qì）型號的複（fù）雜結構研製中得到成功應用。

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