五轴加工中心旋转铣头结构分析与调整

卢 龙

（中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西西安 710077）

0 引言

某型号五轴加工中心是由德国德玛吉公司生产，此种型号的加工中心可以进行自动立卧转换，集立式、卧式加工中心于一身。可以进行多坐标联动，自动化程度高，加工精度高。一次装夹可以完成空间各种复杂形面的加工，提高工件的加工效率并且消除工件多次装夹产生的误差。

由于机床加工零件类型繁多，机床长时间高频率过度使用，且加工工艺流程没有优化，以及操作失误引起的碰撞等原因，造成铣头内部部件磨损、应力疲劳变形，铣头丧失精度，使机床不能满足正常生产要求，给企业造成极大的经济损失。由于进口设备的技术保密性，在技术资料、技术图纸残缺的情况下，对铣头的工作原理进行分析研究，通过对铣头各部件进行分解，精度进行分析，解决加工中遇到的此类问题。

1 旋转铣头结构分析

1.1 旋转铣头工作原理

旋转铣头的主要功能是进行立卧转换，旋转铣头由释放油缸、齿轮齿条机构、传动油缸、端面齿盘啮合装置组成，各部件互相配合共同完成立卧转换功能。铣头立卧转换是在锁紧机构松开时，通过传动油缸推动齿轮齿条机构来实现的，传动油缸推动齿条带动齿轮将直线运动转换为旋转运动，使铣头旋转至立式或者是卧式状态，当铣头旋转至立式或者是卧式状态时，锁紧机构将铣头锁紧，同时端面齿盘啮合装置啮合，用于定位铣头，保证铣头的分度精度。

1.2 旋转铣头结构分析

此类型的五轴加工中心使用的是先进的电主轴，主轴几何精度靠铣头来保证，铣头精度主要由传动元件和定位装置来保证。铣头结构与市场上常见的进口设备的旋转铣头机构一样，具有相同的工作原理。

此类型铣头优点是结构紧凑，效率高，稳定性好，分度定位精度高；缺点是铣头每进行1 次立卧转换，整个铣头机构都要承受很大的形变力，容易发生应力疲劳损坏，因此铣头在使用一定时期后发生故障的概率很高。旋转铣头结构见图1。

图1 铣头传动结构

2 问题陈述

机床在使用过程中频繁出现E424 报警，报警内容“Lim.Sw.Clamping Clamped Not High（铣头夹紧信号错误）”，报警不能消除，机床不能正常使用。

3 旋转铣头维修与调整

3.1 旋转铣头立卧转换流程

旋转铣头立卧转换流程见图2。

3.2 旋转铣头故障分析

铣头立卧转换动作由机械、电气两部分互相配合来完成。这两方面内容分别如下：

电气方面：包括机床控制单元、伺服驱动、信号采集触点、PLC、I/O 点、各种电磁阀以及控制元件等。

机械方面：铣头油缸、蝶形簧、齿轮齿条机构、传动油缸、端面齿盘啮合装置等。

图2 铣头立卧转换流程

首先从电气控制方面入手，机床控制系统使用的是海德汉MILLPLUS 数控系统，进入I/O 界面，观察铣头夹紧、释放所对应I/O 点。铣头锁紧装置上有两个位置检测开关，E0-05B51、E0-05B71，通过感应感应块来检测油缸运动时所处的位置，同时把检测信号放松到NC，两个检测开关依次对应I/O 点中的E88、E89，其具体关系如图3 所示：

图3 铣头夹紧信号显示

铣头夹紧，信号检测开关E0-05B51 亮，把信号输入NC，I/O 点中E88 亮显示；铣头松开，信号检测开关E0-05B71 亮，把信号输入NC，I/O 点中E89 亮显示；

手动进行铣头松开、夹紧动作试验，发现当NC 发出夹紧指令后，铣头不能正常锁紧，且I/O 点中E88 不亮，检查I/O 点以及上述信号检测开关均显示正常。检查控制松刀油缸的各电磁阀、继电器、PLC、以及线路，一切正常，所以排除电气方面的原因。

机械方面入手，拆卸旋转铣头步骤：首先拔掉定位销，松开四个紧固螺钉，分开上下端齿盘，取出锁紧装置和传动机构（图4）。

由于此类铣头特有的锁紧装置和定位装置，根据其工作原理及结构形式依次检查各部件，发现当铣头处于锁紧状态时实际并没有定位锁紧，用手能推动铣头，这说明蝶形簧出现问题。拆卸分解出蝶形簧，发现部分已碎裂，更换蝶形簧，重新安装锁紧装置以及铣头，然后进行铣头夹紧释放试验，整个动作正常。

图4 铣头分解

3.3 旋转铣头精度分析及调整

旋转铣头立卧转换是由齿轮齿条机构、端齿盘啮合装置精密分度完成，齿轮、齿条及端齿盘上下端齿面位置变化会造成旋转铣头精度误差，所以安装调试后要进行几何精度检测和空间点误差补偿。若精度误差很大，需要重新调整齿轮齿条及端齿盘上下端齿面齿位啮合位置，达到恢复精度要求。

3.3.1 主轴轴线与导轨的平行度

铣头立式状态下主轴轴线与Z 轴的平行度：

修理前正母线：0.24 mm/300 mm，修理后正母线：0.006 mm/300 mm，满足出厂精度允差0.02 mm/300 mm。

修理前侧母线：0.16 mm/300 mm，修理后侧母线：0.016 mm/300 mm，满足出厂精度允差0.02 mm/300 mm。

铣头卧式状态下主轴轴线与Y 轴的平行度：

修理前正母线：0.26 mm/300 mm，修理后正母线：0.018 mm/300 mm，满足出厂精度允差0.02 mm/300 mm。

修理前侧母线：0.42 mm/300 mm，修理后侧母线：0.012 mm/300 mm，满足出厂精度允差0.02 mm/300 mm。

3.3.2 空间点检测与参数补偿

回转中心检测：打表找正标准刀具，记录下找正后的RP Position（参考点位置）X 、Y 值。用标准量块找正Z 值，记录找正后的RP Position Z 值。计算出RP Position X、Y、Z 值，分别补偿进参数N503C、N515C、N527C。

立卧转换检测及参数补偿：检测立式、卧式X 方向的偏差，记录下立式、卧式X 方向的坐标值，将立式、卧式偏差值ΔX、ΔX/2 分别补偿进参数N875C、N567C。检测立式、卧式Y 方向的偏差，记录下立式、卧式Y 方向的RP Position Y 值，将立式、卧式偏差值ΔY 补偿进参数N876C。检测立式、卧式Z 方向的偏差，记录下立式、卧式Z 方向的RP Position Z 值，将立式、卧式偏差值ΔZ 补偿进参数N877C，将ΔY/2-ΔZ/2 偏差值补偿进参数N587C。

4 结束语

旋转铣头的精度修复与调整是一项繁杂而又需要细致精神的工作，需要对机械、电气图纸进行分析研究，找出故障所在，一步步进行拆卸、安装、调试，直到满足使用要求为止。在维修过程中，对维修说明书及参考资料学习，用到实际维修过程中去，对机械修理、精度调整、电气调试进行深度研究，做到备件国产化，打破垄断，起到降本增效的作用。