五坐标双摆铣头主轴回转中心距测量分析

王勇

[摘 要]本文通过简要介绍五轴联动数控机床双摆铣头，论述五坐标双摆铣头主轴回转中心距的测量计算方法，结合数控系统进行分析，实现五轴联动数控机床加工精度提高，解决五坐标双摆铣头安装调试维修调整问题，从而达到提高数控机床维修效率的目的，使数控机床的维修迈上一个新台阶，具有一定应用价值。

[关键词]回转中心距  测量 分析

1 概述

现代信息科学技术的发展对装备制造业注入了强劲的动力，同时也对它提出更强要求，更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级的原动力，以五轴联动数控机床为标志的机械装备制造业将伴随着高新技术和新兴产业的发展而共同进步。五轴联动数控机床代表机床制造业最高境界，是一个国家制造业水平的象征。

五轴联动数控机床是航空工业先进制造技术的重要组成部分，在现代飞机研制生产中具有举足轻重的作用。数控机床的精度水平直接影响着航空先进技术的发展，尤其是制约着现代飞机设计中广泛采用的复杂型面大型整体结构件的推广应用。具有优异性能的飞机钛合金结构件的发展，推动了具有强力加工特性的五轴联动数控机床的技术进步，对数控机床的五轴联动精度提出了越来越高的要求。

五轴联动数控机床的五个坐标轴通常是由三个直线轴外加两个回转轴组成，其结构有多种形式，如铣头双摆式、工作台摆动式、铣头摆工作台回转式等。以双摆铣头为例，又分为插式BC摆铣头和AB摆铣头两种。图1中①不带TRAORI指令的加工运动，②带TRAORI指令的加工运动。

机床执行RTCP功能，刀具中心点和刀具和工件表面的实际接触点将维持不变，此时刀具中心点落在刀具与工件表面实际接觸点处的法线上，而刀柄将围绕刀具中心点旋转，对于球头刀而言，刀具中心点就是数控代码的目标轨迹点。为了达到让刀柄在执行RTCP功能时能够单纯地围绕目标轨迹点（即刀具中心点）旋转的目的，就必须实时补偿由于刀柄转动所造成的刀具中心点各直线坐标的偏移，这样才能够在保持刀具中心点以及刀具和工件表面实际接触点不变的情况，改变刀柄与刀具和工件表面实际接触点处的法线之间的夹角，起到发挥球头刀的最佳切削效率，并有效避让干涉等作用。因而RTCP是站在刀具中心点上，处理旋转坐标的变化。

在五轴联动数控机床的日常维修中，必要时需要对主轴进行拆卸维修，维修完成后重新安装。这样以来，由于重新装配导致从主轴端面到B轴轴线的主轴回转中心距发生改变。回转中心距测量不准会造成五轴联动误差过大，如未能及时修改数控系统参数，将直接影响机床RTCP精度。准确测量回转中心距并正确修改相关数控系统参数，直接关系到机床维修质量和机床加工精度。

2 测量计算方法

五坐标双摆铣头中BC摆铣头和AB摆铣头两种最为常见。五轴数控龙门铣床通常装配BC摆铣头，其中B轴行程≧±90°。当五轴数控龙门铣床回转坐标为主轴选装的机床，在回转坐标能够±90°旋转时，主轴回转中心距的测量方法如图4所示。

图3中机床主轴安装测量芯棒，G为B轴回转中心点，M为主轴回转中心距，C为测量百分表，R为测量芯棒半径。A图为B轴旋转至0°时，当主轴下端面接触C表，记下C表数值，同时记录当前Z坐标值Z1;B图为B轴旋转至90°时，当测量芯棒下端母线接触C表，C表数值如A图时数值，同时记录当前Z坐标值Z2。由A、B两图几何关系可得出

五轴数控立式铣床通常装配AB摆铣头，其中B轴行程≧±30°。当五轴数控龙门铣床回转坐标为主轴选装的机床，在回转坐标能够±30°旋转时，主轴回转中心距的测量方法如图5所示。

图4中机床主轴安装测量芯棒，G为B轴回转中心点，M为主轴回转中心距，C为测量百分表，R为测量芯棒顶端球头半径。A图为B轴旋转至0°时，当主轴下端面接触C表，记下C表数值，同时记录当前Z坐标值Z1;B图为B轴旋转至30°时，当测量芯棒下端球头接触C表，C表数值如A图时数值，同时记录当前Z坐标值Z2。由A、B两图几何关系可得出

3 参数分析与验证

以SIEMENS SINUMERIK 840D数控系统为例，MD24100 $MC_TRAFO_TYPE_1=24;定义五坐标铣头形式，24代表双摆铣头形式。

MD24500 $MC_TRAFO5_PART_OFFSET_1[2]=-M;MD24550 $MC_TRAFO5_BASE_TOOL_1[2]=M; 是调整主轴Z向回转中心距的参数。

通过修改上述数控系统参数，使机床正确执行RTCP功能。检测RTCP运动精度来验证主轴Z向回转中心距测量和数控系统参数是否正确。

RTCP运动精度的检测是通过在机床主轴上安装百分表，沿法向触及固定在工作台上的球头的表面，通过编程驱动各坐标绕球头的球心旋转运动测得。此检测方法实施简单、方便快捷，而且能够有效避免其他因素带入的干扰误差，是目前五轴数控机床联动精度检测最常用的方法。

4 结论

根据五轴联动数控机床维修的需求，结合数控系统功能，对五坐标双摆铣头主轴Z向回转中心距的测量进行分析、研究达到了预期效果，解决设备维修需求。针对回转中心距的测量分析确实值得研究总结，原理性的分析研究为今后的设备维修工作积累了大量的经验，对于今后应用具有极大的参考和推广价值。五轴联动数控机床在航空先进制造领域的性能发挥和工程应用水平的提高任重而道远。

[参考文献]

[1] SIEMENS，SINUMERIK 840D Tool and Mold Making Manual，GERMANY：SIEMENS  AG，2004;

[2] SIEMENS，SINUMERIK 840D Special Functions Function Manual，GERMANY：SIEMENS  AG，2006。