基于多轴数控加工的智能辅助工艺研究

2023-12-04窦林源

现代制造技术与装备 2023年10期

杨帆窦林源

（南阳科技职业学院，邓州 474150）

21 世纪，科技发展速度不断加快。智能技术作为先进科技的代表，广泛应用于机械制造业多轴数控加工领域。结合大量实践来看，智能辅助工艺不仅具有加工柔性好、产品精度高等优势，还在一定程度上减轻了人工劳动强度，提高了机械制造企业整体经济效益。智能辅助工艺作为一种先进工艺技术，适用于结构复杂、价格昂贵、精度要求高、生产周期较短及需要100%检验的机械产品加工。近年来，随着数控系统对人机交互界面系统要求的不断提高，智能辅助工艺成为多轴数控加工领域不可或缺的一部分。因此，对智能辅助工艺展开分析，无论是在提高多轴数控铣削加工水平，还是促进机械制造业现代化发展方面，都具有重要的现实意义。

1 轴零件及材料介绍

在机械加工领域，轴是极为常见的一种零件。以发电机轴为例，其本身具有结构复杂、形状不一等特点。作为数控机床车削加工中不可或缺的组成部分，它既能够满足单件加工要求，也能够实现批量加工目标[1]。轴零件示意图，如图1 所示。

图1 轴零件示意图（单位：mm）

金属材料主要包括铜、铝、合金钢、碳钢和不锈钢等。由于多轴数控机床本身对材料质量要求较高，需要选择强度较高、质量较轻的45#钢材料，毛坯使用直径为30 mm、长为115 mm 的棒料。由于毛坯需要后期加工，为了确保精度达标，应预留足够加工量。同时，要严格控制尺寸精度，通常高精度要控制在0.02 mm 范围内，中精度控制在0.02 ～0.05 mm，低精度控制在0.5 mm 范围内。

2 多轴数控加工的智能辅助工艺

在数控技术蓬勃发展背景下，越来越多的机械制造企业引入滚珠丝杆副，并将其作为数控机床的基础功能构件。国内企业使用的多轴数控机床传动系统，大多以滚珠丝杆为主，相对于直线电机来说造价较低[2]。但是，多轴数控加工过程受机械磨损、工艺不当等因素影响，会导致丝杆螺距不均匀，进而影响零件加工精度，需要使用智能辅助工艺进行精度补偿。

2.1 智能辅助工艺补偿丝杆螺距误差

2.1.1 测量误差

使用激光干涉仪测量X轴的螺距误差。具体来说，如果多轴数控机床的行程为600 mm，那么可以确定X轴的精度补偿距离是0 ～600 mm。在使用智能辅助工艺补偿过程中，将补偿间隔确定为20 mm，总共需要设置31 个补偿点。通常情况下，多轴数控机床需要根据返回参考点建立坐标系，因此可以将坐标系零点作为精度补偿的基准点，补偿量为0。在设置好激光干涉仪后，即可测量螺距误差。技术人员每测量一个点后，都要向后移动20 mm 继续测量，总共测量30 次[3]。每完成一个点的测量工作都要准确计算补偿区间的脉冲数，最后将其转变为测量距离。从0 mm 处向600 mm 处测量完毕后，技术人员还要从600 mm 处向0 mm 处再测量一次，通过反复测量，取所有测量点的平均数，将其作为螺距误差的最终值。

2.1.2 软件补偿

技术人员在测量各段螺距误差的基础上，在软件系统中输入所有补偿点的补偿量，补偿量实际上就是负误差量。例如，如果X轴第一段螺距误差量为-1.1 μm，那么补偿量就是+1.1 μm。在多轴数控机床运行至各段时，技术人员开展一次查表补偿工作，然后叠加所有补偿量并输出。在此过程中，智能化系统需设置补偿间隔。通常可以将补偿间隔设置为10 mm或20 mm。一般补偿间隔越小，定位精度就会越高，但是会存在一定不足，即补偿量数据缺乏准确性。因此，技术人员可以根据实际情况设定补偿间隔。

以X轴为例进行分析，智能化软件将螺距误差原点设置为0，补偿间隔设置为20 mm，补偿原理如图2所示。从多轴数控机床的零点进行补偿，补偿点1 只有在坐标轴零点位置沿着坐标系正向运动，才能补偿螺距误差。每间隔20 mm 设置一个补偿点，最后一个点即补偿点30 对应600 mm 处的补偿量[4]。如果刀具处于参考点，智能系统为4 维定位精度，那么从参考点正向移动20 mm 位置需要补偿+1.1 μm，即多轴数控机床需要运动到目标位置20 mm 处，并发出200 011 个脉冲。

图2 补偿原理

2.2 智能辅助工艺补偿丝杆反向间隙

在多轴数控机床使用过程中，受多种因素影响，传动链容易产生机械间隙，进而出现反向间隙误差。如果间隙数值较小，一般不会对零件加工精度造成不良影响。但是，如果间隙数值较大，会严重影响系统运行的稳定性，使得零件加工过程产生误差。因此，使用智能辅助工艺对丝杆反向间隙进行补偿尤为重要。

2.2.1 测量间隙数值

机械制造企业使用的多轴数控机床，大多通过连接伺服电机和丝杆螺母构成传动系统。受制造工艺复杂、运行环境多变等因素影响，丝杆和滚珠之间会产生一定间隙。在数控系统运行过程中，发出反向运动指令，刀架并不会及时移动，而是在频繁发出给进脉冲后再运动。如果此时没有及时补偿反向间隙，将会导致刀架位置出现变化。在测量反向间隙时，要从X轴中间位置开始，先移动X轴，使其位于左侧位置，然后向右移动，到零点位置后，反向间隙即可消除。在主轴上设置千分表，确保表头指向工作台，并在所指位置上进行标记，将其作为测量基准点[5]。在保证千分表状态不变的情况下，逐渐向上移动主轴，然后由智能化系统发出指令。X轴先移动-10 mm 脉冲量，移动完毕后再向左移动+10 mm 的脉冲量，最后下降主轴，记录表头所指位置，进而测量出反向间隙数值。

2.2.2 补偿反向间隙

在智能化系统发出反向运动指令前，先发出一定量的间隙补偿脉冲，主要目的是让工作台越过丝杆间隙，然后发出反向运动指令。这意味着在反向间隙补偿前，应先判定电机正反转情况，再发出补偿脉冲。具体来说，在了解电机运行状态的基础上确定给进方向，计算下条代码的插补量，根据是否超过0 确定下条代码的给进方向。如果此时电机处于正方向运转状态，那么下条代码给进方向则与电机运转方向相反；如果电机处于反方向运转状态，则下条代码给进方向为正方向。

在电机处于正向、下条代码为反向的情况下，丝杆运行距离S为

式中：Km为目标坐标；Kd为当前坐标；l为丝杆间隙。

在电机处于负向、下条代码为正向的情况下，丝杆运行距离S'为

以X轴为例，如果丝杆间隙为10 mm，丝杆滚珠直径为10 mm，智能化系统显示坐标为10 mm 处，指令要求X轴走到原点，此时电机处于正向运动状态，下条代码则反向运动。在电机处于反向运动状态后，滚珠会从20 mm 逐渐向10 mm 运动，此过程中工作台并没有发生变化。在滚珠继续运动到达原点时，工作台也会处于原点位置。按照式（1）进行计算，可得S为-20 mm，即丝杆实际运行距离为20 mm，X轴反向运动10 mm。

2.3 智能辅助工艺控制双转台五轴空间误差

双转台五轴机床没有旋转刀具中心（Rotation Tool Center Point，RTCP）功能，在零件加工过程中离不开计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）软件的支持，由软件自动化生成数字计算机控制（Numerical Control，NC）刀路。NC 刀路按照代码加工零件过程中会受多种因素影响，出现刀具碰撞、切削精度不足等问题，因此会导致零件加工精度不足。而先装加工件，找坐标系原点，并在NC 编程过程中处理空间误差，则会消耗大量时间、精力，因此需要通过智能辅助工艺控制空间误差。

2.3.1 建立空间误差模型

在双转台五轴机床投入使用后，如果旋转中心和所加工零件的坐标系原点不重合，则会导致X轴、Y轴、Z轴出现偏差。例如，在C轴转盘中安装工件，将A轴和C轴交汇点设为L，如果L值产生空间误差，并采用后置处理方式对误差进行补偿，那么会导致NC代码缺乏通用性。一旦安装工件过程X轴或Y轴偏移，就需要重新编写NC 代码，处理空间误差。建立空间误差模型，要先找到坐标系原点。在机械结构状态稳定且不发生任何变化的情况下，只需找一次坐标系原点即可。在后续操作中，只需保证对刀找到坐标系原点，并将数值输入智能化系统，系统即可实现自动化控制功能，进而精准计算偏移量。

2.3.2 找到名义上的坐标系原点

在双转台五轴机床运行中，应先找到坐标系原点，然后找到名义上的坐标系原点。在此基础上安装圆棒，圆棒的高度和直径均为50 mm。将A轴的转台设置为0，并在主轴上安装千分表，保证表针处于C 转盘表面。沿着Y轴方向移动，移动过程按照从正到负的顺序进行，观察表盘数值变化情况。如果发现数据变大，则意味着Y轴的负方向较高，此时需要逆时针转动A转台；如果发现数据变小，则需要顺时针转动A 转台，确保误差水平在合理范围内。由于C轴本身能够实现360°旋转，任意角度都可以设置坐标零点。

2.3.3 空间误差补偿算法

由于双转台五轴机床在运行过程中会有两个旋转运动，如果X轴、Y轴或Z轴出现变异情况，则其他轴也会相应发生变化，因此需要准确计算不同轴的位置补偿量。通过高精度的传感器测量机床的几何误差、热误差等建立误差模型，并利用算法进行补偿。实验表明，空间误差补偿算法可以有效提高数控机床的加工精度，减少废品率。通过对机器人的关节角度进行精确测量和建模，可以精确控制焊接轨迹。另外，空间误差补偿算法可以加快焊接速度，提升焊缝质量，减少焊接缺陷。

2.4 优化切削参数

多轴数控机床车削参数的优化方法有很多，包括控制给进速度、优化刮削长度、改善磨削速度等。在零件加工中，参数的确定既关系到加工速度，也与投资成本密切相关。通常情况下，在选择处理参数过程中，由于选择空间较大，在一定程度上降低了连续优化水平，并且会对加工后的零件质量产生负面影响。为了尽可能降低技术参数误差，提高优化水平，可在实践中归纳切削参数，建立数据处理生产数据库。该数据库在一定范围内的相关规则可以保证表面粗糙度，并通过综合优化模型结构减少许多不必要的切削参数。