有关840D五轴联动加工中心的优化分析(1)

摘要:通过对刀具轴,刀具补偿,坐标变换的分析研究,介绍了五轴联动刀具补偿的理论及应用. 关键词:刀具轴,刀具补偿,坐标变换1 五轴联动的结构形式及其转轴,转台主从关系五轴联动对叶轮,蜗轮,桁架的加工可以做到一次成型,加工效率高.它改变了以往三轴机床的由点成面,由线成面的加工方法,而且被加工零件的表面质量好,精度高.对复杂曲面只要指定刀具轴与零件曲面表面的位置关系,就可使复杂曲面的加工过渡光滑,不干涉,不过切,满足曲面的要求.要能够正常使用五轴联动就必须使五轴刀具补偿生效.五轴联动的旋转轴是根据所围绕的线性轴而确定的.绕X轴旋转的为A轴,绕Y轴旋转的为B轴,绕Z轴旋转的为C轴,其旋转方向根据所对应的线性轴的正方向按右手定则确定,当然旋转轴的转向也可不按右手定则而由系统中旋转方向的参数设定.通常根据转轴和转台的组成情况大致可把五轴联动分成三种结构型式:(a)两个旋转轴;(b)两个转台旋转;(c)一个转轴加一个转台旋转.在确定了结构型式后旋转轴的主从关系也随之确立,如表1所示:表1 五轴联动的三种旋转类型[2](Table 1. Three rotation options of 5-axis machining)结构形式主从关系旋转形式(a)第一个旋转轴C(主)刀具轴旋转第二个旋转轴A(从)(b)第二个旋转台B(从)工作台旋转第一个旋转台C(主)(c)刀具轴旋转A(主)混合旋转工作台面旋转C(从)表1中(a),(b),(c)的两个旋转轴(台)的上下关系即为实际结构中的上下顺序,如图1所示. (a) 刀具轴旋转( b)工作台旋转(c)混合旋转图1 五轴联动的结构顺序(Fig.1 Structural consequence of 5-axis machining )2 五轴联动刀具补偿的理论分析根据XH2725/5X-10桥式龙门五轴联动的刀具补偿原理及参数设置进行分析说明.该机床采用的是西门子840D系统,如图1(a)所示的A,C轴万能铣头结构,刀具轴心的起始位置在Z轴上.在五轴联动的加工中,保持刀具中心位置不变是可以通过各线性轴的位置调整来实现,如图2所示.从而编程时只要考虑刀具中心的运动和刀具轴的方向,解决了编程和实际运行的统一.如何在只有A,C轴运动的情况下,保持刀具刀尖位置不变,分析如下:设当A,C轴摆动A和C 后,X,Y,Z产生的移动分别是NX,NY,NZ ,则由图3可知NX =–D sin(C , NY=D cos(C , NZ= R–R cos(A式中D=R sin(A ,(R为A轴旋转中心到刀具端面的距离)图2 刀具的旋转运动(Fig 2. Rotation of the cutter )(a) (b) (c)图3 各轴运动的相对变化关系(Fig 3. The relative relationship between the axis' rotation)图3(a)为机床坐标系;(b)为C轴在零位,A轴摆动角度A时Z,Y轴的变化;(c)为A,C摆动后的X,Y变化.可见A,C轴摆动后X,Y,Z轴产生的移动分别为Nx,Ny,Nz.A ,C为A,C轴的实际角度,经过上述推算在刀具长度补偿生效时,设A,C轴移动的角度为A,C,则X,Y,Z的移动补偿量为–Nx -Ny - NZ .在西门子系统中将五轴刀具长度补偿称为位置变换(坐标变换)即在激活补偿的情况下,使加工面垂直于刀具轴的方向,从而根据矩阵变换方程计算出相应的X,Y,Z轴的补偿分量变换矩阵如下:1 0 0 0 cosC sinC 0 00 cosA sinA 0 -sinC cosC 0 0Tx= 0 -sinA cosA 0 Tz= 0 0 1 00 0 0 1 0 0 0 1注:Tx为绕x轴的旋转距阵,Tz为绕z轴的旋转距阵.To=[0 0 R 1] 刀具补偿的初始分量在Z方向上.Tk= To * Tx * Tz =[sinA *sinC *R -sinA *cosC *R cosA *R 1]Tm= To - Tk Tm为A,C轴摆动后X,Y,Z轴产生的移动量,即- Tm即为刀具的补偿量.3,实际应用中数控系统的参数设定根据刀具长度补偿的原理,参考西门子的参数说明进行相关参数设定.首先要选择刀具补偿的类型(如表2).表2 万能铣头补偿类型选择表[2](Table 2 Compensation list of universal miller)第一旋转轴第二旋转轴补偿类型刀具轴初始位置AACCC′C′A′A′129145132148XZX根据上述的说明结合XH2725/5X-10机床的结构可知补偿类型应选择148(该机床的结构参数大致为:主轴端面至回转中心的距离为285mm,A轴旋转中心线与C轴旋转中心线正交,A,C轴的旋转方向为顺时针).由上述提供的数据进行相关参数设定,设定如下:补偿类型:N24100 $MC-TRAFO-TYPE-1=148.第一旋转轴是C轴,C轴绕Z轴旋转,C轴在X,Y轴方向的补偿矢量是为0,N24570 $MC-TRAFOS-AXISI-1[2]=1;第二旋转轴是A轴,A轴绕X轴旋转,A轴在Y,Z轴方向的补偿矢量是0,N24572 $MC-TRAFOS-AXISI-1[0]=1;刀具的初始方向在Z轴方向, N24574 $MC-TRAFOS-BASE-ORIENT-1[2]=1.其余参数如旋转方向,刀具基体偏置等就不一一详细列出.4,五轴刀补在加工中的应用西门子840D系统中激活五轴刀具长度补偿的指令为TRAORI,取消补偿的指令为TRAFOOF. 激活刀具补偿后应再调用一次工件坐标系,选择G54-G57中的任意一个,否则系统会认为使用的是机床本身的机械坐标从而导致出错.实际使用过程由于刀具的长度补偿对于加工零件的轮廓精度有较大的影响,分析如下(图四):图4 刀具补偿对加工的影响(Fig. 4 The influence from the cutter compensation to manufacturing)注:图四中左图表示刀具理论加工状态;右图实线表示刀具的测量值比左图短去部分为ΔL,虚线表示刀具的实际加工状态.若将刀具的实际长度缩短ΔL ,A轴的摆动角度为A,则知零件外形将变小,变化值为ΔL*sinA.故实际应用时应尽量保证刀具具有精确的长度值.测量刀具长度一般有两种方法:用对刀仪测量;用百分表测刀尖与主轴端面的距离.对应于长度补偿,西门子840D还提供了五轴刀具半径补偿,由于大多数五轴加工程序是由CAD/CAM软件制作生成的,因而五轴刀具半径补偿较少使用,仅举一例以作说明.例:G00 G54 X0 Y0 Z0T1 D1 ISD=20 //调用刀具,在1号刀具的1号刀沿下设定刀具长度和刀具半径.TRAORI [1] //激活五轴长度补偿CUT3DC [1] //激活五轴半径补偿G1 G54 G42 X10 Y10 F2000X60A30 C10Y150G1 G40 X- Y- //撤消半径补偿TRAFOOF //撤消五轴长度补偿参考文献:[1] SIEMENS. Programming Guide Advanced[M]. Federal Republic of Germany: Siemens Automation Group,1998.[2] SIEMENS. Special Functions (Part 3)[M]. Federal Republic of Germany: Siemens Automation Group,1998.Theory and Application of Cutter Offset Compensation in 5-axis CNC machiningAbstract: The article introduces the theory and application of cutter offset compensation in 5-axis machining, by analyzing the machine tool axes, cutter offset compensation and coordinate shift. Key words: Machine Tool Axes; Cutter offset compensation; Coordinate shift.。

机械制造中的五轴联动加工工艺优化研究近年来，随着制造业的不断发展，机械加工工艺也在不断创新与优化。

而五轴联动加工作为机械制造领域的一项重要技术，被广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗器械等诸多领域。

本文旨在探讨机械制造中的五轴联动加工工艺的优化研究。

为什么要进行五轴联动加工工艺优化？五轴联动加工工艺是一种多轴组合工艺，通过在机床上设置多个旋转轴，实现更为复杂的工件加工。

相对于传统的三轴加工，五轴联动加工能够减少加工过程中的刀具转换次数，提高加工效率和精度。

然而，由于五轴联动加工具有较高的技术门槛和加工难度，因此如何优化五轴联动加工工艺成为当下制造业面临的挑战之一。

一方面，五轴联动加工工艺优化需要充分考虑加工功能需求和工件几何形状。

针对不同的加工功能和几何形状，选择合适的五轴联动加工路径是关键。

比如，在航空航天领域，传统的机翼加工需要进行复杂曲面的切削加工。

优化五轴联动加工路径可以使刀具与工件表面保持一定的切削角度，提高加工表面质量。

因此，在工艺设计过程中，需要充分利用数学建模和计算机仿真等方式，优化五轴联动加工路径，减少残留应力，提高加工品质。

另一方面，五轴联动加工工艺优化还需要注意刀具路径的合理选择。

合理选择刀具路径不仅可以提高加工效率，还可以避免碰撞和阻尼等问题。

在实际加工中，由于加工空间的限制，往往需要刀具在不同轴间进行切换，这就要求刀具路径的合理性和连续性。

同时，还需要考虑切削力的平衡问题，以避免加工过程中的振动和共振等现象。

因此，优化五轴联动加工工艺中刀具路径的选择需要综合考虑以上因素，采用合适的刀具路径策略。

此外，五轴联动加工工艺优化还需要利用先进的加工设备和辅助工具。

随着科技的不断进步，现代机床已经具备了五轴联动加工的能力。

同时，一些辅助工具如力传感器、温度传感器等也为五轴联动加工工艺的优化提供了有力支持。

这些设备和工具的合理使用，可以实时监测和控制加工过程中的力、温度等关键参数，提高加工的精度和一致性。

为 了 便 于 描 述 机 床 的 空 间 结 构 ．可 设 定 以 下 几 个 参 数 ， 表 １所 示 。 如
１ １ 回 转 轴 心 误 差 ．
１ 五 轴 联 动 机 床 坐 标 轴 优 化
机 床 结 构 及 其 参 数 说 明 如 图 １所 示 。 其
中 ， ｌ ｅ １为 Ａ 轴 与 Ｂ 轴 的 空 间 距 离 ， Ｖａｕ
Ｖａｕ 为 主 轴 与 Ａ 轴 间 的 偏 距 ， ｌ ｅ ３为 ｌｅ ２ Ｖａｕ
一
ａ ０ （ 轴 与 Ｂ轴 相 交 ） Ａ ｂ Ｃ ０（ Ｂ轴 与 Ｚ轴 相 交 ）
Ａ 轴 到主轴 端 面 的距离 。
｝ 国家重大科技专项 （ 编号 ：０ ９ Ｘ ４ ０ — ２ ） ２ ０ Ｚ ０ ０ １０ ５
一
由 于 制 造 、 装 配 等 原 因 通 常 会 造 成 理 论 回 转 轴 心
表 １ 机 床 结构 参数
参数
参数值
说 明
Ａ、 旋 转 中心 在 笛 卡 尔 坐 标 系 下 Ｚ方 向的 距 离 Ａ 、 转 中心 在 笛 卡 尔 坐标 系下 方 向 的距 离 曰旋 Ａ 轴 旋 转 中心 到 机 床 主 轴 端 面 的距 离 （ ） Ｚ
收 稿 日期 ：０ ０年 １ ２１ ２月
０ （ 轴 与 Ｚ轴 相 交 ） Ａ 轴 、 旋 转 中心 在 笛 卡 尔 坐 标 系 下 ｙ方 向 的距 离 Ａ Ｚ轴
ｄ ２０ （ 轴到主轴端面） ０ Ａ
５ ３ ／ ５ ｍｍ 。 ．２ １
与 先 采 用 流 延 或 吹 膜 技 术 共 挤 复 合 多 层 薄 膜 后 再
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：００ ４ ９ （０ Ｕｏ — ０ ９ ０ １０ — ９ ８２ １ ７ ０ ０ — ３

西门子840D伺服系统控制参数优化分析与研究作者：刘端健阳春华来源：《计算技术与自动化》2013年第02期摘要：在分析现代机械加工制造行业中高精密数控机床伺服系统控制参数优化重要性的基础上，简要介绍应用普遍的西门子840D伺服系统，着重研究西门子840D伺服系统控制参数优化的原理与方法。

对使用840D伺服系统的圆柱齿轮加工机床的位置环、电流环与速度环进行优化，通过对比优化前后的加工效果和同步误差，证明伺服系统控制参数优化可以提高齿轮齿面加工精度和光洁度以及加工效率。

关键词：伺服系统；控制参数；840D中图分类号：TG659 文献标识码：A1引言现代高精度数控机床是实现各种复杂曲面零件的精密加工的最重要的关键设备，很多精密数控机床的直线轴都采用当今最先进的直接驱动（直驱）技术，由伺服电机直接驱动进给装置，通过多种方式的插补技术很好满足了加工高精度和高表面光洁度复杂工件的要求。

直驱技术其优点是动态响应特性好、运行速度快，精度高。

由于驱动部件跟负载间直接连接，无需做额外的硬件连接误差补偿。

因此直驱技术在各种中、高端的机床产品和模具生产机床中得到了广泛的应用[1]。

直驱技术虽然具有上述优点，但是由于省去了电机跟负载端的机械传动链，传动比近似为1：1，这也使得电机对负载变化显得格外敏感[2]，同时负载的固有频率容易引起伺服电机驱动系统产生共振现象，引起机床在加工零部件过程中表现出震动和抖动以及加工噪声等现象。

因此需要对伺服系统的速度环、电流环、位置环控制参数进行优化[3]。

2西门子840D伺服系统简介西门子840D伺服系统是西门子公司于上世纪90年代推出的高档产品。

它保留了前两代产品高效的三CPU结构：人机通信CPU（MMCCPU）、数字控制CPU（NCCPU）和可编程逻辑控制器CPU（PLCCPU）。

840D伺服系统具有数字化驱动、可控制的轴多、操作系统视窗化、软件内容丰富、五轴联动模块化设计等优点。

西门子840D伺服系统控制框图如图1所示，主要包括：1）数字控制单元NCU，集成了SINUMERIK 840D 数控CPU 和SIMATIC PLC CPU 芯片，包括相应的数控软件和PLC 控制软件。