五轴数控加工测试平台开发研究的论文

五轴数控加工测试平台开发研究的论文

　　摘要：在五轴数控切削工件表面的过程中会产生温升、力、振动等。这些因素会使加工精度降低，零件表面质量变差，降低产品的合格率。为了解决这些问题，开发了一种五轴数控加工测试平台，并对温度、力、振动对加工过程中的影响进行了分析。为进一步的提高五轴数控加工精度提供了测试平台。

　　关键词：CPAC；五轴数控加工；测试平台

　　引言

　　随着我国经济的不断发展，对产业转型升级的需求也变得越来越迫切，现阶段我国机械加工产品的附加值不高，其主要原因就在于对复杂曲面、高精度和优良的表面质量等对机械制造装备要求较高的零件加工能力严重不足。目前来说，五轴数控加工中心在附加值较高的零件加工中具有不可取代的重要作用，代表着一个国家的机械加工水平。由于五轴加工具有一次装夹，可以加工多个曲面，定位误差较小的特点。不仅缩短了零件在多次装夹时浪费的时间，而且提高了零件的精度。随着时代的发展，人工和时间成本的提高，五轴数控加工会在制造业中占据越来越重要的位置。

　　1测试平台的开发

　　（1）平台结构设计五轴联动数控加工机床包括3个直线运动轴2个旋转轴，其实现形式的主要不同集中在机床主轴的安装方式上。目前的主流实现方式有双转台、双摆头、一摆头一转台形式。为了构建三轴大零件与复杂曲面都可以加工的重构机床，故采用的是较为经济的A—C双摆台形式。其中摆台可以沿X、Y方向移动，A、C方向旋转，电主轴可以上下移动，这样就构成了X、Y、Z、A、C五个自由度的加工范围。该测试平台主要由床身、直线运动平台、以及旋转运动平台组成。其中直线运动平台会影响安装在其上的旋转运动平台的运动，该五轴机床的运动拓扑图如图1所示。为了保证加工过程中的安全，X轴设计行程为700mm，Y轴设计行程为500mm，Z轴设计行程为600mm，A轴旋转角度为—90°~+90°，C轴旋转角度为0~360°。机床机械结构图如图2所示。（2）坐标变换由于机床结构采取的是A—C双摆台形式，而且摆台旋转中心线的交点和机床夹具装夹工件时所确定的加工零点不在同一位置。在机床A—C轴旋转时，会对其直线坐标产生较为复杂的影响。对此构建3个坐标，如图3所示从上往下分别为机床坐标系、工件坐标系和刀具坐标系。在加工过程中，刀具在工件坐标系中相对于工件的运动需要转化为机床绝对坐标的运动。对于此机床工件坐标系和绝对坐标系来说，可以列出其坐标系变换的方程表达式：XNYNZN00000000000000000000=ΔX0ΔY0ΔZ000000000000000000000+Q（I）XMYMZM00000000000000000000，Q（I）=Q（A）Q（B）Q（C）式中XM、YM、ZM———机床运动前坐标；XN、YN、ZN———运动后坐标；Q（I）———坐标旋转变换矩阵。对于A—C双摆台五轴联动机床坐标系来说，绕X轴旋转变换矩阵Q（A）=1000cosXsinX0—sinXcos00000000000000000000X，绕Y轴旋转变换矩阵Q（B）=10001000000000000000000000001，绕Z轴旋转变换矩阵Q（C）=cosZsinZ0—sinZcosZ000000000000000000000001，初始刀具矢量为（001）T，对于空间任意一点以及这一点所对应的任意方向的矢量，都可以看作是刀具从初始位置先旋转过后再进行平移。由于A—C双转台五轴数控机床只能沿X轴方向和沿Z轴方向旋转，为了简便数学计算难度，同时达到在旋转时可以使刀具初始矢量达到任意方向的要求，可以将旋转运动视作先沿X轴方向旋转后沿Z轴方向旋转。即Q（I）′=Q（C）Q（A）=cosCcosAsinCsinAsinC—sinCcosAcosCsinAcosC0—sinAcos00000000000000000000A，设旋转过后所得到的向量为（αβγ）T，则Q（I）＝（001）T=（αβγ）T，解之得A=IAarccos（γ），IA=1，－1C=arctan（αβ）—ICπ，IC=0，，，，，，，，，，1即可求出机床转角轴的绝对角度变化量，和前一位置角度相减即可得机床旋转轴需要转动的角度值。

　　2平台硬件结构

　　固高CPAC计算机可编程自动化控制器具有运动控制，逻辑控制和人机交互融合一体的功能。CPAC支持符合IEC61131—3标准的OtoStudio软件开发环境，可以进行文本和图形化的混合编程，在进行开发时较为简便。CPAC—Oto—box系列控制器由控制器以及端子板两部分组成，在使用过程中用24V电源向两部分供电，控制信号由运动控制器通过端子板发送给伺服驱动器，由伺服驱动装置驱动伺服电机实现X、Y、Z、A、C轴的运动。CPAC自动化控制器输入、输出接口分为专用输入输出、通用专用输入输出、控制输出以及编码器输入。专用输入用来连接驱动报警信号、限位信号等，专用输出用以输出驱动允许、报警信号复位等。而通用输入、输出信号可以外接传感器、开关量等信号，编码器输入可以使用双端输入或单端输入，控制输出可以工作于脉冲量工作模式或模拟量工作模式。其中主轴驱动方式为运动控制装置将脉冲信号发送至变频驱动器，由运动控制器发出的脉冲信号对应于变频器的输出频率从而控制主轴电机，数据采集部分采用传感器连接CPAC模拟量输入模块，实时将机床的加工状态反馈到机床控制系统中。同时通用输入输出接口连接机床的限位开关和报警信号以保障安全。机床硬件结构如图4所示，采用运动控制装置与X、Y、Z、A、C轴驱动器以及主轴变频器和开关量执行装置相连。同时利用CPAC提供的网络接口将加工零件时的状态信息发送至上级管理计算机。

　　3测试平台软件结构

　　（1）软件结构使用OtoStudio对测试平台的软件进行编制，在编制过程中对所选用设备型号所支持的函数库进行调用，缩短了平台开发周期。其中测试平台软件结构如图5所示，首先对系统进行初始化处理，调用CPAC提供的运动函数库清除系统的报警信息，将伺服驱动器进行伺服使能，记录机床轴的状态，驱动器驱动轴返回坐标零点从而使使机床回零。然后对操作信息进行处理并选择工作方式。主要功能包括自动方式和手动方式。其中，自动方式主要功能是进行连续加工处理，利用从上级下载NC代码实现加工测试平台的工件加工。手动方式运行是通过软件界面选取所需要点动运行的轴，后设置点动运行时驱动轴运行的速度，对驱动轴进行点动处理。状态信息反馈模块是通过运动控制器通用输入接口读取传感器信息，并实时传递到显示面板上。而后判断程序是否执行结束，结束后对系统状态进行恢复，否则返回操作信息处理，系统继续运行。（2）状态信息反馈对于固高CPAC系列控制器集成了多种数字量输入输出、模拟量输入输出等I/O模块，机床运动状态信息可以通过传感器进行采集，然后通过I/O模块等反馈到系统之中，系统可以根据反馈回的状态信息，对加工参数进行调整，机床的反馈控制系统结构如图6所示。温度传感器对在机床运行过程中产生的温度变化进行测量，将加工过程中产生的温度变化信息反馈至系统之中，对主轴的温度变形进行分析，将由温度变化产生的热变形带来的对工件产生的误差进行补偿，减少由加工过程中温度变化引起的主轴变形对加工误差的影响。同时振动传感器对主轴加工过程中产生的振动进行测量，对主轴振动信号进行分析从而得到加工工件的刀具的状态信息，在加工工件的过程中，如果刀具磨损达到了需要进行刃磨的工作状态，则对加工参数进行调整，适当地降低进给量等措施，降低加工效率，保持切削的连续性，并在加工结束后产生刀具报警信号，提醒进行刀具刃磨。通过CPAC控制器控制机床对工件进行切削，在切削过程中使用CPAC—300—300—7KF01模拟量输入模块的输入信号接口进行数据采集工作，传感器将机床的状态信息转化为电压信号。根据模拟量输入模块所对应的模拟量输入类型对通讯模块进行配置，配置后会显示该模拟量输入模块的所有配置通道的地址值，在程序中可以直接采用赋值语句将通道的地址赋给变量，从而对通道的信息进行采集。采集得到的信息为数字量信息，可以通过其提供的DigitalData_To_AnologData函数将信息转换为模拟量信息，然后根据传感器的原理将机床运动状态信息计算出来。由机床的运动状态信息，即可将机床运动参数进行调整，使得机床切削过程的状态更稳定。

　　4结语

　　在构建五轴数控加工平台中，采用了PC+GUC的结构，使用运动控制器控制伺服驱动系统，在WindowsCE操作系统下，利用CPAC所支持的IEC61131—3工业控制语言进行软件的编写。通过对数控加工的参数进行测量，对了解数控加工中各种物理量对工件精度的影响，提高数控加工精度具有积极的意义。

　　参考文献：

　　［1］孙正康，梅志千，李向国，等。基于CPAC的数控PCB钻床轴运动规划研究［J］。机电工程，2015，32（8）：1066—1070。

　　［2］刘洋，吴孜越，颉潭成，等。基于CPAC的轴承圆度测量仪控制系统［J］。仪表技术与传感器，2017（9）：63—66+87。

　　［3］张惠敏。五轴联动数控机床的设计［J］。机床与液压，2010，38（8）：8—10。

　　［4］高建民，史晓军，许艾明，等。高速高精度机床热分析与热设计技术［J］。中国工程科学，2013，15（1）：28—33。

　　［5］张智，刘成颖，刘辛军，等。基于特征频率自动识别的机床振动分析［J］。组合机床与自动化加工技术，2017（9）：9—11+15。

　　［6］樊红卫，吴腾庆，刘恒，等。计入电磁平衡装置的机床电主轴稳态温度场有限元分析［J］。制造技术与机床，2017（11）：88—91+94。

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