五軸加工中心旋轉銑頭結構分析與調整

盧 龍

（中國航發西安動力控制科技有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

某型號五軸加工中心是由德國德瑪吉公司生產，此種型號的加工中心可以進行自動立臥轉換，集立式、臥式加工中心于一身。可以進行多坐標聯動，自動化程度高，加工精度高。一次裝夾可以完成空間各種復雜形面的加工，提高工件的加工效率并且消除工件多次裝夾產生的誤差。

由于機床加工零件類型繁多，機床長時間高頻率過度使用，且加工工藝流程沒有優化，以及操作失誤引起的碰撞等原因，造成銑頭內部部件磨損、應力疲勞變形，銑頭喪失精度，使機床不能滿足正常生產要求，給企業造成極大的經濟損失。由于進口設備的技術保密性，在技術資料、技術圖紙殘缺的情況下，對銑頭的工作原理進行分析研究，通過對銑頭各部件進行分解，精度進行分析，解決加工中遇到的此類問題。

1 旋轉銑頭結構分析

1.1 旋轉銑頭工作原理

旋轉銑頭的主要功能是進行立臥轉換，旋轉銑頭由釋放油缸、齒輪齒條機構、傳動油缸、端面齒盤嚙合裝置組成，各部件互相配合共同完成立臥轉換功能。銑頭立臥轉換是在鎖緊機構松開時，通過傳動油缸推動齒輪齒條機構來實現的，傳動油缸推動齒條帶動齒輪將直線運動轉換為旋轉運動，使銑頭旋轉至立式或者是臥式狀態，當銑頭旋轉至立式或者是臥式狀態時，鎖緊機構將銑頭鎖緊，同時端面齒盤嚙合裝置嚙合，用于定位銑頭，保證銑頭的分度精度。

1.2 旋轉銑頭結構分析

此類型的五軸加工中心使用的是先進的電主軸，主軸幾何精度靠銑頭來保證，銑頭精度主要由傳動元件和定位裝置來保證。銑頭結構與市場上常見的進口設備的旋轉銑頭機構一樣，具有相同的工作原理。

此類型銑頭優點是結構緊湊，效率高，穩定性好，分度定位精度高；缺點是銑頭每進行1 次立臥轉換，整個銑頭機構都要承受很大的形變力，容易發生應力疲勞損壞，因此銑頭在使用一定時期后發生故障的概率很高。旋轉銑頭結構見圖1。

2 問題陳述

機床在使用過程中頻繁出現E424 報警，報警內容“Lim.Sw.Clamping Clamped Not High（銑頭夾緊信號錯誤）”，報警不能消除，機床不能正常使用。

3 旋轉銑頭維修與調整

3.1 旋轉銑頭立臥轉換流程

旋轉銑頭立臥轉換流程見圖2。

3.2 旋轉銑頭故障分析

銑頭立臥轉換動作由機械、電氣兩部分互相配合來完成。這兩方面內容分別如下：

電氣方面：包括機床控制單元、伺服驅動、信號采集觸點、PLC、I/O 點、各種電磁閥以及控制元件等。

機械方面：銑頭油缸、蝶形簧、齒輪齒條機構、傳動油缸、端面齒盤嚙合裝置等。

圖1 銑頭傳動結構

圖2 銑頭立臥轉換流程

首先從電氣控制方面入手，機床控制系統使用的是海德漢MILLPLUS 數控系統，進入I/O 界面，觀察銑頭夾緊、釋放所對應I/O 點。銑頭鎖緊裝置上有兩個位置檢測開關，E0-05B51、E0-05B71，通過感應感應塊來檢測油缸運動時所處的位置，同時把檢測信號放松到NC，兩個檢測開關依次對應I/O 點中的E88、E89，其具體關系如圖3 所示：

銑頭夾緊，信號檢測開關E0-05B51 亮，把信號輸入NC，I/O 點中E88 亮顯示；銑頭松開，信號檢測開關E0-05B71 亮，把信號輸入NC，I/O 點中E89 亮顯示；

手動進行銑頭松開、夾緊動作試驗，發現當NC 發出夾緊指令后，銑頭不能正常鎖緊，且I/O 點中E88 不亮，檢查I/O 點以及上述信號檢測開關均顯示正常。檢查控制松刀油缸的各電磁閥、繼電器、PLC、以及線路，一切正常，所以排除電氣方面的原因。

機械方面入手，拆卸旋轉銑頭步驟：首先拔掉定位銷，松開四個緊固螺釘，分開上下端齒盤，取出鎖緊裝置和傳動機構（圖4）。

由于此類銑頭特有的鎖緊裝置和定位裝置，根據其工作原理及結構形式依次檢查各部件，發現當銑頭處于鎖緊狀態時實際并沒有定位鎖緊，用手能推動銑頭，這說明蝶形簧出現問題。拆卸分解出蝶形簧，發現部分已碎裂，更換蝶形簧，重新安裝鎖緊裝置以及銑頭，然后進行銑頭夾緊釋放試驗，整個動作正常。

3.3 旋轉銑頭精度分析及調整

旋轉銑頭立臥轉換是由齒輪齒條機構、端齒盤嚙合裝置精密分度完成，齒輪、齒條及端齒盤上下端齒面位置變化會造成旋轉銑頭精度誤差，所以安裝調試后要進行幾何精度檢測和空間點誤差補償。若精度誤差很大，需要重新調整齒輪齒條及端齒盤上下端齒面齒位嚙合位置，達到恢復精度要求。

3.3.1 主軸軸線與導軌的平行度

銑頭立式狀態下主軸軸線與Z 軸的平行度：

修理前正母線：0.24 mm/300 mm，修理后正母線：0.006 mm/300 mm，滿足出廠精度允差0.02 mm/300 mm。

修理前側母線：0.16 mm/300 mm，修理后側母線：0.016 mm/300 mm，滿足出廠精度允差0.02 mm/300 mm。

銑頭臥式狀態下主軸軸線與Y 軸的平行度：

修理前正母線：0.26 mm/300 mm，修理后正母線：0.018 mm/300 mm，滿足出廠精度允差0.02 mm/300 mm。

修理前側母線：0.42 mm/300 mm，修理后側母線：0.012 mm/300 mm，滿足出廠精度允差0.02 mm/300 mm。

3.3.2 空間點檢測與參數補償

回轉中心檢測：打表找正標準刀具，記錄下找正后的RP Position（參考點位置）X、Y 值。用標準量塊找正Z 值，記錄找正后的RP Position Z 值。計算出RP Position X、Y、Z 值，分別補償進參數N503C、N515C、N527C。

圖3 銑頭夾緊信號顯示

圖4 銑頭分解

立臥轉換檢測及參數補償：檢測立式、臥式X 方向的偏差，記錄下立式、臥式X 方向的坐標值，將立式、臥式偏差值ΔX、ΔX/2 分別補償進參數N875C、N567C。檢測立式、臥式Y 方向的偏差，記錄下立式、臥式Y 方向的RP Position Y 值，將立式、臥式偏差值ΔY 補償進參數N876C。檢測立式、臥式Z 方向的偏差，記錄下立式、臥式Z 方向的RP Position Z 值，將立式、臥式偏差值ΔZ 補償進參數N877C，將ΔY/2-ΔZ/2 偏差值補償進參數N587C。

4 結束語

旋轉銑頭的精度修復與調整是一項繁雜而又需要細致精神的工作，需要對機械、電氣圖紙進行分析研究，找出故障所在，一步步進行拆卸、安裝、調試，直到滿足使用要求為止。在維修過程中，對維修說明書及參考資料學習，用到實際維修過程中去，對機械修理、精度調整、電氣調試進行深度研究，做到備件國產化，打破壟斷，起到降本增效的作用。