A/C雙擺角銑頭C軸精度控制技術研究與應用

謝靖超

(航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，四川 成都 610091)

五軸數控機床是眾多復雜和重要裝備的工業(yè)母機，一直是國家重點關注的戰(zhàn)略機器。在“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項持續(xù)推進的作用下，我國高檔五軸數控機床實現(xiàn)了從無到有的階段性突破，并逐漸進入精密、高效加工的深水區(qū)。隨著各種高精密、超精密零件加工需求越來越大，對五軸數控機床的加工精度和加工效率提出了越來越高的要求。

A/C雙擺角銑頭機床，作為五軸數控機床的典型結構類型，用來加工各種大型復雜結構類型零件，應用普遍，加工效率高，如何保證機床高精度加工零件，只是單靠線性軸定位精度已無法保證，擺角精度有問題可能出現(xiàn)緣條尺寸超差、零件過切、表面臺階以及接轉角殘留等現(xiàn)象，嚴重影響零件加工質量。擺角精度包括旋轉軸幾何誤差及動態(tài)加工誤差，幾何誤差取決于旋轉軸制造精度及安裝調試精度，調整完畢一般不容易發(fā)生變化；動態(tài)加工誤差包括旋轉軸運行過程的反向間隙、旋轉軸零點定位及擺角全角度定位精度，動態(tài)誤差更容易受到日常加工影響及外界因素影響，更容易發(fā)生變化，從而引起加工精度降低，造成零件質量問題。本文通過對更容易發(fā)生變化的動態(tài)加工精度進行誤差源分析及檢測補償研究，利用高精度檢棒及激光干涉儀配合XR20回轉軸校準儀，通過自制工裝實現(xiàn)C軸全角度誤差檢測及補償。誤差補償前后均進行了標準“S”形試件加工，精度檢測結果表明研究取得顯著效果，從而驗證了A/C雙擺角銑頭機床C軸精度控制技術的可行性和有效性，實現(xiàn)了大型飛機結構件高效、高精加工的重要技術要求。本文所有補償均以SINUMERIK 840D系統(tǒng)為例。

1 C軸精度控制技術研究

1.1 C軸反向間隙調整

通過對A/C雙擺角銑頭C軸傳動結構分析，C軸傳動均采用蝸輪蝸桿傳動，長期使用過程中蝸輪蝸桿磨損，從而產生間隙，該間隙導致C軸在運行過程中出現(xiàn)旋轉不到位，C0偏移、抖動等現(xiàn)象，針對該問題，通過對蝸輪蝸桿結構分析，研究發(fā)現(xiàn)該蝸桿為雙蝸桿傳動如圖1所示，可以通過調整雙蝸桿之間的調整墊片及蝸輪蝸桿預緊來消除間隙。

1.2 C軸零點定位精度保證技術

間隙調整及測量系統(tǒng)維護后，必須對C軸零點定位進行補償，確保C軸零點絕對準確，避免因為C軸零點偏移而導致的零件質量問題。

1.2.1C軸零點定位精度檢測

(1)主軸裝入芯棒。

(2)如圖2所示,機床執(zhí)行程序：

TRAFOOF

G01F1000

A90 C0

M2

(3)沿X方向架表，移動Z軸找到芯棒最高點。

(4)移動X軸保證百分表壓表量0.2 mm。

(5)移動Y軸分別移動到芯棒最近端與最遠端，記錄兩個位置的百分表讀數分別為：ΔC1、ΔC2及Y軸坐標位置Y1、Y2。

(6)計算C軸零點定位誤差ΔC3，

1.2.2C軸零點定位精度補償

(1)根據檢測出的C軸零點定位誤差ΔC3，對C軸原點偏移ΔC3，確保C軸零點誤差在0.02 mm/Δ200 mm范圍內。

(2)計算C軸零點誤差補償值ΔC補，以西門子840D系統(tǒng)為例：

ΔC補=ΔC±ΔC3

式中：ΔC為機床系統(tǒng)原有MD34090[1]數值。ΔC補為調整后需要輸入到MD34090[1]的值。±表示，C零點偏移在C旋轉正方向時-，在C旋轉負方向時+。

(3)將ΔC補數值輸入機床對應軸的軸參數MD34090[1]里面，按【set MD to active】生效。

(4)復查C軸零點定位精度在0.02 mm/200 mm范圍內。

1.3 C軸定位精度保證技術

A/C雙擺角銑頭機床，用來加工各種大型高精度復雜結構類型航空結構件。在我國的航空制造業(yè)中，絕大多數企業(yè)依然使用最原始的檢測方法，利用芯棒檢測C軸4個特殊角度C0°、C90°、C180°、C270°定位精度，如圖3所示。

通過4個角度誤差值來評價C軸精度狀態(tài)，使用基礎的數控補償功能對部分誤差進行補償，從而達到局部改善數控機床加工精度的目的，

但該方法無法進行任意角度的測量，定角度檢測對于評價分析C軸定位精度不夠全面，更無法準確檢測C軸各位置的定位精度，導致由于C軸定位問題而產生的零件質量問題故障頻發(fā)，嚴重限制飛機結構件加工精度和效率。

1.4 C軸全角度定位精度檢測

通過對A/C雙擺角結構原理分析，充分利用機床C軸與主軸同心的結構原理，自主設計工裝夾具，利用激光干涉儀配合現(xiàn)有轉臺測試儀，實現(xiàn)垂直C軸任意角度定位精度檢測及補償。圖4為C軸定位精度現(xiàn)場檢測圖，相比原始檢測方法，該方案檢測精度高、效率高，有效提升五軸橋式機床C軸定位精度及零件加工安全系數，保證機床始終處于高精度加工狀態(tài)。

1.5 C軸定位精度補償

C軸定位精度檢測，利用雷尼紹雙頻激光干涉儀XL-80配合XR20轉臺測試儀，實現(xiàn)C軸全角度檢測，定位精度補償的基本原理是將數控機床某軸的指令位置與高精度位置測量系統(tǒng)所得的實際位置相比較，計算出在全行程上的誤差分布曲線，將誤差輸入數控系統(tǒng)中，當控制該軸運動時，數控系統(tǒng)會自動考慮該差值并加以補償，有效提高機床定位精度,具體補償步驟如下：

(1)修改軸參數MD32700[1]=0，取消C軸螺距誤差補償生效。

(2)利用激光干涉儀配合轉臺測試儀，以30°間隔，起始點-360°，終止點360°，測試全行程點位誤差值。

(3)將軟件分析的補償值輸入C軸螺距誤差補償列表，如圖5所示。

(4)AUTO模式加載該補償程序，執(zhí)行該程序。

(5)修改MD32700[1]=1，補償生效。

(6)再次利用激光干涉儀配合轉臺測試儀進行驗證。

2 應用驗證

以某國產高速A/C雙擺角銑頭為驗證對象，對其C軸進行間隙機械調整、零點定位補償后對比如表1所示。

表1 調整前后精度對比表

利用雷尼紹雙頻激光干涉儀配合轉臺測試儀，起始位置-360°，終止位置360°，測量間距30°對C軸角度定位進行全角度檢測及補償，檢測結果如圖6、圖7所示：

所有精度調整完成后對其進行標準“S”形試切件加工，通過試切“S”試件可以反映出五軸數控機床的多項精度指標。目前大型飛機結構件加工允許尺寸公差范圍大多數均為±0.1 mm，而國際標準“S”試件公差范圍為±0.05 mm，因此通過對標準“S”件加工，可以有效檢驗該機床的動態(tài)加工精度是否能滿足加工需求，充分驗證了C軸精度控制的可行性和有效性。補償前后試切標準“S”試件測量結果對比如圖8所示，通過對A/C雙擺角銑頭C軸精度的控制研究，可以將S試件的最大加工誤差改善30.9%，平均誤差改善24.4%。

3 結語

本文旨在解決面向復雜飛機結構件加工的A/C雙擺角銑頭機床高效、高精加工中的C軸精度保證的難點問題，針對實際加工中引起零件加工質量的C軸精度問題進行刨根溯源的分析，通過對引起C軸精度變化的誤差源進行逐一分析，將誤差源分為幾何誤差和定位誤差，針對各項誤差制定機械調整、參數補償等方案，理論結合實際，將C軸精度控制在合理范圍內，有效提高機床加工精度及零件加工質量。