FOOKE 大型五軸加工中心五軸頭拆卸方法研究

彭雁峰，劉澤強(qiáng)

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

近年來大型高速五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心在航空航天、軍事科研、軌道車輛、船舶等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，該類設(shè)備五軸頭回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度高、精度高、穩(wěn)定性好，然而經(jīng)過長時(shí)間的使用運(yùn)行，五軸頭內(nèi)部的柔性傳動機(jī)構(gòu)、A/C 軸制動系統(tǒng)密封圈等零部件難免會因?yàn)槔匣p出現(xiàn)一些故障，造成設(shè)備不能正常運(yùn)行，此時(shí)需對五軸頭進(jìn)行拆卸檢修。

1 設(shè)備介紹

該大型五軸聯(lián)動加工中心由德國FOOKE 公司生產(chǎn)，其五軸頭為德國TRAMEC 公司AC6 型立式雙擺五軸頭。加工中心的五軸是指設(shè)備除X、Y、Z 三個(gè)直線軸以外，還配備A、C 旋轉(zhuǎn)軸，所有軸均通過CNC 統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)多軸插補(bǔ)運(yùn)行，其主軸前端回轉(zhuǎn)頭（即C 軸）可繞Z 軸360°旋轉(zhuǎn)，A 軸回轉(zhuǎn)頭可環(huán)繞X 軸旋轉(zhuǎn)±90°。主軸采用瑞士FISHER 公司HSK100 型高速電主軸，最大轉(zhuǎn)速為12 000 r/min。TRAMEC 五軸頭采用RTCP（Rotational Tool Center Point，旋轉(zhuǎn)刀具中心），能實(shí)現(xiàn)切削速度的精準(zhǔn)控制，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的靈活精確加工。該設(shè)備主要用于鋁合金車體的頂蓋總成、底架總成、邊梁等產(chǎn)品的整體加工，屬于關(guān)鍵設(shè)備。

2 技術(shù)難點(diǎn)

該設(shè)備因常年使用，A/C 軸制動系統(tǒng)由于密封元件的老化已出現(xiàn)滲油漏油現(xiàn)象，A/C 軸皮帶也已經(jīng)老化皸裂，影響到設(shè)備的正常使用，因此需對五軸頭進(jìn)行拆卸檢修。該五軸頭整體重量約500 kg，垂直高度約1.2 m，重心不平衡，無較好的支撐面固定，且五軸頭的拆卸涉及到840D 系統(tǒng)安全集成功能、A/C 軸和主軸驅(qū)動系統(tǒng)、主軸冷卻循環(huán)系統(tǒng)、供氣及液壓系統(tǒng)、刀具冷卻系統(tǒng)等部分，維修難度較大。現(xiàn)根據(jù)設(shè)備情況制定了以下兩種五軸頭現(xiàn)場落地檢修技術(shù)方案。

（1）系統(tǒng)上整體屏蔽五軸頭，通過自主設(shè)計(jì)檢修工裝將五軸頭與床身固定，然后將Z 軸滑枕與五軸頭分離，再將Z 軸升至安全距離，實(shí)現(xiàn)五軸頭落地。未斷電狀態(tài)下拆卸需屏蔽整個(gè)五軸頭的使能信號、液壓、啟動系統(tǒng)等。

（2）利用專用升降工裝進(jìn)行五軸頭的拆卸與檢修。由于進(jìn)口設(shè)備的技術(shù)保密性，在技術(shù)資料、技術(shù)圖紙都不完整的情況下，既無法屏蔽信號又無專用檢修工裝，如何拆卸檢修成為一大難題。主要介紹如何利用機(jī)床液壓系統(tǒng)現(xiàn)場拆卸五軸頭的方法。

3 處理思路

3.1 屏蔽A/C 軸和主軸

首選，采用屏蔽的方法最為方便快捷，屏蔽以后，對五軸頭做好可靠支撐，就可直接拆卸五軸頭，然后操控機(jī)床使Z 軸與五軸頭脫離，通過對機(jī)床控制邏輯的分析，修改系統(tǒng)參數(shù)和更改PLC 程序，反復(fù)多次嘗試，均以失敗告終。后經(jīng)了解，制造廠家的國內(nèi)售后服務(wù)部門也無法在操作系統(tǒng)上屏蔽整個(gè)A/C 軸和主軸的使能信號，因此無法使用該方案。

3.2 制作專用工裝

FOOKE 公司內(nèi)部使用的五軸頭專用檢修工裝為一個(gè)升降平臺，但由于技術(shù)保密無法獲得檢修工裝圖紙，因此需要自行測繪、設(shè)計(jì)和制造，并要求該檢修工裝有合適的受力面和足夠的抗壓強(qiáng)度。

3.3 利用機(jī)床液壓系統(tǒng)進(jìn)行拆卸

通過機(jī)床結(jié)構(gòu)、傳動控制、液壓系統(tǒng)分析，該設(shè)備Z 軸升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)為直線電機(jī)，無機(jī)械變速機(jī)構(gòu)。根據(jù)直線電機(jī)自身特性，直線電機(jī)不具備自鎖功能，在未上使能或斷電狀態(tài)下依靠外力可輕松移動；Z 軸導(dǎo)軌為直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上未安裝制動裝置；Z 軸平衡油缸帶有液壓制動裝置，平衡油缸制動裝置和平衡油缸升降為兩套單獨(dú)的液壓系統(tǒng)。平衡油缸升降是通過兩個(gè)獨(dú)立的儲能器實(shí)現(xiàn)壓力的自動調(diào)節(jié)。Z 軸平衡油缸的液壓制動裝置通過中心液壓系統(tǒng)控制。手動釋放平衡油缸制動裝置，連接手動液壓泵向平衡油缸升降系統(tǒng)注壓，通過平衡油缸壓力的大小變化實(shí)現(xiàn)Z 軸滑枕的升降，最終達(dá)到五軸頭與Z 軸滑枕脫離的目的，實(shí)現(xiàn)五軸頭的現(xiàn)場拆卸檢修。

4 實(shí)施步驟

4.1 檢修工裝測繪制作

測量五軸頭尺寸，選擇合適的受力支撐面，設(shè)計(jì)制作五軸頭檢修工裝。檢修工裝采用Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼焊接成型，在保證支撐強(qiáng)度的同時(shí)具有一定的性價(jià)比。將檢修工裝固定在工作臺合適的位置，移動設(shè)備，將五軸頭落在支撐工裝上。檢修工裝如圖1 所示。

圖1 檢修工裝

4.2 液壓系統(tǒng)分析

Z 軸平衡油缸制動系統(tǒng)和其他A/C/Y 軸夾緊等為一套液壓系統(tǒng)，制動系統(tǒng)在平衡油缸上帶有檢測感應(yīng)開關(guān)，在設(shè)備斷電或未上使能前為常閉狀態(tài)，上使能后自動打開。Z 軸平衡油缸的升降控制為另一套液壓系統(tǒng)，由單獨(dú)的無電機(jī)油泵提供動力源。采用手動液壓泵向內(nèi)注壓，依靠氣囊的壓縮和釋放提供動力。制動系統(tǒng)液壓原理如圖2 所示，平衡油缸液壓原理如圖3 所示。

圖2 制動系統(tǒng)液壓原理

圖3 中，平衡油缸工作壓力為9.6～12.3 MPa，機(jī)床自帶手動注油泵工作壓力可達(dá)20 MPa，可以滿足平衡油缸需要的工作壓力。

圖3 平衡油缸液壓原理

Z 軸平衡油缸制動系統(tǒng)局部液壓原理如圖4 所示，Z 軸平衡油缸制動系統(tǒng)打開壓力為9～16 MPa，通常使用的分體式液壓頂工作壓力為20 MPa，完全滿足制動打開的壓力要求。

4.3 配制油管轉(zhuǎn)接頭、測試

根據(jù)分體式液壓千斤頂?shù)妮敵鼋涌诔叽绾推胶庥透追钟团盘帲▓D4 中41）接口尺寸配制轉(zhuǎn)接油管和三通接頭，用以連接分體式千斤頂、分油排、壓力表，確保工裝與五軸頭已支撐牢靠，按下急停按鈕使液壓站停止工作，開始以下兩項(xiàng)測試：

圖4 Z 軸平衡油缸制動系統(tǒng)局部液壓原理

（1）首先通過泄壓口將平衡油缸升降液壓系統(tǒng)內(nèi)壓力卸掉，用干凈的容器將排出的液壓油裝好備用，當(dāng)壓力泄為0 MPa 時(shí)，將分體式千斤頂內(nèi)油液替換成機(jī)床液壓系統(tǒng)專用液壓油，再將液壓千斤頂連接到分油排上并接通測壓表，液壓頂連接分油排實(shí)物如圖5 所示。向平衡油缸制動系統(tǒng)內(nèi)注油，當(dāng)壓力達(dá)到最小工作壓力9 MPa 時(shí)，平衡油缸制動系統(tǒng)感應(yīng)開關(guān)接通提示燈亮，制動系統(tǒng)開始工作，Z 軸滑枕整個(gè)重量落在五軸頭支撐工裝上，分體式千斤頂泄壓后感應(yīng)開關(guān)接通提示燈亮，制動系統(tǒng)關(guān)閉，測試得出通過分體式液壓頂打開平衡油缸制動系統(tǒng)的方法可行。

圖5 液壓頂連接分油排實(shí)物

（2）將制動系統(tǒng)通過（1）中方法打開，再連接好平衡油缸升降系統(tǒng)的手動泵，開始向系統(tǒng)內(nèi)注油，注油期間將之前泄壓排出的液壓油過濾后陸續(xù)加入手動泵油箱，當(dāng)壓力逐漸上升時(shí)，Z 軸滑枕也開始緩慢上升。將手動泵的連接管路拆除，泄壓放出系統(tǒng)內(nèi)的液壓油，Z 軸滑枕開始緩慢下降。測試得出通過機(jī)床自帶手動泵控制Z 軸滑枕升降的方法可行。

以上兩步測試步驟的關(guān)鍵點(diǎn)在于五軸頭的可靠支撐和對平衡油缸升降系統(tǒng)進(jìn)行泄壓，如未有效支撐會導(dǎo)致Z 軸滑枕因制動打開后下墜；如未將壓力泄為0 MPa，會造成Z 軸滑枕由于平衡油缸升降系統(tǒng)內(nèi)部的壓力向正方向快速移動，易造成機(jī)械損傷事故。

5 五軸頭拆卸與安裝

5.1 五軸頭拆卸

切斷設(shè)備所有動能供應(yīng)，掛好停機(jī)牌，對供風(fēng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等進(jìn)行泄壓。對五軸頭所有連接動能線管路做好標(biāo)記后逐層進(jìn)行拆卸（圖6）。

圖6 拆卸過程

利用分體式液壓千斤頂，通過機(jī)床液壓系統(tǒng)分油排對兩個(gè)平衡油缸剎車系統(tǒng)進(jìn)行注油，注油前必須確認(rèn)五軸頭工裝已支撐牢靠，Z軸平衡油缸液壓系統(tǒng)已完全泄壓后，再松開剎車系統(tǒng)，拆卸五軸頭與Z 軸滑枕固定螺栓（圖7）。

圖7 平衡油缸液壓系統(tǒng)

通過機(jī)床自身手動注油泵對平衡油缸進(jìn)行注油，應(yīng)時(shí)刻注意手動泵油箱內(nèi)液壓油量，隨時(shí)進(jìn)行添加，帶動Z 軸滑枕緩慢上升，以達(dá)到五軸頭與滑枕脫離的目的，當(dāng)Z 軸滑枕與五軸頭完全脫離并達(dá)到一定高度后將連接Z軸平衡油缸制動系統(tǒng)的分體式液壓千斤頂泄壓，油缸制動Z 軸滑枕保持靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)可對五軸頭進(jìn)行檢修作業(yè)。

5.2 五軸頭安裝

拆卸檢修完畢后，開始對五軸頭進(jìn)行回裝。將Z 軸平衡油缸的制動系統(tǒng)注油釋放打開，通過平衡油缸升降系統(tǒng)手動泵連接口處泄壓口進(jìn)行泄壓，Z 軸滑枕緩慢下落，直到滑枕與五軸頭貼緊到位為止。下落期間注意五軸頭各零部件與滑枕內(nèi)部各線管情況，避免干涉損壞，完成后拆除分體式液壓千斤頂，恢復(fù)平衡油缸制動系統(tǒng)本身油管回路。

按所做標(biāo)識依次連接五軸頭與Z 軸滑枕內(nèi)部管路、線路，安裝五軸頭與Z 軸滑枕間的固定螺栓，連接完成后，檢查確認(rèn)無誤方可上電試機(jī)，上電后會報(bào)警“平衡油缸壓力過低”，此時(shí)通過手動注油泵對平衡油缸升降液壓系統(tǒng)進(jìn)行注油充壓，期間時(shí)刻注意手動泵油箱內(nèi)油量，當(dāng)壓力表顯示的壓力增加到10.7～12.3 MPa 之后，報(bào)警即可消除。

5.3 五軸頭精度檢查與系統(tǒng)調(diào)整

手動模式下運(yùn)行各軸，查看各軸運(yùn)行狀態(tài)是否正常，確認(rèn)各軸運(yùn)行正常以后，對A/C 軸以及Z 軸零位進(jìn)行重新校正。零位校正完成后，對刀庫的各個(gè)刀位松抓刀點(diǎn)位進(jìn)行重新校正，以保證各松抓刀位置正確，避免損壞刀爪等機(jī)械部件。

5.3.1 A/C 軸零點(diǎn)精度檢調(diào)

機(jī)床各軸返回參考點(diǎn)后，分別檢調(diào)A/C 軸零點(diǎn)位置（標(biāo)準(zhǔn)0.01 mm/400 mm）。如圖8 所示。需要手動調(diào)整A/C 軸的偏轉(zhuǎn)角度，將A/C 軸零點(diǎn)調(diào)整至合格，具體操作如下：

圖8 校準(zhǔn)A/C 軸零點(diǎn)

（1）裝好檢驗(yàn)芯棒（型號：HSK A100），在MDA 模式下執(zhí)行程序“G0 A0 C0”。將A、C 軸運(yùn)行至零點(diǎn)，架好百分表，將表頭頂在檢驗(yàn)棒側(cè)母線最高處。Z 軸上下緩慢移動，反復(fù)調(diào)整A 軸角度，使表針偏轉(zhuǎn)在0.01 mm 內(nèi)，校準(zhǔn)A 軸零點(diǎn)。

（2）MDA 模式下執(zhí)行程序“G0 A0 C90”。將A、C 軸運(yùn)行至程序設(shè)置的角度，架好百分表，將表頭觸在檢驗(yàn)棒側(cè)母線最高處。Y 軸左右緩慢移動，反復(fù)調(diào)整C 軸角度，使表針偏轉(zhuǎn)在0.01 mm 內(nèi)，校準(zhǔn)C 軸零點(diǎn)。

記錄此時(shí)A/C 軸坐標(biāo)值，將該值與A/C 軸參數(shù)MD34090（1）中的設(shè)定值相加后，重新輸入至MD34090（1）中，系統(tǒng)NCK RESET 后生效。然后設(shè)備重新上電，各軸返回參考點(diǎn)，再次檢驗(yàn)A/C 軸精度是否合格。

5.3.2 五軸偏移矢量檢調(diào)

（1）五軸坐標(biāo)偏移矢量的檢調(diào)關(guān)鍵是A 軸臂長的測量，如圖9 所示，步驟如下：①選用并固定千分表，使五軸頭當(dāng)前處于C0、A0 位置；②用手輪搖動主軸端面與千分表接觸，千分表對零，記錄此時(shí)的Z 軸機(jī)床坐標(biāo)Z1，如圖9 中1 所示；③主軸中裝入檢驗(yàn)棒，五軸頭處于C0、A90 位置，用手輪搖至檢驗(yàn)棒下母線最低點(diǎn)與千分表接觸，示數(shù)歸零，記錄此時(shí)的Z 軸機(jī)床坐標(biāo)Z2，圖9 中3 所示；④計(jì)算臂長L=Zl-Z2+D/2；D 為檢驗(yàn)棒直徑。

圖9 五軸坐標(biāo)偏移矢量的檢調(diào)

（2）將獲得的A 軸臂長L 代入五軸轉(zhuǎn)換1 的偏移矢量和五軸轉(zhuǎn)換1 激活時(shí)基本刀具矢量參數(shù)中；將臂長L 的實(shí)測值輸入到相應(yīng)的參數(shù)24500（2），24550（2）中，在西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)中，24500（2）含義是五軸轉(zhuǎn)換1 的偏移矢量，24550（2）含義是五軸轉(zhuǎn)換1 激活時(shí)的基本刀具矢量。

6 結(jié)語

本次維修在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)欠缺的情況下對進(jìn)口加工中心五軸頭進(jìn)行完全自主拆卸，成功解決檢修工裝和多系統(tǒng)集成檢修的問題，提供一種利用機(jī)床液壓系統(tǒng)拆卸五軸頭的新思路，節(jié)省數(shù)萬元的維修費(fèi)用，縮短維修周期，獲得豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)與巨大的經(jīng)濟(jì)效益，對相同類型設(shè)備的五軸頭檢修有很大的借鑒意義，具有一定的推廣性。