机床功能设计中的“等效”思想.pdf

Products&Technology产品与技术WMEM2023年 第4期机床功能设计中的“等效”思想北京工研精机股份有限公司 肖 博 刘贺强 吴同宣 于光旭 张 胤【摘要】应用“等效”思想，将主轴的热伸长转化为Z轴的移动，双层刀库分度转化为平面刀库分度，刀库的装卸刀分度转化为备刀分度，双工位的呼叫控制转化为刀具呼叫控制，防碰撞设计中B轴转台的角度由 0，360转化为0，45或0，90。通过合理的转化，可大大降低问题的难度，进一步提高动作可靠性。本文通过列举实例，介绍“等效”思想在机床功能设计中的应用，以期抛砖引玉。1.主轴热伸长补偿在数控机床中，由于主轴是切削动力轴，在加工过程中会产生很多热量，被视为机床体内的重要热源。温度变化往往会导致主轴在长度方向上的变形，进而影响Z轴方向上的加工精度。对于精密型机床而言，单纯从机械设计上采取隔热、散热的措施是远远不够的，还必须对主轴的热伸长误差采取补偿措施，这样才能进一步减小主轴的热变形对机床精度的影响。主轴的伸长量是客观存在，并且无法瞬间消除该伸长量，若将主轴的伸长量产生的不良影响通过Z轴的移动来消除，这便是典型的“问题转化”。一个可行的方法是：基于“扩展的外部机械原点偏移功能”，通过对Z轴机械原点进行偏移，达到对主轴热伸长进行补偿的目的。通过试验的方法，事先获取“主轴温升-伸长量”之间的数学曲线。测量实时的温升，并根据“主轴温升-伸长量”之间的关系，求得主轴对应于当前温度的伸长量，即误差值。误差值是多少，Z轴机械原点就偏移多少。该方案的技术路线如图1所示。图1 主轴热伸长补偿技术路线再比如，基于机床21项几何误差进行空间误差补偿时，刀尖点和与之对应的工件加工点之间往往存在偏差，并且该偏差为空间矢量偏差。通过转化，将该矢量偏差分解到各个轴向，那么消除偏差的问题，就转化为各轴向的“分量移动”问题。数控系统对各个轴重新进行脉冲的分配，使得刀尖点的空间误差得以纠正，精度得以提高1。初稿.indd 62初稿.indd 622023/8/23 16:22:542023/8/23 16:22:54Products&Technology产品与技术2023年 第4期WMEM 2.双层刀库分度 图2 双层刀库及投影双层刀库，分为大小两盘，固定在同一根旋转轴上，该旋转轴和电机之间通过齿轮啮合传动。如图2所示，小盘转动一个刀套，相应地，大盘转动两个刀套。乍一看，上下两层刀库传动比不一致，似乎没有较好的切入点。（1）投影法这里，应用“投影法”，沿着旋转轴的轴线方向，对该双层刀库进行投影,在投影面上可得同心的小圆和大圆，见图2。小盘对应小圆，且其刀套的投影均布于该小圆。大盘对应大圆，且其刀套均布于该大圆。无论是小盘的投影，还是大盘的投影，投影面上的刀套投影均对应于唯一的圆心角。这样，双层刀库的分度问题就“转化”成了位于投影面上的投影刀套的分度问题，即将刀库分度问题由立体空间转化到了二维平面。平面刀库的分度问题是一个常见的问题，具有成熟的解决方案。由此，便可以基于角度定位的思路来呼叫T代码，思路简洁明了。（2）刀库分度比如，可由一个伺服电机进行分度，刀库轴为一个I/O LINK轴。利用FANUC系统提供的Power Mate CNC管理功能对I/O LINK轴进行控制，从而实现特定的运动2。通过PMC对功能代码进行设置，应用绝对指定的定位功能。把分度刀套的机械坐标赋值于相应的指令数据Y0090。这里应用到了“二进制代码转换功能指令CODB3”。如图3所示，分度刀套号为3时，“转换数据输入地址R0900”为2，即表地址为2，那么相应的数据表值2000被存入到“转换数据输出地址Y0100”中。换言之，分度刀套号为3时，则相应的机械坐标值2000被赋值于指令数据Y0100。图3 CODB指令的刀库分度实际上，“二进制代码转换功能指令CODB”还可以用“数据表”来实现，转换数据输入地址R0900对应于表内号，分度刀套的机械坐标对应于数据表的“数据”。双层刀库分度的本质就是一个轴的定位问题，而不论刀库有多少层。一个刀套对应一个定位位置，而不论刀套是否均布，因此，也可为大小刀套的设计提供一种可行的思路。3.装卸刀分度图4 装卸刀位与备刀位如图4所示630H卧加刀库，其装卸刀位的空间位置是固定不变的。生产线管理中，在装卸位进行刀具的装卸载是比较常见的操作。比如，在对刀套40进行装卸刀具时，需要实现操作1将刀套40分度至装卸位。然而，通常的刀库分度动作，指定的刀套号被分度到的位置并不是装卸位，而是备刀位，因而实际进行操作2将相应的刀套15分度至备刀位。初稿.indd 63初稿.indd 632023/8/23 16:22:542023/8/23 16:22:54Products&Technology产品与技术WMEM2023年 第4期即，刀套15分度至备刀位时，恰好就将刀套40移动至装卸位。也就是说，将“操作1”进行了转化，转化成了“操作2”。该转化避免了对刀库轴进行重新设零或者零点偏置的操作，思路清晰，并且易于模块化处理，简单便捷。其中装卸位刀套a和备刀位刀套b之间的对应关系如表1，梯形图如图5，其中，D0024为用于接收数据a的地址，Y0073为分度功能的指令数据。图5 装卸刀分度的转化表1 装卸刀套的转化4.双工位托盘呼叫图6 双工位如图6所示为一种常见的双工位部件，也称为“扁担式”。在自动方式下可由M60实现托盘交换。执行M60时，自动呼叫APC动作的宏程序O9001。通常的控制思路是：只要执行一次M60,便进行一次自动旋转交换。但是，如果在执行自动加工程序之前，人为进行了托盘的交换动作，就会导致托盘的物理位置与加工程序的不统一，进而出现“误加工”现象，可能会给机床和工件造成一定程度的损坏。采用等效思想，将双工位交换动作等效为自动换刀动作：呼叫哪一把刀具，该把刀具便被交换到主轴。如果所呼叫刀具恰好已经在主轴上了，则不进行换刀动作。因此，在这里不妨设计两个M代码：M109 和M119，用来区分两个托盘，如图7所示的梯形图。交换双工位的编程就不再是单独的代码M60了，而需要进行两个托盘的分初稿.indd 64初稿.indd 642023/8/23 16:22:552023/8/23 16:22:55Products&Technology产品与技术2023年 第4期WMEM 别呼叫，并且置于加工程序之前，如下格式：M109M60或者M119M60如此转化，双工位交换更加可靠，容错能力更强。当然，需要注意的是，两个托架与两个托盘之间是一一对应的关系，不可以人为改变其对应关系。图7 分别呼叫M109和M1195防碰撞设计中的等效角度（1）机床的干涉区这里800H 卧加的转台规格为“800800”。如果B轴转台在任意角度位置，当Z轴立柱和B轴转台之间刚要发生干涉时，Z轴有一个具体的坐标值与B轴位置相对应，如图8所示。基于此，建立数据表，数据的个数为360，B轴的每一度对应一个Z轴的坐标值。此时B轴的角度即为数据表的表内号，Z轴的坐标值即为与表内号所对应的数据。已知B轴当前的实际坐标值，进而检索出数据表中所对应的Z轴的坐标值，并以之和实际的Z轴坐标相比较，进而判断动态干涉情况，以便进行防碰撞保护处理。技术路线如图9所示。图8 干涉区 图9 防碰撞技术路线（2）等效角度根据平面几何关系，通过观察可知：对于B轴的任一角度0，360，总能找到一个等效角度0，45，使得对于该干涉区问题而言，与是完全等效的。等效角度无疑会大幅度压缩数据表的容量，即数据表的表内号大大减少，进而降低PLC复杂度，且设置参数时，不易出错，给调试工作带来不少方便。因此，求解等效角度是该方案的关键问题。（3）等效角度算法对于B轴的任一角度0，360，这里采用除以45。45=商数余数其中：商数为0，1，2，3，4，5，6，7，可以反映出大小，或者终边所在的位置。这里的余数记作0，45，直接决定了等效角度的值，其中，和之间的数学关系如表2所示。表2“800800”转台等效角度 初稿.indd 65初稿.indd 652023/8/23 16:22:552023/8/23 16:22:55Products&Technology产品与技术WMEM2023年 第4期（4）“1200800”转台的等效角度 图10 1200800转台同理，对于规格为“1200800”的转台，总能找到一个等效角度0，90，使得对于该干涉区问题而言，与是完全等效的。对于B轴任一角度0，360，这里采用除以90。90=商数余数其中：商数为0，1，2，3，可反映出的大小，或者终边所在的位置。余数为0，90），直接决定了等效角度的值，其中，和之间的数学关系如表3 所示。表3“1200800”转台等效角度 6.总结在机床的功能设计中，尤其是在机床电气的设计调试中，常常会遇到各种各样的问题。有些问题，可以直接处理；有些问题，若采用“直接法”，可能会十分的复杂，十分的繁琐，甚者无解。这时，如果能根据具体情况，采用等效的思维，进行“问题转化”，则困难可以快速化解，具有“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”的良好效果。本文是以FANUC系统为例进行说明的，其他数控系统也是同样的道理。北一机床超重型数控龙门车铣复合机床投产开机仪式在大明国际举行资 讯参考文献：1肖博 田文杰 任海涛 马春年.机床空间误差补偿技术研究J.制造技术与机床,2017（4）:154.2 BEIJING-FANUD 0iD/0i-Mate D简明联机调试资料:1383PMC PROGRAMMING MANUAL B-64513EN/03:452第一作者：肖博，男，1979年生，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向：机床电气控制与调试7月25日，北京京城机电控股有限责任公司（简称“京城机电”）党委书记、董事长阮忠奎，京城机电副总经理、北京北一机床有限责任公司（简称“北一机床”）党委书记、董事长李忠波等一行，赴江苏无锡大明国际控股有限公司调研，并出席北一机床数控车铣复合机床投产开机仪式。开机仪式上，阮忠奎、李忠波、大明国际董事会主席周克明、大明国际常务副总裁钱立分别致辞。此次成功投产的北一机床XKA28120200超重型数控龙门车铣复合机床重达1160吨，可实现宽度12米、长度20米、高度7米的大型框架类零件，以及直径12米的回转类零件车铣复合加工，机床配备了国内先进的3米行程大截面机床滑枕，机床配置宽度为11米的工作台刷新了北一机床工作台制造纪录。该机床加工精度高，稳定性好，可实现一次装夹完成五面加工，解决了机床龙门通过宽度超大、超宽以及超重型机床横梁参与进给加工的技术难题，让客户在设计端实现其产品的技术先进性和加工工艺高效性，为大明重工提供了更加全面和先进的加工制造解决方案。（来源：北一机床）初稿.indd 66初稿.indd 662023/8/23 16:22:552023/8/23 16:22:55