摘要：針對多主軸機床加工管板類零件時遇到的問題，以我公司生產(chǎn)的GDC6080mf（4主軸）龍門銑鉆床為例，結(jié)合為客戶解決問題積累的經(jīng)驗，闡述解決辦法。

 

 

 

 

　　多主軸龍門式數(shù)控銑鉆床是我公司專門為鍋爐、制冷、石化及電站等行業(yè)管板類零件鉆孔加工開發(fā)的數(shù)控機床。已研發(fā)出2個、4個和6個主軸的機床，下一步將研發(fā)更多主軸的機床。

 

　　由于機床具有多個主軸，從而縮短了客戶零件的加工時間，節(jié)省人力，減輕工人的勞動強度，提高客戶的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟效益。

 

　　然而該類機床在加工管板類零件時存在以下問題：①板類零件裝夾時，工件中間必須有輔助支撐及夾壓點，且夾壓點必須借用工件上的孔，但工件裝到支撐座上后，支撐座看不到，支撐點位置無法確定。② 機床具有多個主軸， 各軸需要具有統(tǒng)一的坐標(biāo)系，如何建立并統(tǒng)一坐標(biāo)系。③如何保證多個主軸加工工件時同步運動。④工件上成千上萬的孔如何分配到各個主軸，且保證各個主軸加工時互不干涉。下面就各問題解決方法進行說明。

 

　　1.零件及支撐坐標(biāo)系的建立及統(tǒng)一

 

圖1中類似于跳棋棋盤的工件為作者設(shè)計的試件， 零件尺寸為4 600mm×4 400mm，用GDC6080mf機床加工，工作臺8 000mm×6 000mm。裝夾時工件四周用壓板夾緊，如果工件中間部分不設(shè)夾壓點，鉆孔時，試件受載荷而變形，切削時出現(xiàn)噪聲。加工孔的孔壁表面粗糙度值達不到圖樣要求，因此在圖1中設(shè)定實心圓為輔助夾壓點，輔助夾壓點的位置根據(jù)機床工作臺T形槽間距以及管板上孔的分布特征確定，一般為菱形排布，間距500～700mm，這些點也是零件要加工的點，裝夾點的位置由工藝部門確定。

 

　　模擬試件擺放如圖2所示，在CAD中將試件移動到工作臺上，盡量使更多的輔助夾壓點處于T形槽上或靠近T形槽。在工作臺右端中間位置設(shè)置一個參考點A（理論上A點位置多樣，位于機床任意一個主軸能移動到的位置均可），在確定輔助支撐位置時的坐標(biāo)系中，以A點為坐標(biāo)原點，坐標(biāo)系的X軸和Y軸分別為機床X向和Y向，零件裝夾后，零件坐標(biāo)系也以A點為坐標(biāo)原點，以機床X向和Y向為工件坐標(biāo)系的X軸和Y軸，這樣兩個坐標(biāo)系就統(tǒng)一起來了。

圖1 試件

圖2 試件裝夾圖

 

　　在CAD圖中測量各輔助夾壓點相對于A點的距離，確定各輔助夾壓點位置，例如圖2中B點，相對于A點的坐標(biāo)為（3 490.82，580）。編寫一個主軸加工工件上所有輔助夾壓點的程序。

 

　　在車間現(xiàn)場，先在工作臺右端最后一個T形槽的中間位置固定一個圓柱形參照物（必須能找__A點中心）。使用機床中間兩個主軸2號、3號中的任意一個（見圖3），1號和4號主軸移動不到對面工作臺的邊緣。找A點中心后， 在主軸夾持一把刀具（ 鉆頭、U鉆均可），按先前編的程序移動機床至各個支撐點處，調(diào)整好各支撐座的位置并固定。

 

　　例如確定B點支撐：機床主軸不轉(zhuǎn)，只走坐標(biāo)到點（3 490.82，580），手動轉(zhuǎn)主軸，調(diào)整支撐座位置，Y向調(diào)整支撐座，X向調(diào)整壓板，使壓板螺紋孔中心和刀尖對應(yīng)，然后固定支撐座。支撐座位置確定后安放墊圈。吊裝工件，按工藝設(shè)計的位置放置，四周用壓板壓緊；按單主軸鉆孔程序加工輔助支撐點的孔，最后安裝夾具。

 

　　由于支撐座所在的坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系統(tǒng)一，因此所鉆的孔和支撐座位置一一對應(yīng)，通過引入一個人為的坐標(biāo)系（非機床坐標(biāo)系），可合理解決輔助夾壓問題。

 

　　2. 多主軸坐標(biāo)系統(tǒng)一

 

機床的滑枕和托板的寬度限制了各主軸間距，各廠機床存在差異，在編程時需要注意。我公司的GDC6080mf（見圖3）相鄰主軸最小間距為650mm，編程時需再留30mm的安全距離。上述中，基準(zhǔn)點A可以位于機床任意一個主軸能移動到的地方，若考慮將4個主軸的坐標(biāo)系也統(tǒng)一到支撐座所在的坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系中，那么A點就只能位于工作臺中間位置，保證 4個主軸都可移動到A點對刀。其目的是保證坐標(biāo)系的統(tǒng)一，且機床使用一段時間后，機床各軸定位可能會發(fā)生少許誤差，因此精度變化的主軸可再到A點對刀。

 

圖3 GDC6080mf龍門銑鉆床

 

　　還有一種方法，用4個主軸分別對同一個孔或外圓測中心進行對刀，相鄰兩個主軸之間的坐標(biāo)差就是兩個主軸之間的實際距離，所以任意一個主軸在A點對好零點后，其他主軸可直接按測出的距離確定坐標(biāo)值。在此方法中，A點的位置和第一節(jié)相同。

 

　　3. 保證多個主軸加工工件時同步運動

 

經(jīng)過多臺機床試驗， 在程序中多個主軸的進給速度完全相同，且每行孔的起始位置均添加等待命令，然而隨著加工孔的個數(shù)增多，各個主軸的運動方向及位置就會出現(xiàn)差異。通過調(diào)整電動機參數(shù)可能能解決這個問題，然而多次試驗，各個主軸的運動始終無法統(tǒng)一，因此在調(diào)整電動機參數(shù)效果不再明顯的情況下，通過程序也可解決這個問題。

 

　　例如下面一個程序段，4個主軸機床，系統(tǒng)為西門子840D。

 

　　1號主軸程序：

　　START(2,3,4)

　　S3000M03

　　G17 G90 G0

　　G54X5897.246Y1667.500

　　WAITM(0,1,2,3,4)

Z10

F120

M07

G0X5897.246Y1667.500

WAITM(1,1,2,3,4)

MCALL CYCLE82(50,0,5,-45,,0)

Y1653.000

MCALL

WAITM(2,1,2,3,4)

MCALL CYCLE82(50,0,5,-45,,0)

y1624.000

MCALL…

 

2號主軸程序：

S3000M03

G17 G90 G0 G54Y792.500

WAITM(0,1,2,3,4)

Z10

F120

M07G0Y792.500

WAITM(1,1,2,3,4)

MCALL CYCLE82(50,0,5,-45,,0)

Y783.000

MCALL

WAITM(2,1,2,3,4)

MCALL CYCLE82(50,0,5,-45,,0)

Y754.000

MCALL

 

3號主軸與4號主軸的程序和2號主軸類似。

 

　　通過在每加工一個孔后增加一個等待命令，每行孔的起始位置也增加等待命令，可以有效地圖3 GDC6080mf龍門銑鉆床解決4個主軸的同步問題。

 

　　4. 管板零件上的孔分配到各主軸加工的編程原理

 

　　對于管板類零件上有幾千甚至幾萬個孔，用普通編程顯然不行，需要借助其他編程語言從CAD圖直接生成加工程序，下面簡單介紹編程原理。

 

　　（1）按區(qū)域劃分各主軸加工區(qū)域。如圖4所示，按以下步驟考慮編程：

 

　　①框選孔區(qū)寬度d，在電子圖中將管板上有孔的區(qū)域全部框選（框選區(qū)域比實際孔區(qū)稍大，因為軟件捕捉圓心時邊緣孔可能丟失）。

 

②確定實際的d值，因為相鄰主軸之間有最小距離限制，我公司的GDC6080mf設(shè)定為680mm，所以對孔區(qū)寬度d要求是，若d≥2 720（680×4）mm，按d計算；若d＜2 720mm，對d重新賦值，按d＝2 720計算。

 

　　③ 計算各孔與基準(zhǔn)點的相對坐標(biāo)。在CAD中捕捉各被加工孔的圓心坐標(biāo)和基準(zhǔn)點A的坐標(biāo)，兩者相減得到各被加工孔相對于A的坐標(biāo)。例如圖2中，捕捉到A（27 277.70，10 738.51），B（21 786.88，10 158.51），用B點坐標(biāo)減去A點坐標(biāo)，得到編程時需要的B'點的坐標(biāo)（3 490.82，580），也是B點相對于A點的坐標(biāo)。

 

　　④確定各主軸加工區(qū)域，假設(shè)被加工孔中，Y軸相對坐標(biāo)最大和最小的兩個孔分別為M1（a1，b1）、M2（a2，b2），它們也是Y方向離的最遠(yuǎn)的孔，那么d＝b1－b2，因此按相對縱坐標(biāo)將區(qū)域劃分：1號主軸加工區(qū)域b1－d/4＜X1＜b1（凡是各孔相對于A點的縱坐標(biāo)在b1－d/4＜X2＜b1之內(nèi)，均由1號主軸加工），如圖4所示黃色區(qū)域；2號主軸加工區(qū)域d/2＜X2≤b1－d/4，如圖4所示紅色區(qū)域；3號主軸加工區(qū)域b2＋d/4＜X3≤d/2，如圖4所示綠色區(qū)域；4號主軸加工區(qū)域b2＜X4≤b2＋d/4，如圖4所示青色區(qū)域。

 

　　⑤特殊點的區(qū)域限定，假設(shè)捕捉到的點恰好位于分割線上，那么它屬于相鄰的這兩個區(qū)域任何一個均可，只需在程序中設(shè)定，例如2號主軸加工區(qū)域d/2＜X2≤b1－d/4，也可以是d/2＜X2＜b1－d/4，只是1號主軸加工區(qū)域需做出相應(yīng)修改。

　　

　　⑥編程，注意不是所有區(qū)域都有孔，所以編程時，有時只需個別主軸加工，其他主軸隨動。只是加工孔時，Z軸無進給，處于等待狀態(tài)。

 

　　（2）按每行孔個數(shù)劃分各主軸加工區(qū)域。此方法具有一定的局限性，本文不予詳述，其原理如圖5所示，先確定每行孔需要加工的個數(shù)，然后平均分配到每個主軸上加工，其中存在兩個問題：

 

①假設(shè)某行孔很少，如圖5中a行，且該行最遠(yuǎn)距離的兩個孔之間距離不大于680mm，那么就用一個主軸加工；如果距離大于680mm，可以用兩個或多個主軸加工。

 

②假設(shè)某行孔較多，如圖5中b行，先平均分配到4個主軸上，假設(shè)有余數(shù)，那就按余數(shù)每個主軸從1號到4號各加一個孔。

 

　　此方法適用于主軸扁小的機床，或者管板零件尺寸較大的零件加工。

 

　　通過其他編程語言編寫軟件，從CAD圖直接生成加工程__序。將程序?qū)霗C床系統(tǒng)，那么接下來加工零件就變得簡單了。

圖4 按區(qū)域劃分主軸加工區(qū)間原理圖

圖5 按孔劃分主軸加工區(qū)間原理圖

 

　　5. 結(jié)語

 

對于管板類零件的加工，需要將輔助支撐（夾具）坐標(biāo)系和零件坐標(biāo)系進行統(tǒng)一，在機床工作臺上設(shè)定參考點，確定支撐座位置，預(yù)鉆工件上的裝夾孔，才能使所鉆的孔和支撐座位置吻合，再將各主軸的坐標(biāo)系統(tǒng)一到這個坐標(biāo)系中，保證各主軸所鉆的孔對接后不錯位，保證零件的幾何精度，方法簡單實用。用程序保證多主軸同步加工可以減少振動，提高孔壁質(zhì)量。此外，本文還敘述了從CAD圖直接生成加工程序的一種編程思路，按區(qū)域分配法較為合理的將管板上的孔分配到各個主軸加工，避免各主軸靠近引起的機床報警，有效地提高了加工效率。

 

 

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?金屬加工原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請注明。

?作者：中信戴卡股份有限公司 安 崗。原文刊登于《金屬加工（冷加工）》2016年第23期，第62~65頁，金屬加工版權(quán)所有。