五軸機(jī)床對(duì)機(jī)床裝備制造業(yè)意義非凡，RTCP功能是衡量五軸機(jī)床性能的重要指標(biāo)。在執(zhí)行RTCP過程中，由于旋轉(zhuǎn)軸的加入，需要對(duì)直線軸進(jìn)行非線性補(bǔ)償，因此旋轉(zhuǎn)軸和直線軸的伺服動(dòng)態(tài)特性需要進(jìn)行測(cè)定和調(diào)整，才能保證加工動(dòng)態(tài)精度。本文對(duì)RTCP原理進(jìn)行了簡單介紹，設(shè)計(jì)了一種五軸動(dòng)態(tài)精度測(cè)定算法，通過該算法對(duì)五軸機(jī)床的5個(gè)伺服軸特性進(jìn)行了強(qiáng)弱排序，從而對(duì)伺服參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。以五軸葉輪加工為例，將伺服參數(shù)調(diào)整前后所加工的葉輪的加工質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，證明該方法取得了較好的效果。
Abstract: Five-axismachine is significant for tool equipment manufacturing industry, and thefunction of RTCP is a very important reference to evaluate the performance of afive-axis machine tool. During the process with the RTCP function turning on,it needs a nonlinear position compensation for the linear axes because of therotary axes, so the ability of servo following of the linear axes and rotaryaxes is required to guarantee the processing dynamic precision. In this paper,the principle of RTCP is introduced and a kind of five-axis dynamic precisionmeasurement algorithm is designed. According to the algorithm ,the five axesare ordered, which helps to optimize and adjust the servo parameters . Takingfive axis impeller machining as an example, the machining quality of theimpellers is compared before and after the adjustment of the servoparameters, and it shows that the better results are obtained.
Keywords: RTCP;five-axis dynamic precision; servo dismatching degree
1.五軸數(shù)控機(jī)床比原有的三軸數(shù)控機(jī)床擁有更多優(yōu)點(diǎn)，如加工復(fù)雜曲面、減少加工工序從而提高加工效率。但是由于旋轉(zhuǎn)軸的存在，在執(zhí)行RTCP過程中，旋轉(zhuǎn)軸和直線軸會(huì)進(jìn)行非線性運(yùn)動(dòng)，因此需要對(duì)五軸機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行控制，其動(dòng)態(tài)精度成為影響加工精度的主要原因之一。五軸數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)精度主要源于伺服系統(tǒng)加減速響應(yīng)性能、零件受力變形、刀具振動(dòng)、主軸轉(zhuǎn)速、機(jī)床進(jìn)給大小等。按照常規(guī)的伺服匹配測(cè)定方法無法準(zhǔn)確對(duì)直線軸和旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)匹配，五軸動(dòng)態(tài)精度測(cè)定方法以RTCP功能特性為基礎(chǔ)，建立直線軸和旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)模型，通過測(cè)定后的結(jié)果為依據(jù)，來調(diào)整五軸數(shù)控機(jī)床的伺服參數(shù)，使伺服系統(tǒng)達(dá)到更好的狀態(tài)，從而提高五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度，提高機(jī)床的加工精度。
1. RTCP原理介紹
RTCP是Rotation Around Tool Center Point的英文縮寫，即圖1中刀具中心點(diǎn)編程。啟用RTCP，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算并保持刀具中心始終在編程的XYZ位置上，刀具中心始終在編程坐標(biāo)系中，轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)每個(gè)運(yùn)動(dòng)都會(huì)被編程坐標(biāo)系XYZ的直線位移所補(bǔ)償。使用RTCP，可以直接編程刀具中心的軌跡，而不用考慮五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)，大大簡化了五軸工藝編程和提高了加精度。
2.RTCP動(dòng)態(tài)精度測(cè)定原理
在三坐標(biāo)機(jī)床中，經(jīng)常采用圓度測(cè)試來檢測(cè)任意直線軸間的動(dòng)態(tài)特性是否匹配，但在五坐標(biāo)機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中，由于旋轉(zhuǎn)軸的加入，必須在每個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)而帶來的直線軸偏差進(jìn)行非線性補(bǔ)償，因此也必須對(duì)旋轉(zhuǎn)軸和直線軸間的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行伺服匹配。由于旋轉(zhuǎn)軸和直線軸的控制單位不一樣，不能像直線軸那樣直接采用圓度測(cè)試，采用本方法，可以對(duì)五個(gè)軸的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試和排序，從而為伺服參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)。
以X、Y、Z直線軸加A、C轉(zhuǎn)臺(tái)軸的五軸機(jī)床為例，分析五軸之間的動(dòng)態(tài)精度的調(diào)整方案。本測(cè)定方案之前，需保證X、Y、Z直線軸按照普通三軸機(jī)床調(diào)試策略進(jìn)行了直線軸之間的匹配。
在RTCP運(yùn)動(dòng)過程中，A軸運(yùn)動(dòng)會(huì)引起Y、Z軸運(yùn)動(dòng)，C軸運(yùn)動(dòng)會(huì)引起X、Y軸運(yùn)動(dòng)。雖然加工過程中，五個(gè)軸會(huì)進(jìn)行RTCP聯(lián)動(dòng)，其動(dòng)態(tài)精度測(cè)定過程也需要五個(gè)軸進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。但是由于建立五坐標(biāo)RTCP動(dòng)態(tài)測(cè)定模型比較困難，即使能夠建立模型，反映動(dòng)態(tài)匹配的指標(biāo)也不能夠直觀地引導(dǎo)進(jìn)行伺服參數(shù)的調(diào)整，因此需要對(duì)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸以及關(guān)聯(lián)的直線軸分別進(jìn)行測(cè)定，簡化RTCP動(dòng)態(tài)測(cè)定模型。本例中，A軸和Y、Z軸為一組測(cè)定，C軸和X、Y軸為另一組測(cè)定。由于Y軸與A軸和C軸都有關(guān)聯(lián)，在調(diào)試過程中Y軸伺服參數(shù)在一組測(cè)定完成后，另一組測(cè)定過程中不再進(jìn)行調(diào)整。
以旋轉(zhuǎn)軸A為例，在RTCP生效時(shí)，A軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，其關(guān)聯(lián)的Y、Z軸實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡是以轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為圓心的圓弧。這里需要測(cè)定的內(nèi)容包括：Y、Z直線軸之間的匹配和A、Y、Z旋轉(zhuǎn)軸和直線軸之間的匹配。具體測(cè)定過程如下：
（1）Y、Z直線軸之間的匹配
在旋轉(zhuǎn)路徑所在的象限中選取若干機(jī)床實(shí)際坐標(biāo)采樣點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)實(shí)際位置和指令位置之間的誤差值（圖2），根據(jù)每一象限誤差總和
和采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，由下面計(jì)算公式得出不匹配值：
當(dāng)計(jì)算結(jié)果：大于零，Y軸比Z軸強(qiáng)；小于零，Y軸比Z軸弱。對(duì)于C軸、X、Y軸的處理辦法和A軸、Y、Z軸是一樣的，以上測(cè)量過程就是常用的圓度測(cè)試方法。
（2）A、Y、Z旋轉(zhuǎn)軸和直線軸之間的匹配
在旋轉(zhuǎn)路徑所在的象限中選取若干機(jī)床實(shí)際坐標(biāo)采樣點(diǎn)，通過Y、Z軸的實(shí)際位置可以計(jì)算出A軸最優(yōu)位置圖3的值，A的實(shí)際位置由采樣得到，計(jì)算A軸的最優(yōu)位置和實(shí)際位置之間的誤差值，根據(jù)誤差總和和采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，由計(jì)算公式：/ 得到誤差平均值，就可以判斷直線軸和旋轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)弱。C軸與X、Y軸的判斷方法和A軸的方法是一樣的。
根據(jù)上面測(cè)定方法，確定五個(gè)軸的強(qiáng)弱程度的排序，以此來進(jìn)行伺服參數(shù)的調(diào)整。調(diào)整過程中，旋轉(zhuǎn)軸的伺服參數(shù)不進(jìn)行調(diào)整，只調(diào)整直線軸的伺服參數(shù)。
五軸動(dòng)態(tài)精度測(cè)定流程見圖4所示。
1. 功能測(cè)定及結(jié)果分析
為了測(cè)試算法的可行性，對(duì)葉輪加工做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果如下：
3.1實(shí)驗(yàn)裝置
1、DMG的AC雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床(圖5)；
2、FANUC；
3、SSTT采樣軟件。
簡單介紹一下SSTT采樣軟件，SSTT是伺服調(diào)整工具（Servo Self Test Tools）的簡稱，主要用于配置FANUC數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床在線調(diào)試、診斷過程，也可以作為一種離線數(shù)據(jù)分析工具。本實(shí)驗(yàn)主要通過SSTT工具采集各軸運(yùn)動(dòng)機(jī)床實(shí)際坐標(biāo)數(shù)據(jù)，應(yīng)用本文提出五軸動(dòng)態(tài)精度測(cè)定方法來進(jìn)行伺服參數(shù)調(diào)整，從而提高五軸RTCP動(dòng)態(tài)特性。
3.2實(shí)驗(yàn)方案
第一步，按照機(jī)床原定的伺服參數(shù)，加工葉輪的流道、大葉片及小葉片。
第二步，采用RTCP動(dòng)態(tài)精度測(cè)試方法，計(jì)算直線軸與直線軸、旋轉(zhuǎn)軸與直線軸之間的不匹配度情況：
（1） 以A軸測(cè)試為例，在SSTT采樣軟件上設(shè)置好測(cè)試程序的相關(guān)參數(shù)，生成采樣程序并發(fā)送到下位機(jī)，測(cè)試程序如下：
%12345; A軸行程-90度到0度，開啟RTCP功能，實(shí)現(xiàn)A、Y、Z軸聯(lián)動(dòng)；
G54 X-10 Y-20 Z-30 F2000
G01 A0
G128
M00
G01 A-90
M00
G01 A0
M30
機(jī)床運(yùn)行該程序，由SSTT采集各軸的機(jī)床實(shí)際位置。當(dāng)程序運(yùn)行到G43.4 H1時(shí)，RTCP功能開啟，運(yùn)行到第一個(gè)M00時(shí)，SSTT采樣開始，運(yùn)行到第二個(gè)M00時(shí)，SSTT采樣結(jié)束。采樣過程中，以時(shí)域圖和圓軌跡圖顯示采樣情況，如圖6和圖7。
（2） 由采集的各軸的機(jī)床實(shí)際位置，用本文上述的RTCP動(dòng)態(tài)精度測(cè)試方法，計(jì)算直線軸與直線軸、旋轉(zhuǎn)軸與直線軸之間的不匹配度。
第三步，通過計(jì)算結(jié)果來指導(dǎo)機(jī)床伺服參數(shù)（主要是軸的位置比例增益）調(diào)整，使其達(dá)到更佳的匹配狀態(tài)。如圖1所示，五軸RTCP功能最基本的原理是保證旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)刀具中心點(diǎn)保持不變，機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中使控制點(diǎn)繞著刀具中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，其刀具中心點(diǎn)到控制點(diǎn)的距離稱為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。由于雙轉(zhuǎn)臺(tái)類型結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床，在實(shí)際加工中，刀位點(diǎn)是連續(xù)變化的，因此轉(zhuǎn)動(dòng)半徑也是變化的，在動(dòng)態(tài)精度測(cè)定前需要確定一個(gè)參考的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑作為測(cè)試樣本用例。在本次實(shí)驗(yàn)中根據(jù)葉輪的加工區(qū)域選擇最大的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑作為測(cè)試用例，測(cè)定速度2000mm/min為實(shí)際葉輪加工的切削速度。測(cè)試中具體各軸調(diào)整情況如下：
(1)A軸
Y、Z、A軸伺服匹配見表1。
在進(jìn)行A軸測(cè)定之前，由于旋轉(zhuǎn)軸和直線軸之間控制單位不一樣，需要先設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)。在本實(shí)驗(yàn)中，以旋轉(zhuǎn)軸為基準(zhǔn)，盡量將A軸的位置比例增益調(diào)整到最優(yōu)位置，該機(jī)床A軸位置比例增益調(diào)整到1300為上限，接下來做匹配時(shí)只需調(diào)整直線軸Y軸和Z軸的位置比例增益。以第三組實(shí)驗(yàn)為例，計(jì)算過程如下：各象限的誤差總和及采樣點(diǎn)數(shù)分別為
考慮轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向矢量和G 代碼的指令方向，由計(jì)算公式1，計(jì)算出直線軸的伺服不匹配度為-1.525; 同理計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸和直線軸之間的不匹配度為-0.947。
按照以上步驟計(jì)算A軸和C軸的各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
A軸測(cè)定條件下，匹配情況最好時(shí)，A軸、Y軸和Z軸的位置比例增益分別為：A1300，Z1283，Y1280。
(1)C軸
X、Y、C軸的伺服匹配見表2。
C軸測(cè)定條件下，匹配情況最好時(shí)，C軸、X軸和Y軸的位置比例增益分別為：C1280，X1280，Y1280。
第四步，調(diào)整參數(shù)后再次加工葉輪。
第五步，對(duì)比分析兩次加工的葉輪的質(zhì)量狀況，從而分析算法的可靠性和可行性。
3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
（1）調(diào)整前流道靠近小葉片頂端區(qū)域有明顯的過切痕跡，調(diào)整后過切痕跡
消失，表面光滑， 見圖8。
（1）調(diào)整前大葉片背面底部有明顯的過切痕跡，調(diào)整后過切痕跡消失，表面光滑，見圖9。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，經(jīng)過五軸動(dòng)態(tài)精度測(cè)定調(diào)整伺服參數(shù)后，葉輪中流道部分和葉片部分過切痕跡消失，加工表面質(zhì)量有明顯改善，取得非常好的效果，說明該五軸動(dòng)態(tài)精度測(cè)定方法有效，具有現(xiàn)場應(yīng)用調(diào)試能力。
結(jié)語
本文提出的
五軸動(dòng)態(tài)精度測(cè)定方法，通過現(xiàn)場應(yīng)用調(diào)試，葉輪加工實(shí)驗(yàn)對(duì)比，以及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該方法確實(shí)能反映機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度，能夠指導(dǎo)提升機(jī)床的加工精度和表面光潔度。
