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三軸數(shù)控鏜銑床加工大型帶空間角度零件時的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與實現(xiàn)

 GXF360 2017-12-25


王彥濤,楊 保,柏長友

(共享機(jī)床輔機(jī)有限公司,寧夏 銀川 750021)

摘 要:通過分析零件的結(jié)構(gòu)特點、三軸數(shù)控鏜銑床加工時的局限性,引出空間角度在三軸數(shù)控鏜銑床上加工時的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題;進(jìn)而將空間角度分解,利用CAD二維圖形模擬工件加工時角度的旋轉(zhuǎn)過程,利用多重三角函數(shù)關(guān)系將CAD二維圖形模擬公式化,建立了Excel標(biāo)準(zhǔn)計算模板,并通過實踐驗證了它的可行性和便捷性,保證了2.5 MW風(fēng)機(jī)底座上部、下部精加工的質(zhì)量和效率,同時也為加工其他大型帶空間角度零件提供了高效的坐標(biāo)計算方法。

關(guān)鍵詞:數(shù)控加工;空間角度;坐標(biāo)旋轉(zhuǎn);CAD模擬

1 背景介紹

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和成熟,風(fēng)電裝備制造成為近幾年國際國內(nèi)制造業(yè)的重點之一。共享機(jī)床輔機(jī)有限公司近年也致力于開發(fā)風(fēng)電產(chǎn)品市場,發(fā)展大型風(fēng)電裝備制造, 主要進(jìn)行風(fēng)機(jī)輪轂、 底座等零部件的精加工。其中,2.X系列底座是比較復(fù)雜的一種,外形尺寸約為3 400 mm×3 900 mm×1 300 mm,底座含有空間復(fù)雜角度,幾個不同角度下的加工部位相對位置精度為0.15~0.5 mm,利用三軸數(shù)控鏜銑床加工時,需要多次裝卡調(diào)整角度,每次裝卡需要制作2個工藝基準(zhǔn)互校,很難保證精度要求[1-2]

該系列底座分為上部和下部,本文以底座下部為例,通過分析零件的結(jié)構(gòu)特點和三軸數(shù)控鏜銑床加工時的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題,進(jìn)而將空間角度分解,利用CAD二維圖形模擬工件加工時角度的旋轉(zhuǎn)過程,確定工件旋轉(zhuǎn)后的中心坐標(biāo),供機(jī)床加工使用[3]。為了縮短每次加工前坐標(biāo)的計算時間,將CAD二維圖形模擬的方法用多重三角函數(shù)關(guān)系進(jìn)行公式化,固化計算過程,同時也減少了人為操作失誤的風(fēng)險,保證了加工效率和質(zhì)量。

除了風(fēng)電產(chǎn)品外,很多加工產(chǎn)品都有空間角度,在加工時都需要計算旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)[4]。該方法的標(biāo)準(zhǔn)化也為其他產(chǎn)品提供了一種更快捷準(zhǔn)確的計算方法,尤其在批量加工時,將計算過程制作成模板,能更好地體現(xiàn)數(shù)控加工的優(yōu)勢。

2 實施過程

2.1 工件裝卡與定位

底座下部結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要有底平面、4°法蘭、50°連接法蘭和94°尾部法蘭,各法蘭均為精加工面,法蘭面上有螺紋孔系。

圖1 底座下部結(jié)構(gòu)圖

加工流程為:粗加工底平面→粗加工3個斜法蘭面→精加工底平面→精加工3個斜法蘭面。其中,精加工3個斜法蘭面采用三軸數(shù)控鏜銑床[5],可以將工件放平,用萬能角度附件加工,但附件的加工效率低;也可以側(cè)立靠在L型彎板上(見圖2),在回轉(zhuǎn)工作臺上安裝、找正豎立彎板,將前序精加工的底平面靠在彎板上,按已經(jīng)精加工的部位找正工件,使工件坐標(biāo)系(X1Y1,Z1)與機(jī)床坐標(biāo)系(X0,Y0,Z0)對應(yīng)平行,用回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)角度來消除空間角度。

圖2 加工裝卡圖

2.2 建立工件和機(jī)床坐標(biāo)系模型

裝卡找正后,工件底平面平行于機(jī)床坐標(biāo)系的X0Y0平面,垂直于X0Z0Y0Z0平面;則4°法蘭面垂直于X0Z0平面,與X0Y0平面夾角為4°,與Y0Z0平面夾角為86°;50°連接法蘭面垂直于X0Z0平面,與X0Y0平面夾角為40°,與Y0Z0平面夾角為50°;94°尾部法蘭面垂直于X0Z0平面,與X0Y0平面夾角為86°,與Y0Z0平面夾角為4°。從垂直于X0Z0平面的視角觀察工件裝卡位置,3個斜法蘭面與X0Y0平面分別呈4°、40°和94°的夾角。同時,我們知道機(jī)床坐標(biāo)系B軸(回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)軸)垂直于X0Z0平面,加工時回轉(zhuǎn)工作臺分別旋轉(zhuǎn)4°、40°和94°,則斜法蘭可以正對機(jī)床主軸進(jìn)行加工。

依此分析,按照工件和機(jī)床模型,以機(jī)床坐標(biāo)系X0Z0平面為投影面,在CAD軟件中建立工件和機(jī)床坐標(biāo)系的二維模型(見圖3)。

圖3 工件和機(jī)床二維模型

機(jī)床坐標(biāo)系(X0Y0,Z0)為絕對坐標(biāo)系,機(jī)床坐標(biāo)系零點為絕對零點。工件裝卡找正后Y坐標(biāo)始終不動,我們僅討論XZ坐標(biāo)的變換?;剞D(zhuǎn)工作臺的中心點在機(jī)床坐標(biāo)系中有唯一固定的坐標(biāo)(X01,Z01),工件裝卡找正后的“正對時工件中心點”即工件坐標(biāo)系原點(X1,Z1),在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X02,Z02)。

2.3 模擬工件旋轉(zhuǎn)過程

工件正對主軸時,所有加工部位以工件中心坐標(biāo)(X02Z02)為原點返尺寸加工。加工50°連接法蘭面時,回轉(zhuǎn)工作臺逆時針旋轉(zhuǎn)40°,則機(jī)床主軸垂直于50°連接法蘭,此時的工件中心(X1′,Z1′)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X02′,Z02′)是機(jī)床加工的原點,從(X1′,Z1′)返尺寸加工螺紋孔系和法蘭面。在CAD軟件中模擬回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)的過程,其中回轉(zhuǎn)工作臺的中心不動,機(jī)床坐標(biāo)系原點不動,工件和回轉(zhuǎn)工作臺一起繞回轉(zhuǎn)工作臺中心逆時針旋轉(zhuǎn)40°(見圖4)。

圖4 工件旋轉(zhuǎn)過程模擬

圖4中回轉(zhuǎn)工作臺的中心為旋轉(zhuǎn)中心,固定不動;粗虛線為旋轉(zhuǎn)前的工件50°連接法蘭、4°法蘭、94°尾部法蘭和水平底平面;粗實線為旋轉(zhuǎn)后的工件50°連接法蘭、4°法蘭、94°尾部法蘭和水平底平面。此時50°連接法蘭正對機(jī)床主軸,連接法蘭上螺紋孔以A1點為零點,解出A1點在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X03′,Z03′)即可進(jìn)行加工。

已知回轉(zhuǎn)工作臺的中心坐標(biāo)為(X01Z01),根據(jù)旋轉(zhuǎn)后的工件中心與回轉(zhuǎn)工作臺中心的相對位置關(guān)系,可知旋轉(zhuǎn)后的工件中心坐標(biāo)(X02′,Z02′)為:

X02′= X01X

Z02′= Z01Z

則根據(jù)圖樣尺寸關(guān)系可知A1點的坐標(biāo)(X03′,Z03′)為:

X03′= X02′- 465.889

Z03′= Z02′+300

由此,得出了A1點坐標(biāo)。同理,加工4°法蘭和94°尾部法蘭時,工件旋轉(zhuǎn)4°和94°,畫出工件旋轉(zhuǎn)的CAD模擬圖形,從模擬圖上可以測得旋轉(zhuǎn)前、后的工件中心相對尺寸,從而得到旋轉(zhuǎn)后的工件中心,作為數(shù)控程序的零點進(jìn)行加工。

2.4 將模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息

雖然通過模擬的方法解決了坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)換算問題,但是每裝卸一次工件,就要重新畫圖,根據(jù)工件裝卡位置調(diào)整回轉(zhuǎn)工作臺中心相對工件的位置,再旋轉(zhuǎn)模擬,測量相對尺寸,計算旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)。每個件3個斜面要模擬、測量和計算3次,過程復(fù)雜易出錯,因此有必要將過程進(jìn)行簡化、固定,制作1個模板,每次只需要輸入正對時的工件中心坐標(biāo),就可以得到旋轉(zhuǎn)各個角度后的工件中心坐標(biāo),立即投入現(xiàn)場指導(dǎo)加工。

以底座下部為例,設(shè)回轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)(X01Z01)為(X1,Z1),正對時工件中心坐標(biāo)(X02,Z02)為(X2,Z2),通過分析圖4中的三角函數(shù)關(guān)系,計算過程如下。

1)工件中心與回轉(zhuǎn)工作臺中心的距離S1為:

2)旋轉(zhuǎn)94°后的工件中心坐標(biāo)(X01′,Z01′)為(X31,Z31):

3)旋轉(zhuǎn)40°后的工件中心坐標(biāo)(X02′,Z02′)為(X32,Z32):

4)旋轉(zhuǎn)4°后的工件中心坐標(biāo)(X03′,Z03′)為(X33,Z33):

將上述計算結(jié)果寫入Excel表格,形成標(biāo)準(zhǔn)模板,并注釋文字說明。每次裝卡找正工件后,將工件中心坐標(biāo)輸入表格,即可立即生成現(xiàn)場坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的指導(dǎo)文件,坐標(biāo)計算精度達(dá)到0.001 mm以上,消除傳統(tǒng)利用工藝參考點多次打坐標(biāo)的誤差,可以快速精確指導(dǎo)產(chǎn)品的批量精加工。

3 結(jié)語

本文通過CAD二維圖形模擬和三角函數(shù)的分析計算,建立了三軸數(shù)控鏜銑床加工大型帶空間角度零件時坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法,編制了GE2.5底座精加工旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)計算模板,并實際應(yīng)用于生產(chǎn)指導(dǎo),取得了非常好的效果,尤其適用于批量精加工,解決了以往制作工藝參考基準(zhǔn)、反復(fù)對刀,消除了對刀誤差,也大大節(jié)約了坐標(biāo)換算時間,為加工各類大型帶空間角度零件提供了高效的坐標(biāo)計算方法和實踐依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1] 覃新傳.淺談數(shù)控機(jī)床大型零件的加工工藝[J].中國機(jī)械,2015(24):122-124.

[2] 王化清.大型工件翻轉(zhuǎn)設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用[J].金屬加工(冷加工),2010(1):42-45.

[3] 朱冬梅,等.畫法幾何及機(jī)械制圖[M].北京:高等教育出版社,1998.

[4] 呂亞臣,等.重型機(jī)械工藝手冊[M].哈爾濱:哈爾濱出版社,1998.

[5] 孔祥毅,楊曉雨.基于三軸聯(lián)動數(shù)控鏜銑床加工嵌入式接管的方法[J].石油化工設(shè)備,2014(S1):46-48.

責(zé)任編輯 鄭練

Coordinate Transformation and Realization of Three Axis NC Boring and Milling Machine for Machining Large Belt Space Angle Parts

WANG Yantao, YANG Bao, BAI Changyou

(Kocel Machine Tool Accessorise Ltd., Yinchuan 750021, China)

Abstract:Through analyzing structure features of parts and limitations of three axis NC boring milling machine processing, the coordinate conversion problem of processing for space angle parts in three axis NC boring milling machine are leaded. Then space angle are decomposed. Two dimensional graphic of CAD is used to simulate angle rotating process when workpiece is processed. Multiple trigonometric functions relationship is used to make two dimensional graphic of CAD simulation formulaic. Excel standard calculation template is established and its convenience and feasibility has been validated by practice. The fine processing quality and efficiency of 2.5 MW drought fan base UP and LP are guaranteed. Meanwhile, it provides high efficient coordinate calculation method for processing other space angle parts.

Key words:NC machine, space angle, coordinate revolve, CAD simulation

中圖分類號:TG 659;TG 536

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

作者簡介:王彥濤(1984-),男,工程師,碩士,主要從事機(jī)械設(shè)計、機(jī)械精密加工等方面的研究。

收稿日期:2016-11-25

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