近年來,我國航空航天事業發展迅猛,五軸加工中心以其獨具的結構特性,大加工范圍、高加工效率、高動態特性等優點,成為廣泛應用于高精尖航空航天大型結構件加工的行業重器。為保證五軸加工中心的高動態響應特性,本文以GMC2040u為研究對象,通過對五軸的插補路徑速度變化曲線的實時跟蹤以及現場實際情況的反饋,采用自動控制技術,對大型五軸加工中心的速度路徑的優化提出了解決方案。
1.結構描述
如圖1所示。橫梁在床身上水平移動為X軸,X軸由四個電機驅動,橫梁的左右兩側各有兩個電機拖動,X軸為齒輪齒條結構,橫梁兩側的兩個伺服電機為主從控制方式,起到分攤力矩和消除齒輪齒條傳動間隙的作用,X軸左右兩側的主動電機采用龍門驅動控制方式,這種控制方式不但使X軸運行平穩,還可增加機床的跨距,X軸兩側各配置一根光柵尺,形成全閉環控制系統,提高機床的定位精度。滑板在橫梁上沿水平方向左右移動為Y軸,滑枕沿滑板上下移動為Z軸。銑頭為叉式結構,繞X軸擺動為A軸、繞Z軸轉動為C軸,實現X、Y、Z、A、C五軸聯動的機械結構。

2.優化
(1)現場速度數據采集
觀測零件程序運行過程,開啟RTCP后,機床各軸的插補速度在直線運動轉換到圓弧運動時和圓弧運動轉換到直線運動時,降速特別明顯且不穩定。為具體了解降速的程度,分別在進給速度為2000mm/min和3000mm/min時各采集了10組速度數值,如表1所示。

(2)仿真速度曲線采集
通過SINUTRAIN軟件,采集各軸的速度路徑曲線,圖2為速度路徑變量,圖3為仿真得出的速度路徑曲線。

(3)加加速度的優化
從圖3-2可以看出,在開啟RTCP后,參與插補的軸的速度為使各軸達到插補速度,數控系統會自動調節各軸的運行速度,從而插補速度有了明顯的降低,因此需要檢查插補軸的原有路徑最大加加速度、軸加加速度、以及最大限制值等參數的設置,如:MD20600,MD20602,MD20606,MD32431,MD32432等的設定值,原始參數設定值如下:

提升加加速度的設定值,將所有插補軸的加加速度設置為30,SINUTRAIN仿真如圖4所示。

(4)工藝程序上的優化
在已經更改上述參數的基礎上,增加精優曲面工藝循環(CYCLE832)指令,并選擇精加工,軸允差設置成后置處理允差的5倍,如圖5所示。

編程位置值精確到小數點五位,增加FGROUP(X,Y,Z,A,C)工藝語句,SINUTRAIN仿真圖形如圖6所示。

(5)速度優化
將插補軸的原有路徑的最大加加速度、軸加加速度、以及最大限制值等參數的數值提高,如下參數:
MD32300 $MA_MAX_AX_ACCEL[0,AX5]=70
MD32300 $MA_MAX_AX_ACCEL[1,AX5]=70
MD32300 $MA_MAX_AX_ACCEL[2,AX5]=70 //粗加工
MD32300 $MA_MAX_AX_ACCEL[3,AX5]=70 //半精加工
MD32300 $MA_MAX_AX_ACCEL[4,AX5]=70 //精加工
MD32431 $MA_MAX_AX_JERK[0,AX5]=30
MD32431 $MA_MAX_AX_JERK[1,AX5]=30
MD32431 $MA_MAX_AX_JERK[2,AX5]=30 //粗加工
MD32431 $MA_MAX_AX_JERK[3,AX5]=30 //半精加工
MD32431 $MA_MAX_AX_JERK[4,AX5]=30 //精加工
MD32432 $MA_PATH_TRANS_JERK_LIM[0,AX5]=30
MD32432 $MA_PATH_TRANS_JERK_LIM[1,AX5]=30
MD32432 $MA_PATH_TRANS_JERK_LIM[2,AX5]=30 //粗加工
MD32432 $MA_PATH_TRANS_JERK_LIM[3,AX5]=30 //半精加工
MD32432 $MA_PATH_TRANS_JERK_LIM[4,AX5]=30 //精加工
SINUTRAIN仿真圖形如圖7所示。

3.結語
從仿真圖7中可以看出,優化后插補速度最低降至1300mm/min,但是據現場實際數據采集反饋得到的速度降到800mm/min,雖然沒有達到十分理想的速度,但是確實通過自動控制技術使插補速度得到了明顯提升;由優化過程可見,只通過更改參數或只優化工藝語句不能達到想要的提速效果,需要綜合電氣控制和工藝路徑進行優化。此外,經機床集團技術專家及西門子服務工程師確認,針對這臺機床,控制參數的設置已經達到最優,在對控制系統的插補優化技術方面已經完成。而開啟五軸插補會有降速是正常現象,但是還能否進一步提升相關參數設定值和插補速度,還需要進行機械設計和裝配工藝方面的研究,才能解決仿真的插補速度和實際切削的插補速度不一致的問題。
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