管板类零件难加工?No,No,看多主轴机床怎么搞定!

国际金属加工网 2017年01月22日

多主轴龙门式数控铣钻床是我公司专门为锅炉、制冷、石化及电站等行业管板类零件钻孔加工开发的数控机床。已研发出2个、4个和6个主轴的机床,下一步将研发更多主轴的机床。

由于机床具有多个主轴,从而缩短了客户零件的加工时间,节省人力,减轻工人的劳动强度,提高客户的生产效率及经济效益。

然而该类机床在加工管板类零件时存在以下问题:①板类零件装夹时,工件中间必须有辅助支撑及夹压点,且夹压点必须借用工件上的孔,但工件装到支撑座上后,支撑座看不到,支撑点位置无法确定。② 机床具有多个主轴, 各轴需要具有统一的坐标系,如何建立并统一坐标系。③如何保证多个主轴加工工件时同步运动。④工件上成千上万的孔如何分配到各个主轴,且保证各个主轴加工时互不干涉。下面就各问题解决方法进行说明。

1.零件及支撑坐标系的建立及统一

图1中类似于跳棋棋盘的工件为作者设计的试件, 零件尺寸为4 600mm×4 400mm,用GDC6080mf机床加工,工作台8 000mm×6 000mm。装夹时工件四周用压板夹紧,如果工件中间部分不设夹压点,钻孔时,试件受载荷而变形,切削时出现噪声。加工孔的孔壁表面粗糙度值达不到图样要求,因此在图1中设定实心圆为辅助夹压点,辅助夹压点的位置根据机床工作台T形槽间距以及管板上孔的分布特征确定,一般为菱形排布,间距500~700mm,这些点也是零件要加工的点,装夹点的位置由工艺部门确定。

模拟试件摆放如图2所示,在CAD中将试件移动到工作台上,尽量使更多的辅助夹压点处于T形槽上或靠近T形槽。在工作台右端中间位置设置一个参考点A(理论上A点位置多样,位于机床任意一个主轴能移动到的位置均可),在确定辅助支撑位置时的坐标系中,以A点为坐标原点,坐标系的X轴和Y轴分别为机床X向和Y向,零件装夹后,零件坐标系也以A点为坐标原点,以机床X向和Y向为工件坐标系的X轴和Y轴,这样两个坐标系就统一起来了。

图1 试件


图2 试件装夹图

在CAD图中测量各辅助夹压点相对于A点的距离,确定各辅助夹压点位置,例如图2中B点,相对于A点的坐标为(3 490.82,580)。编写一个主轴加工工件上所有辅助夹压点的程序。

在车间现场,先在工作台右端最后一个T形槽的中间位置固定一个圆柱形参照物(必须能找__A点中心)。使用机床中间两个主轴2号、3号中的任意一个(见图3),1号和4号主轴移动不到对面工作台的边缘。找A点中心后, 在主轴夹持一把刀具钻头、U钻均可),按先前编的程序移动机床至各个支撑点处,调整好各支撑座的位置并固定。

例如确定B点支撑:机床主轴不转,只走坐标到点(3 490.82,580),手动转主轴,调整支撑座位置,Y向调整支撑座,X向调整压板,使压板螺纹孔中心和刀尖对应,然后固定支撑座。支撑座位置确定后安放垫圈。吊装工件,按工艺设计的位置放置,四周用压板压紧;按单主轴钻孔程序加工辅助支撑点的孔,最后安装夹具。

由于支撑座所在的坐标系和工件坐标系统一,因此所钻的孔和支撑座位置一一对应,通过引入一个人为的坐标系(非机床坐标系),可合理解决辅助夹压问题。

2. 多主轴坐标系统一

机床的滑枕和托板的宽度限制了各主轴间距,各厂机床存在差异,在编程时需要注意。我公司的GDC6080mf(见图3)相邻主轴最小间距为650mm,编程时需再留30mm的安全距离。上述中,基准点A可以位于机床任意一个主轴能移动到的地方,若考虑将4个主轴的坐标系也统一到支撑座所在的坐标系和工件坐标系中,那么A点就只能位于工作台中间位置,保证 4个主轴都可移动到A点对刀。其目的是保证坐标系的统一,且机床使用一段时间后,机床各轴定位可能会发生少许误差,因此精度变化的主轴可再到A点对刀。


图3 GDC6080mf龙门铣钻床

还有一种方法,用4个主轴分别对同一个孔或外圆测中心进行对刀,相邻两个主轴之间的坐标差就是两个主轴之间的实际距离,所以任意一个主轴在A点对好零点后,其他主轴可直接按测出的距离确定坐标值。在此方法中,A点的位置和第一节相同。

3. 保证多个主轴加工工件时同步运动

经过多台机床试验, 在程序中多个主轴的进给速度完全相同,且每行孔的起始位置均添加等待命令,然而随着加工孔的个数增多,各个主轴的运动方向及位置就会出现差异。通过调整电动机参数可能能解决这个问题,然而多次试验,各个主轴的运动始终无法统一,因此在调整电动机参数效果不再明显的情况下,通过程序也可解决这个问题。

例如下面一个程序段,4个主轴机床,系统为西门子840D。

1号主轴程序:

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号主轴程序:

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号主轴与4号主轴的程序和2号主轴类似。

通过在每加工一个孔后增加一个等待命令,每行孔的起始位置也增加等待命令,可以有效地图3 GDC6080mf龙门铣钻床解决4个主轴的同步问题。

4. 管板零件上的孔分配到各主轴加工的编程原理

对于管板类零件上有几千甚至几万个孔,用普通编程显然不行,需要借助其他编程语言从CAD图直接生成加工程序,下面简单介绍编程原理。

(1)按区域划分各主轴加工区域。如图4所示,按以下步骤考虑编程:

①框选孔区宽度d,在电子图中将管板上有孔的区域全部框选(框选区域比实际孔区稍大,因为软件捕捉圆心时边缘孔可能丢失)。

②确定实际的d值,因为相邻主轴之间有最小距离限制,我公司的GDC6080mf设定为680mm,所以对孔区宽度d要求是,若d≥2 720(680×4)mm,按d计算;若d<2 720mm,对d重新赋值,按d=2 720计算。

③ 计算各孔与基准点的相对坐标。在CAD中捕捉各被加工孔的圆心坐标和基准点A的坐标,两者相减得到各被加工孔相对于A的坐标。例如图2中,捕捉到A(27 277.70,10 738.51),B(21 786.88,10 158.51),用B点坐标减去A点坐标,得到编程时需要的B'点的坐标(3 490.82,580),也是B点相对于A点的坐标。

④确定各主轴加工区域,假设被加工孔中,Y轴相对坐标最大和最小的两个孔分别为M1(a1,b1)、M2(a2,b2),它们也是Y方向离的最远的孔,那么d=b1-b2,因此按相对纵坐标将区域划分:1号主轴加工区域b1-d/4<X1<b1(凡是各孔相对于A点的纵坐标在b1-d/4<X2<b1之内,均由1号主轴加工),如图4所示黄色区域;2号主轴加工区域d/2<X2≤b1-d/4,如图4所示红色区域;3号主轴加工区域b2+d/4<X3≤d/2,如图4所示绿色区域;4号主轴加工区域b2<X4≤b2+d/4,如图4所示青色区域。

⑤特殊点的区域限定,假设捕捉到的点恰好位于分割线上,那么它属于相邻的这两个区域任何一个均可,只需在程序中设定,例如2号主轴加工区域d/2<X2≤b1-d/4,也可以是d/2<X2<b1-d/4,只是1号主轴加工区域需做出相应修改。

⑥编程,注意不是所有区域都有孔,所以编程时,有时只需个别主轴加工,其他主轴随动。只是加工孔时,Z轴无进给,处于等待状态。

(2)按每行孔个数划分各主轴加工区域。此方法具有一定的局限性,本文不予详述,其原理如图5所示,先确定每行孔需要加工的个数,然后平均分配到每个主轴上加工,其中存在两个问题:

①假设某行孔很少,如图5中a行,且该行最远距离的两个孔之间距离不大于680mm,那么就用一个主轴加工;如果距离大于680mm,可以用两个或多个主轴加工。

②假设某行孔较多,如图5中b行,先平均分配到4个主轴上,假设有余数,那就按余数每个主轴从1号到4号各加一个孔。

此方法适用于主轴扁小的机床,或者管板零件尺寸较大的零件加工。

通过其他编程语言编写软件,从CAD图直接生成加工程__序。将程序导入机床系统,那么接下来加工零件就变得简单了。

图4 按区域划分主轴加工区间原理图


图5 按孔划分主轴加工区间原理图

5. 结语

对于管板类零件的加工,需要将辅助支撑(夹具)坐标系和零件坐标系进行统一,在机床工作台上设定参考点,确定支撑座位置,预钻工件上的装夹孔,才能使所钻的孔和支撑座位置吻合,再将各主轴的坐标系统一到这个坐标系中,保证各主轴所钻的孔对接后不错位,保证零件的几何精度,方法简单实用。用程序保证多主轴同步加工可以减少振动,提高孔壁质量。此外,本文还叙述了从CAD图直接生成加工程序的一种编程思路,按区域分配法较为合理的将管板上的孔分配到各个主轴加工,避免各主轴靠近引起的机床报警,有效地提高了加工效率。


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