在FANUC 0i上实现五轴控制

　　1　加工零件的分析 

　　被加工零件为锥状碗形铸铁件(图1)。圆锥夹角为60°，锥口直径650 mm，在圆锥内表面上有一条深12 mm、宽12 mm的凸轮运动曲线，首尾相接。其展开平面为一扇形。为了加工该零件，在立式加工中心的工作台上安装了一个旋转C轴和翻转A轴的复合转台(图1b)。为了编程方便，把这个圆锥内表面近似看成圆柱表面。把这个展开的圆柱面看成一个横向为 “X”轴，纵向为Y轴的平面，那么这条凸轮运动曲线就可以用直线、圆弧插补来实现了。由于圆柱面是旋转面，因此这个“X”轴应该是圆柱的旋转C轴，也就是由旋转C轴与直线Y轴组成的圆柱面坐标，用角度与直线进行插补就可完成凸轮曲线的加工(图2)。为了保证圆锥体内表面展开后与立式加工中心的X_Y平面平行，圆锥体在旋转台上装夹好后需要再翻转60°(图1c)。因此需要设计一个有旋转360°的数控轴(C)和使C轴翻转120°(A)轴的复合转台。  

　　　　　　　图１　工件及其安装　　　　　　图２　圆锥面凸轮曲线展开图 

　　2　对立式加工中心机床的改造 

　　为满足该零件的加工，我集团将VD63立式加工中心的X轴行程从1200mm扩展到1400 mm，Z轴由750mm增至1 000 mm，Y轴由650mm改造成700 mm。对于增加的A、C两轴均使用了22N·m交流伺服电动机，位置编码器全部采用绝对式。FANUC 0 i数控系统可以控制4个轴并任意3轴联动，我们增加的C轴安排为第4轴，因为C轴要与Y轴进行插补运动才能走出凸轮运动曲线。对于A轴虽然由于加工零件圆锥夹角有非整数度角，但我们设计了合理的参数，使A轴最小分辨率达到0.001°。由于在凸轮运动曲线的插补运动中A轴是不运动的，它只需在加工前根据圆锥体的锥角翻转到一定的位置角度，同时，保证圆锥中心轴与Z轴所成的平面与X轴垂直就可以了，A轴仅作为翻转角度定位，与其它轴没有任何联动的要求，用PMC轴来控制是没有任何问题的。 

　　A、C轴复合轴转台因加工零件大，可加工1 000mm直径的圆锥零件，重量约1 500 kg，将其安装在机床工作台上增加了 X、Y轴的负荷，因此必须加强X、Y轴的导轨。 

　　当需要加工圆锥零件时，将A、C轴复合转台安装在加工中心机床的工作台上，加工完成后，可以将其拆卸下来，变成一台立式加工中心，去加工其它的零件。 

　　A、C轴复合转台的锁紧/松开采用液压装置，为了减少A、C两路压力互相干扰，将A、C两油路隔离并增加了储能器保压措施。 

　　电气对C轴按照数控第4轴(旋转轴)控制，A轴则是按照PMC轴的控制方式进行的，主要是在梯形图中设计了A轴的回参考点、手动翻转、自动目标翻转，以及手动/自动、锁紧/松开等控制，还有一些技术参数的设计、调整。 

　　3　加工程序的编制和试切 

　　根据以上对加工零件的分析，我们把原来需要五轴联动才能加工完成的锥面凸轮曲线，只需将工件装卡在增加的A、C复合转台上，并让工件翻转定位在某一角度位置，用C轴和Y轴两轴的联动就可以加工完成这个凸轮曲线。在一般情况下， G01直线插补，G02/G03圆弧插补的两个轴都是直线单位，而我们现在却是一个角度单位的轴和一个直线单位的轴进行插补，显然要想用G01，G02/G03编程必须将 C轴的角度单位转变成长度单位。对我们所要加工的零件锥面角度对应的是一定直径下的圆弧长度。因此在圆锥展开面C轴的角度可用 π×D/360代替，D=600mm( D是工件圆锥面加工区域的平均直径)。经过这样的换算，C轴角度变成长度单位，用直线和圆弧插补就可以编出凸轮运动曲线的程序。我们也就是采用这种方法编程，加工出合格的零件。 

　　4　结束语　　 

　　采用 FANUC 0i数控系统4数控轴+1PMC轴的方案实现五轴控制，把工件装卡在一个特殊位置，再用 C轴和Y轴的插补完成锥面凸轮运动曲线的加工，既经济又实惠，解决了圆锥面的加工问题。其实，0i数控系统所具有的 G7.1圆筒插补就是解决一个直线单位与一个角度单位轴插补的指令，有了圆筒插补功能，我们就可以直接按照图纸上 C轴的角度单位编程，免去上述把C轴角度转换成直线单位的换算，这样就更加方便了。圆筒插补指令是加工圆筒面上曲线的一种特殊指令，用它来编制圆锥面凸轮运动曲线，虽然两者都是相同的一个直线轴与一个旋转轴插补，但圆筒面展开后是矩形，而圆锥面展开则是扇形，因此按圆筒插补编制圆锥面曲线是有误差的，不过经过适当的处理，可以把误差控制在最小，也能满足零件加工的精度。