|
王彦涛，杨 保，柏长友 (共享机床辅机有限公司，宁夏 银川 750021) 摘 要：通过分析零件的结构特点、三轴数控镗铣床加工时的局限性，引出空间角度在三轴数控镗铣床上加工时的坐标转换问题；进而将空间角度分解，利用CAD二维图形模拟工件加工时角度的旋转过程，利用多重三角函数关系将CAD二维图形模拟公式化，建立了Excel标准计算模板，并通过实践验证了它的可行性和便捷性，保证了2.5 MW风机底座上部、下部精加工的质量和效率，同时也为加工其他大型带空间角度零件提供了高效的坐标计算方法。 关键词：数控加工；空间角度；坐标旋转；CAD模拟 1 背景介绍随着风力发电技术的发展和成熟，风电装备制造成为近几年国际国内制造业的重点之一。共享机床辅机有限公司近年也致力于开发风电产品市场，发展大型风电装备制造， 主要进行风机轮毂、 底座等零部件的精加工。其中，2.X系列底座是比较复杂的一种，外形尺寸约为3 400 mm×3 900 mm×1 300 mm，底座含有空间复杂角度，几个不同角度下的加工部位相对位置精度为0.15～0.5 mm，利用三轴数控镗铣床加工时，需要多次装卡调整角度，每次装卡需要制作2个工艺基准互校，很难保证精度要求[1-2]。 该系列底座分为上部和下部，本文以底座下部为例，通过分析零件的结构特点和三轴数控镗铣床加工时的坐标转换问题，进而将空间角度分解，利用CAD二维图形模拟工件加工时角度的旋转过程，确定工件旋转后的中心坐标，供机床加工使用[3]。为了缩短每次加工前坐标的计算时间，将CAD二维图形模拟的方法用多重三角函数关系进行公式化，固化计算过程，同时也减少了人为操作失误的风险，保证了加工效率和质量。 除了风电产品外，很多加工产品都有空间角度，在加工时都需要计算旋转坐标[4]。该方法的标准化也为其他产品提供了一种更快捷准确的计算方法，尤其在批量加工时，将计算过程制作成模板，能更好地体现数控加工的优势。 2 实施过程2.1 工件装卡与定位 底座下部结构如图1所示，主要有底平面、4°法兰、50°连接法兰和94°尾部法兰，各法兰均为精加工面，法兰面上有螺纹孔系。  图1 底座下部结构图 加工流程为：粗加工底平面→粗加工3个斜法兰面→精加工底平面→精加工3个斜法兰面。其中，精加工3个斜法兰面采用三轴数控镗铣床[5]，可以将工件放平，用万能角度附件加工，但附件的加工效率低；也可以侧立靠在L型弯板上(见图2)，在回转工作台上安装、找正竖立弯板，将前序精加工的底平面靠在弯板上，按已经精加工的部位找正工件，使工件坐标系(X1，Y1，Z1)与机床坐标系(X0，Y0，Z0)对应平行，用回转工作台旋转角度来消除空间角度。  图2 加工装卡图 2.2 建立工件和机床坐标系模型 装卡找正后，工件底平面平行于机床坐标系的X0Y0平面，垂直于X0Z0、Y0Z0平面；则4°法兰面垂直于X0Z0平面，与X0Y0平面夹角为4°，与Y0Z0平面夹角为86°；50°连接法兰面垂直于X0Z0平面，与X0Y0平面夹角为40°，与Y0Z0平面夹角为50°；94°尾部法兰面垂直于X0Z0平面，与X0Y0平面夹角为86°，与Y0Z0平面夹角为4°。从垂直于X0Z0平面的视角观察工件装卡位置，3个斜法兰面与X0Y0平面分别呈4°、40°和94°的夹角。同时，我们知道机床坐标系B轴(回转工作台的回转轴)垂直于X0Z0平面，加工时回转工作台分别旋转4°、40°和94°，则斜法兰可以正对机床主轴进行加工。 依此分析，按照工件和机床模型，以机床坐标系X0Z0平面为投影面，在CAD软件中建立工件和机床坐标系的二维模型(见图3)。  图3 工件和机床二维模型 机床坐标系(X0，Y0，Z0)为绝对坐标系，机床坐标系零点为绝对零点。工件装卡找正后Y坐标始终不动，我们仅讨论X和Z坐标的变换。回转工作台的中心点在机床坐标系中有唯一固定的坐标(X01，Z01)，工件装卡找正后的“正对时工件中心点”即工件坐标系原点(X1，Z1)，在机床坐标系中的坐标为(X02，Z02)。 2.3 模拟工件旋转过程 工件正对主轴时，所有加工部位以工件中心坐标(X02，Z02)为原点返尺寸加工。加工50°连接法兰面时，回转工作台逆时针旋转40°，则机床主轴垂直于50°连接法兰，此时的工件中心(X1′，Z1′)在机床坐标系中的坐标(X02′，Z02′)是机床加工的原点，从(X1′，Z1′)返尺寸加工螺纹孔系和法兰面。在CAD软件中模拟回转工作台旋转的过程，其中回转工作台的中心不动，机床坐标系原点不动，工件和回转工作台一起绕回转工作台中心逆时针旋转40°(见图4)。  图4 工件旋转过程模拟 图4中回转工作台的中心为旋转中心，固定不动；粗虚线为旋转前的工件50°连接法兰、4°法兰、94°尾部法兰和水平底平面；粗实线为旋转后的工件50°连接法兰、4°法兰、94°尾部法兰和水平底平面。此时50°连接法兰正对机床主轴，连接法兰上螺纹孔以A1点为零点，解出A1点在机床坐标系中的坐标(X03′，Z03′)即可进行加工。 已知回转工作台的中心坐标为(X01，Z01)，根据旋转后的工件中心与回转工作台中心的相对位置关系，可知旋转后的工件中心坐标(X02′，Z02′)为： X02′= X01+ΔX Z02′= Z01+ΔZ 则根据图样尺寸关系可知A1点的坐标(X03′，Z03′)为： X03′= X02′- 465.889 Z03′= Z02′+300 由此，得出了A1点坐标。同理，加工4°法兰和94°尾部法兰时，工件旋转4°和94°，画出工件旋转的CAD模拟图形，从模拟图上可以测得旋转前、后的工件中心相对尺寸，从而得到旋转后的工件中心，作为数控程序的零点进行加工。 2.4 将模拟信息转化为数字信息 虽然通过模拟的方法解决了坐标旋转换算问题，但是每装卸一次工件，就要重新画图，根据工件装卡位置调整回转工作台中心相对工件的位置，再旋转模拟，测量相对尺寸，计算旋转后的坐标。每个件3个斜面要模拟、测量和计算3次，过程复杂易出错，因此有必要将过程进行简化、固定，制作1个模板，每次只需要输入正对时的工件中心坐标，就可以得到旋转各个角度后的工件中心坐标，立即投入现场指导加工。 以底座下部为例，设回转中心的坐标(X01，Z01)为(X1，Z1)，正对时工件中心坐标(X02，Z02)为(X2，Z2)，通过分析图4中的三角函数关系，计算过程如下。 1)工件中心与回转工作台中心的距离S1为：  2)旋转94°后的工件中心坐标(X01′，Z01′)为(X31，Z31)：   3)旋转40°后的工件中心坐标(X02′，Z02′)为(X32，Z32)：   4)旋转4°后的工件中心坐标(X03′，Z03′)为(X33，Z33)：   将上述计算结果写入Excel表格，形成标准模板，并注释文字说明。每次装卡找正工件后，将工件中心坐标输入表格，即可立即生成现场坐标转换的指导文件，坐标计算精度达到0.001 mm以上，消除传统利用工艺参考点多次打坐标的误差，可以快速精确指导产品的批量精加工。 3 结语本文通过CAD二维图形模拟和三角函数的分析计算，建立了三轴数控镗铣床加工大型带空间角度零件时坐标转换的方法，编制了GE2.5底座精加工旋转坐标计算模板，并实际应用于生产指导，取得了非常好的效果，尤其适用于批量精加工，解决了以往制作工艺参考基准、反复对刀，消除了对刀误差，也大大节约了坐标换算时间，为加工各类大型带空间角度零件提供了高效的坐标计算方法和实践依据。 参考文献： [1] 覃新传.浅谈数控机床大型零件的加工工艺[J].中国机械，2015(24):122-124. [2] 王化清.大型工件翻转设备的设计与应用[J].金属加工(冷加工)，2010(1):42-45. [3] 朱冬梅，等.画法几何及机械制图[M].北京：高等教育出版社，1998. [4] 吕亚臣，等.重型机械工艺手册[M].哈尔滨：哈尔滨出版社，1998. [5] 孔祥毅，杨晓雨.基于三轴联动数控镗铣床加工嵌入式接管的方法[J].石油化工设备，2014(S1):46-48. 责任编辑 郑练 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 中图分类号：TG 659；TG 536 文献标志码：A 作者简介：王彦涛(1984-)，男，工程师，硕士，主要从事机械设计、机械精密加工等方面的研究。 收稿日期：2016-11-25 |
|
|
