1 引言為了對(duì)一批用于重點(diǎn)工程的大型工件進(jìn)行精密加工，需要設(shè)計(jì)工件的裝夾及定位方案。該工件重約200(t 主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1 所示)，工件被加工部位材質(zhì)為ZG55，要求兩個(gè)待加工面相互平行且與頂面垂直(單面最大加工余量?jī)H有5mm)。加工設(shè)備為兩臺(tái)五軸臥式數(shù)控銑床，刀具為Ø300mm 端面銑刀。通過(guò)仔細(xì)分析工況，首先要解決以下兩個(gè)問(wèn)題：①對(duì)如此重的工件是否還需要夾緊裝置來(lái)保證工件在加
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工過(guò)程中的穩(wěn)定性？是否需要特殊的支撐裝置？②為了保證加工要求，使工件兩個(gè)待加工面均有加工余量且與頂面垂直，需對(duì)工件進(jìn)行準(zhǔn)確定位。由于工件很重，難于按常規(guī)方法通過(guò)位置調(diào)整找正工件，因此需尋求一種簡(jiǎn)單快捷的定位方法，即只需將工件可靠而穩(wěn)定地放置在機(jī)床的加工范圍內(nèi)，不管工件位置狀態(tài)如何，都能通過(guò)測(cè)量和計(jì)算等手段達(dá)到工件準(zhǔn)確定位的目的。本文通過(guò)分析和計(jì)算工件加工及使用時(shí)的受力狀態(tài)，提出了判斷大型工件的支撐與夾緊方式的具體方法；應(yīng)用三維測(cè)量及坐標(biāo)變換來(lái)確定工件與機(jī)床間的位置關(guān)系，達(dá)到不用調(diào)整工件位置而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的目的。 2 裝夾方案設(shè)計(jì)為了使工件加工時(shí)與使用時(shí)的受力狀態(tài)保持一致，按設(shè)計(jì)要求對(duì)工件進(jìn)行4 點(diǎn)支撐(如圖2 所示)。圖中N1、N2、N3、N4為工件所受支撐力，F(xiàn)Z、FX為工件加工時(shí)所受切削力，工件重量為G。根據(jù)機(jī)床主軸功率、切削參數(shù)及銑削方式估算出FZ≤5428.4N，F(xiàn)X≤2285.6N。為了防止工件與支撐點(diǎn)因虛接觸而影響穩(wěn)定性，要求N1、N2、N3、N4均為G/4。在上述條件下，由于切削力FZ、FX的作用，工件主要會(huì)產(chǎn)生兩種影響其穩(wěn)定性的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，即繞ad軸的翻轉(zhuǎn)及在abcd平面內(nèi)的竄動(dòng)。若對(duì)工件只支撐不夾緊，則工件加工時(shí)的穩(wěn)定性取決于工件依靠自重G 及摩擦力f 抵抗翻轉(zhuǎn)和竄動(dòng)的能力。由于對(duì)工件進(jìn)行單側(cè)加工時(shí)工件的受力狀況比雙側(cè)同時(shí)加工時(shí)的受力狀況惡劣，所以本文僅對(duì)工件單側(cè)加工時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和計(jì)算。 工件抗翻轉(zhuǎn)能力： 由切削力FZ產(chǎn)生的繞ad 軸的翻轉(zhuǎn)力矩為 M翻=FZ×1.875=5428.4×1.875=10178.25Nm 由工件自重產(chǎn)生的抗翻轉(zhuǎn)力矩為 M抗=G×3.98/2=2000000×1.99=3980000Nm 可知 M抗>M翻工件抗竄動(dòng)能力： 由圖2 可知，由切削力引起的最大竄動(dòng)力為 F=FZ+FX=(FZ2+FX2)½=(5428.42+2285.62)½=5889.9N 取工件與支撐裝置間的摩擦系數(shù)為0.3，則工件與支撐裝置間的摩擦力為f=G×0.3=2000000×0.3=600000N 可知 f>F 由以上分析結(jié)果可以看出：在銑削該大型工件時(shí)，即使不夾緊，僅靠工件自重和摩擦力也能可靠保證工件在加工過(guò)程中的穩(wěn)定性，所以在工裝設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮夾緊機(jī)構(gòu)。為了保證工件4 個(gè)支撐點(diǎn)的支撐力相等，我們采用了美國(guó)ENERPAC 公司生產(chǎn)的CNC 同步頂升系統(tǒng)，系統(tǒng)由液壓頂升部件、液壓泵站、控制系統(tǒng)及連接各單元的液壓管路、信號(hào)電纜、電源線等組成，系統(tǒng)既可用液壓頂升部件所受的負(fù)載作為反饋信號(hào)進(jìn)行力同步控制，也可用頂升部件的位移作為反饋信號(hào)進(jìn)行頂升或下降同步控制。液壓系統(tǒng)的使用步驟如下： 預(yù)頂。啟動(dòng)頂升系統(tǒng)，使液壓頂升部件與工件底面接觸，同時(shí)用各頂受力作為反饋信號(hào)，當(dāng)各頂受力達(dá)到20t 時(shí)均停止頂升，但系統(tǒng)保持工作狀態(tài)。 同步頂升。用支撐頂頂升位移作為反饋信號(hào)控制各頂同步頂升(保持頂升過(guò)程中工件所受的4點(diǎn)支撐力相等)，將工件頂離支撐臺(tái)、到達(dá)適當(dāng)位置后，用機(jī)械自鎖裝置鎖定支撐頂位置并將系統(tǒng)關(guān)閉，以保證加工過(guò)程中工件位置狀態(tài)的穩(wěn)定性。 同步回落。加工結(jié)束后，啟動(dòng)系統(tǒng)并松開(kāi)系統(tǒng)自鎖裝置，控制支撐頂同步回落，將工件輕輕放在支撐臺(tái)上。 3 定位方案設(shè)計(jì)采用五軸數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，由于工件自重及結(jié)構(gòu)尺寸均比較大，難以用傳統(tǒng)的調(diào)整工件位置的方法來(lái)定位。為了達(dá)到不用調(diào)整工件位置而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的目的，通過(guò)三維測(cè)量及坐標(biāo)變換來(lái)確定工件與機(jī)床間的位置關(guān)系。具體程序如下： 設(shè)定測(cè)量點(diǎn) 建立如圖3 所示工件坐標(biāo)系，在工件上設(shè)定a、b、c、d 共4 個(gè)定位測(cè)量點(diǎn)，要求各點(diǎn)距頂面距離相等；e 點(diǎn)和f 點(diǎn)分別為ab 連線及cd 連線的中點(diǎn)，工件坐標(biāo)系原點(diǎn)與e 點(diǎn)重合，工件坐標(biāo)系x'軸與ef 連線重合，y'軸與平面cde 垂直，以保證工件坐標(biāo)系位置的正確性。
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測(cè)量 用三坐標(biāo)測(cè)量頭對(duì)a、b、c、d 各點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，可得到各點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值，e、f 點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值可通過(guò)a、b、c、d 各點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值計(jì)算求得。設(shè)a、b、c、d 各點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的測(cè)量值分別為 A=(xa，ya，za)，B=(xb，yb，zb)， C=(xc，yc，zc)，D=(xd，yd，zd) 則e、f 點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值分別為 E=(A+B)/2=((xa+xb)/2，(ya+yb)/2，(za+zb)/2) F=(C+D)/2=((xc+xd)/2，(yc+yd)/2，(zc+zd)/2) 相關(guān)矢量為 ec=C-E ed=D-A H=F-E=(Hx，Hy，Hz) V=ec×ed=(Vx，Vy，Vz) K=V×H=(Kx，Ky，Kz) 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 根據(jù)空間幾何的相關(guān)理論，機(jī)床坐標(biāo)系W機(jī)與工件坐標(biāo)系W工存在如下變換關(guān)系： W機(jī)=W工TtTzTxTy其中Tt、Tz、Tx及Ty為坐標(biāo)變換矩陣，其幾何意義及求解方法如下： Tt：平移工件坐標(biāo)系W工使其原點(diǎn)與機(jī)床坐標(biāo)系W機(jī)原點(diǎn)重合，且  式中(ex，ey，ez)為e 點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值E。Tz：將經(jīng)過(guò)Tt平移后的W工繞機(jī)床坐標(biāo)系的z軸旋轉(zhuǎn)g 角，使y'與yz 平面重合，則  式中g(shù)=arccos[|Vy|/(V2x+V2y)½]，g的正負(fù)號(hào)與Vx的正負(fù)號(hào)相同。Ty：將經(jīng)過(guò)Tt、Tz轉(zhuǎn)換后的W工繞機(jī)床坐標(biāo)系x軸旋轉(zhuǎn)b角，使y'與y 重合，則  式中b=arccos［ |Vy|/(V2x+V2y+V2z)½]，b 的正負(fù)號(hào)與Vz的正負(fù)號(hào)相反。Ty：將經(jīng)過(guò)Tt、Tz、Tx轉(zhuǎn)換后的W工繞機(jī)床坐標(biāo)系y軸旋轉(zhuǎn)a角，使x'與x 重合，即  由于矢量H經(jīng)過(guò)Tz、Tx轉(zhuǎn)換后已與xz平面重合，所以可將轉(zhuǎn)換后的矢量記為M=(Mx，0，Mz)，則 (Mx，0，Mz，1)=(Hx，Hy，Hz，1)TzTx a=arccos[|Mx|/(M2x+M2z)½]，a的正負(fù)號(hào)與Mz的正負(fù)號(hào)相同。 用工件上編程所需特征點(diǎn)構(gòu)造一n×4矩陣Z工，Z工的前3列為各點(diǎn)在工件坐標(biāo)系W工中的坐標(biāo)值，第4列全為1；用類(lèi)似方法再構(gòu)造一n×4 矩陣Z機(jī)，其前3列為各對(duì)應(yīng)點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系W機(jī)中的坐標(biāo)值。 
 則：Z機(jī)=Z工TtTyTx 計(jì)算機(jī)床主軸擺角 從圖3 可以看出，加工工件時(shí)機(jī)床主軸必須與矢量K的方向一致，我們假定加工時(shí)先將主軸繞x軸旋轉(zhuǎn)A角，再繞y 軸旋轉(zhuǎn)B角就可使主軸與矢量K的方向一致，則 A=arccos[(K2y+K2z)½(/K2x+K2y+K2z)½]，A 的正負(fù)號(hào)與Ky相同。 B=arccos[| Kz | (/K2x+K2z)½]，B 的正負(fù)號(hào)與Kx相同。至此，我們完成了工件從工件坐標(biāo)系到機(jī)床坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換計(jì)算以及機(jī)床主軸擺角的計(jì)算。這實(shí)際上是用一種新的思路解決了任意放置工件在機(jī)床坐標(biāo)系中的加工定位問(wèn)題，接下來(lái)的數(shù)控編程加工即可按常規(guī)方法進(jìn)行。 4 實(shí)施效果我們根據(jù)上述裝夾和定位方案加工了900 個(gè)大型工件，不僅全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且在縮短施工準(zhǔn)備周期、降低工裝成本及提高生產(chǎn)效率等方面的成效也非常顯著。通過(guò)此加工實(shí)例對(duì)大型工件的裝夾、定位和加工方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行了有益的探索，希望對(duì)同行有所裨益。 |
