1 引言為了對一批用于重點工程的大型工件進行精密加工，需要設(shè)計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，要求兩個待加工面相互平行且與頂面垂直(單面最大加工余量僅有5mm)。加工設(shè)備為兩臺五軸臥式數(shù)控銑床，刀具為Ø300mm 端面銑刀。通過仔細分析工況，首先要解決以下兩個問題：①對如此重的工件是否還需要夾緊裝置來保證工件在加
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工過程中的穩(wěn)定性？是否需要特殊的支撐裝置？②為了保證加工要求，使工件兩個待加工面均有加工余量且與頂面垂直，需對工件進行準確定位。由于工件很重，難于按常規(guī)方法通過位置調(diào)整找正工件，因此需尋求一種簡單快捷的定位方法，即只需將工件可靠而穩(wěn)定地放置在機床的加工范圍內(nèi)，不管工件位置狀態(tài)如何，都能通過測量和計算等手段達到工件準確定位的目的。本文通過分析和計算工件加工及使用時的受力狀態(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)用三維測量及坐標變換來確定工件與機床間的位置關(guān)系，達到不用調(diào)整工件位置而實現(xiàn)準確定位的目的。 2 裝夾方案設(shè)計為了使工件加工時與使用時的受力狀態(tài)保持一致，按設(shè)計要求對工件進行4 點支撐(如圖2 所示)。圖中N1、N2、N3、N4為工件所受支撐力，F(xiàn)Z、FX為工件加工時所受切削力，工件重量為G。根據(jù)機床主軸功率、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，工件主要會產(chǎn)生兩種影響其穩(wěn)定性的運動趨勢，即繞ad軸的翻轉(zhuǎn)及在abcd平面內(nèi)的竄動。若對工件只支撐不夾緊，則工件加工時的穩(wěn)定性取決于工件依靠自重G 及摩擦力f 抵抗翻轉(zhuǎn)和竄動的能力。由于對工件進行單側(cè)加工時工件的受力狀況比雙側(cè)同時加工時的受力狀況惡劣，所以本文僅對工件單側(cè)加工時的穩(wěn)定性進行分析和計算。 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翻工件抗竄動能力： 由圖2 可知，由切削力引起的最大竄動力為 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，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程中的穩(wěn)定性，所以在工裝設(shè)計時可以不考慮夾緊機構(gòu)。為了保證工件4 個支撐點的支撐力相等，我們采用了美國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、信號電纜、電源線等組成，系統(tǒng)既可用液壓頂升部件所受的負載作為反饋信號進行力同步控制，也可用頂升部件的位移作為反饋信號進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。啟動頂升系統(tǒng)，使液壓頂升部件與工件底面接觸，同時用各頂受力作為反饋信號，當各頂受力達到20t 時均停止頂升，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控制各頂同步頂升(保持頂升過程中工件所受的4點支撐力相等)，將工件頂離支撐臺、到達適當位置后，用機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，啟動系統(tǒng)并松開系統(tǒng)自鎖裝置，控制支撐頂同步回落，將工件輕輕放在支撐臺上。 3 定位方案設(shè)計采用五軸數(shù)控機床加工時，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定位。為了達到不用調(diào)整工件位置而實現(xiàn)準確定位的目的，通過三維測量及坐標變換來確定工件與機床間的位置關(guān)系。具體程序如下： 設(shè)定測量點 建立如圖3 所示工件坐標系，在工件上設(shè)定a、b、c、d 共4 個定位測量點，要求各點距頂面距離相等；e 點和f 點分別為ab 連線及cd 連線的中點，工件坐標系原點與e 點重合，工件坐標系x'軸與ef 連線重合，y'軸與平面cde 垂直，以保證工件坐標系位置的正確性。
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測量 用三坐標測量頭對a、b、c、d 各點進行測量，可得到各點的機床坐標值，e、f 點的機床坐標值可通過a、b、c、d 各點的機床坐標值計算求得。設(shè)a、b、c、d 各點在機床坐標系中的測量值分別為 A=(xa，ya，za)，B=(xb，yb，zb)， C=(xc，yc，zc)，D=(xd，yd，zd) 則e、f 點的機床坐標值分別為 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) 坐標系的轉(zhuǎn)換 根據(jù)空間幾何的相關(guān)理論，機床坐標系W機與工件坐標系W工存在如下變換關(guān)系： W機=W工TtTzTxTy其中Tt、Tz、Tx及Ty為坐標變換矩陣，其幾何意義及求解方法如下： Tt：平移工件坐標系W工使其原點與機床坐標系W機原點重合，且  式中(ex，ey，ez)為e 點在機床坐標系中的坐標值E。Tz：將經(jīng)過Tt平移后的W工繞機床坐標系的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的正負號與Vx的正負號相同。Ty：將經(jīng)過Tt、Tz轉(zhuǎn)換后的W工繞機床坐標系x軸旋轉(zhuǎn)b角，使y'與y 重合，則  式中b=arccos［ |Vy|/(V2x+V2y+V2z)½]，b 的正負號與Vz的正負號相反。Ty：將經(jīng)過Tt、Tz、Tx轉(zhuǎn)換后的W工繞機床坐標系y軸旋轉(zhuǎn)a角，使x'與x 重合，即  由于矢量H經(jīng)過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的正負號與Mz的正負號相同。 用工件上編程所需特征點構(gòu)造一n×4矩陣Z工，Z工的前3列為各點在工件坐標系W工中的坐標值，第4列全為1；用類似方法再構(gòu)造一n×4 矩陣Z機，其前3列為各對應(yīng)點在機床坐標系W機中的坐標值。 
 則：Z機=Z工TtTyTx 計算機床主軸擺角 從圖3 可以看出，加工工件時機床主軸必須與矢量K的方向一致，我們假定加工時先將主軸繞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 的正負號與Ky相同。 B=arccos[| Kz | (/K2x+K2z)½]，B 的正負號與Kx相同。至此，我們完成了工件從工件坐標系到機床坐標系的轉(zhuǎn)換計算以及機床主軸擺角的計算。這實際上是用一種新的思路解決了任意放置工件在機床坐標系中的加工定位問題，接下來的數(shù)控編程加工即可按常規(guī)方法進行。 4 實施效果我們根據(jù)上述裝夾和定位方案加工了900 個大型工件，不僅全部達到設(shè)計要求，而且在縮短施工準備周期、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。通過此加工實例對大型工件的裝夾、定位和加工方案的設(shè)計進行了有益的探索，希望對同行有所裨益。 |
