孙智源，张承冰，杨巍，倪家强，王晓峰

(沈阳飞机工业(集团)有限公司工程技术中心，辽宁沈阳 110850)

随着航空零件结构复杂性和制造精度要求的不断提高，其加工难度也不断增大，对数控加工设备的行程、精度等主要性能要求也越加苛刻。在实际生产中，通常根据零件结构特点、复杂程度及尺寸选择不同结构形式的数控设备进行加工。一般情况下，对于结构简单、不存在五轴加工特征的零件可选用三轴数控加工设备；
而五轴联动机床主要用于结构复杂、存在开闭角及复杂曲面特征的大型结构件加工。其中，双摆轴五轴联动机床的摆轴结构多样，如A-B、A-C及B-C等形式。A-B结构摆轴行程较小，介于0～1/2π之间；
而A-C摆轴行程相对较大，C轴旋转角度介于π～2π之间，但仍无法实现模态主轴的整周旋转[1-2]。因此，存在的主要问题是机床加工范围受限。在航空零件的制造中，经常出现超出机床行程的现象。

目前，针对双摆轴五轴联动机床旋转角度受限的问题，唐清春等[3-4]针对A-C式双摆轴五轴机床C轴不能360°自由回转的问题，研究后置处理旋转角的优化选择方法，并对该优化方法进行了试验验证；
武跃等人[5-6]基于A-C双转台五轴联动数控机床，运用最短路径算法，对后置处理中A、C2个轴的旋转角进行了选择优化，进而达到优化刀路以及减小机床运动学误差的目的。但上述研究主要集中在A-C结构机床非模态C轴旋转角度范围大于π时的回转路径优化选择及后置处理软件开发上，而针对A-B双摆轴结构机床A、B摆轴旋转范围较小，应用范围受限问题的研究较少。

目前，为解决在航空零件制造中，应用A-B双摆轴五轴联动机床经常出现超出机床行程的问题，飞机零件生产厂常用的方案有2个：(1)在进行数控编程时考虑机床极限旋转角度，将零件的特殊结构依据机床行程极限进行区域划分，超出机床加工范围的部分由普通铣床加工完成；
(2)直接将整个特征结构由普通铣床加工完成，以简化工序流程。但上述2种方法均需要预先在零件上刻划待加工形面的投影曲线，再通过刀具逐渐逼近该投影曲线实现加工。因此，加工后零件的尺寸及轮廓精度较低，实际形面误差较大，表面质量及加工效率较低，且无法实现双曲面的铣削加工。

本文作者研究基于现有A-B双摆轴的五轴联动加工设备，以某机钛合金伞舱支座为加工对象，通过建立机床运动学模型，分析增大机床旋转行程的方法，研究机床最大摆角行程及零件允许最大转动范围，探究零件快速定位方法。

某机伞舱支座是飞机阻力伞舱的重要连接件，材料为钛合金TA15(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)，零件数模如图1所示。零件两端分别与伞舱外轮缘和垂直隔板相连；
外形面为理论外缘变角度曲面，与飞机蒙皮贴合，并通过两处交点孔与后机身对合，具有传递一定载荷和实现飞机各部位连接的作用。

图1 某机伞舱支座三维结构

该零件腹板及缘条较薄，且毛料余量较大，加工中腹板容易发生翘曲等变形。交点孔孔位及装配槽口要求严格，加工槽口时需严重保证槽口尺寸及上下两侧壁厚。零件外形配合精度高，外形公差为-0.3～0 mm，加工后需采用测量机进行精密测量。耳片及缘条曲面切线与腹板所成最大角度分别为64°、119°，且要求表面粗糙度Ra为1.6 μm。

为满足精度要求，本文作者采用A-B双摆轴RAMMATIC五坐标立式铣床对该零件进行整体加工。利用专用工装，采用两孔一面及压板定位压紧方式固定零件。

以加工缘条形面为例，按照常规方式，以零件腹板上的2个交点孔为基准孔建立零件坐标系OwXwYwZw，如图2所示。此时，缘条形面直母线与OwXw平行，则该处形面与Zw成29°夹角。在铣削时，可通过A轴旋转29°实现零件缘条加工。但文中所采用的五坐标立式铣床为非模态主轴类机床，A、B摆轴无法进行整周回转，仅具有±25°的旋转行程。所需的A轴理论旋转角度已超出机床行程，无法单纯地通过A轴旋转实现零件缘条及耳片处外形的大角度曲面加工。

图2 常规坐标系下所需摆轴旋转角度

在图2所示的基础上，将零件在OwXwYw平面内绕Zw轴转动一个角度β，建立新零件坐标系OwXβYβZβ，如图3所示。此时刀具轴线由处于OwYwZw平面内变为与Zw形成了空间角度，即在新坐标系下，A、B摆轴同时旋转，使刀具轴线同时与Xβ及Yβ形成一定大小的夹角，刀具主轴与Zw构成复合角度φ。若此复合角度φ大于A、B摆轴的摆角行程，且满足所需加工摆角大小，则可通过转动零件，使刀具轴线与Zw形成复合摆角，由此扩大刀具摆角范围，实现大角度外形的五轴加工。因此，首先需要确定机床复合摆角与A、B轴旋转行程的对应关系及其最大值。

图3 零件位置变换后刀轴摆角示意

2.1 机床运动学模型

以机床摆轴的回转中心为原点，建立机床固定坐标系OXYZ。由于该机床结构为B轴基于A轴转动，在构成复合摆角时，A轴于初始位置绕机床固定坐标系X轴旋转角度a后，形成坐标系OXaYaZa，此时Za为刀具主轴的实际位置方向，与Z轴所成角度为a；
B轴基于坐标系OXaYaZa，绕Ya轴旋转角度b后形成坐标系OXbYbZb，此时Zb轴为最终刀具主轴方向，OXbYbZb为刀轴坐标系，与Za轴所成角度为b。机床固定坐标系、刀轴坐标系与工件坐标系各轴方向均相同，从而得到零件转动后的机床运动学模型，如图4所示。

图4 零件旋转后机床运动学模型

基于多体系统理论，针对机床结构将切削运动系统分为2个子运动链，分别为由机床床身到刀具构成的运动链及由机床床身到工件构成的运动链[7-8]，如图5所示。

图5 切削系统运动链

2.2 机床最大复合摆角范围

在由机床床身到刀具构成的运动链中，设刀具端部中心到原点O的长度为T，端部中心在机床坐标系OXYZ内坐标为x,y,z、在坐标系OXbYbZb内的坐标为xb,yb,zb。基于多体系统理论，通过坐标变换有：

(1)

式中：z=-Tcosφ；
zb=-T；
yb=0；
xb=0。

因此可以求得：

cosφ=cosa·cosb

(2)

公式(2)即为刀具轴线与机床固定坐标系OXYZ中Z轴所形成的空间复合角度φ及a、b角度之间的对应关系。由此可知，当机床A、B轴均旋转至25°极限位置时，复合角度φ为34.8°，即刀具置于空间的角度范围由25°扩大至34.8°。故在利用刀具侧刃进行曲面加工时，当所需刀具摆角介于25°～34.8°之间时，可将零件在OwXwYw平面内绕Zw轴旋转一定角度，使单一轴回转变换为两轴配合回转，从而形成复合摆角，实现零件的大角度曲面加工。

根据上述论证，可通过调整零件空间位置，使它转动一定角度来控制机床复合摆角。因此，需确定零件转动角度β与最大复合摆角φ之间的对应关系，仅当零件在一定角度范围内转动时，才可保证刀轴置于空间的复合摆角在机床固有最大复合摆角范围之内。

在整个切削运动系统运动链中，设刀具端部中心点在坐标系OwXβYβZβ中的坐标为(xβ,yβ,zβ)，在坐标系OwXwYwZw中的坐标为(xw,yw,zw)。基于多体系统理论，通过坐标变换有：

(3)

式中:zw=Tcosφ;yw=-Tsinφ；
xw=0。

由公式(1)—(3)可得：

sinβ=sinb/sinφ

(4)

cosβ=sinacosb/sinφ

(5)

由公式(4)(5)，且a≤25°、b≤25°，0°≤β≤90°、0°≤φ≤34.8°可知：

当0°≤φ≤25°时有：

0°≤β≤90°

(6)

当25°<φ≤34.8°时有：

(7)

因此，由公式(6)(7)可知，当所需主轴摆角小于25°时，可利用单一轴旋转或将零件在OwXwYw平面内介于0°～90°之间任意转动形成复合摆角以实现外形的五轴加工。当所需主轴摆角达到极限值34.8°时，零件绕Zw轴转动角度唯一，即47.8°。当所需主轴摆角介于25°～34.8°之间时，零件绕Yw轴旋转角度范围较大，仅需满足公式(7)即可。

经计算，在铣削某机伞舱支座时，令零件在XY平面内转动44.248°，此时A轴旋转19.1°、B轴转动22.9°，可实现其缘条及外形的精密加工，很好地解决了在RAMMATIC五坐标立式铣床上加工该零件的超程问题。

在实际生产中，零件转动角度的测量需要采用角度测量仪，操作比较繁琐，影响生产效率。从图4可以看出，零件旋转角度β和刀具轴线在OwXβYβ平面内的投影与Yβ轴夹角相同。而零件转动角度β可通过零件转动后两基准孔之间的阶差计算得出。设两基准孔直线距离为L，阶差为L0，则L、L0与β之间的对应关系为

β=arcsin(L0/L)

(8)

结合公式(9)，可以得到L、L0与φ之间的对应关系：

(9)

因此，若无需使用专用工装时，在装夹零件过程中，可以直接通过调节2个基准孔之间的阶差L0，使零件处于合理位置，得到相应的机床复合摆角，以满足实现需求。这样可避免采用角度测量仪测量工件旋转角度，能提高效率。

若零件数量较多，存在同批次相同零件需要同时加工的情况时，无论是通过调整每个零件的旋转角度还是调节基准孔阶差使其处于合适位置，繁琐的调整过程均会大大降低加工效率。因此，为方便快速确定零件的合理位置，可将此转动角度β投影至装夹工装，如图6所示。工装2个定位销之间的连线与两个找正原件连线的夹角为零件旋转角度β。零件置于工装上后，可利用工装找正元件快速拉直找正工装，此时零件自然处于合适位置，可有效保证零件缘条的顺利加工，缩短工艺准备时间。

图6 快速定位专用工装

本文作者针对现有机床摆轴行程无法满足飞机复杂结构件大角度开角或闭角缘条及外形加工的问题，提出了基于零件空间位置变化的扩大机床摆角行程方法。

(1)通过变换零件空间位置，可改变加工过程的机床摆轴旋转模式，从而有效增大机床行程。

(2)通过建立机床最大复合摆角与A、B摆轴旋转角度的对应关系，研究了机床复合摆角范围。结果表明：当机床摆轴行程为±25°时，最大复合摆角为34.8°。

(3)建立加工动态坐标系，在建立机床运动学模型的基础上，研究了零件转动角度与机床复合摆角之间的对应关系以及零件在加工平面内允许旋转的最大角度。结果表明：当所需机床摆角介于25°～34.8°时，零件可转动角度范围随所需摆角的增大而减小，由0°～90°的范围逐渐缩小，直至所需摆角为极限值34.8°时，转动角度范围缩小至唯一值47.8°。

(4)完成了专用快速定位工装设计，实现了零件合适位置的快速找正，避免了反复调节零件位置，提高了生产效率。

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