CNC四軸加工中任意點(diǎn)位的坐標(biāo)系追蹤

四軸CNC加工中心



在帶旋轉(zhuǎn)工作臺的四軸加工中心上，已知工件上任一點(diǎn)的坐標(biāo)及該點(diǎn)法向與機(jī)床Z軸的夾角，利用宏程序可以很快地求出工件旋轉(zhuǎn)任一角度某點(diǎn)的新坐標(biāo)，使刀具能快速準(zhǔn)確地定位于工作臺旋轉(zhuǎn)后的新點(diǎn)位，從而實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)位的坐標(biāo)跟蹤功能，在該點(diǎn)的法向平面內(nèi)編程，很容易實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)。在進(jìn)行復(fù)雜工件的多面加工時(shí)，可以極大的減輕工人的找正強(qiáng)度，同時(shí)又大大地簡化編程，效率得到大幅提升，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

四軸加工中心，除X、Ｙ、Ｚ三軸外，一般有一旋轉(zhuǎn)工作臺，立式加工中心為繞Ｘ或Ｙ旋轉(zhuǎn)的Ａ或Ｂ軸。臥式加工中心為繞Ｙ軸旋轉(zhuǎn)的Ｂ軸。無論是立加還是臥加，在加工時(shí)，工件裝在旋轉(zhuǎn)工作臺上，操作者都需要先找正工件，然后將找正數(shù)值輸入到數(shù)控系統(tǒng)的坐標(biāo)偏置寄存器中，這樣就確定了一個(gè)工件坐標(biāo)系。然而，不同的零件其形狀、加工部位和裝夾姿態(tài)不同，所對應(yīng)的找正基準(zhǔn)也就不同，所設(shè)定的坐標(biāo)系也是不同的，即工件坐標(biāo)系是隨不同的零件而隨機(jī)設(shè)定的。但是有一部份工件，其加工部位與找正基準(zhǔn)所確定的坐標(biāo)系對應(yīng)著一定的角度關(guān)系，該角度可能是一個(gè)變量，且在圖紙上所標(biāo)的基準(zhǔn)往往是找正基準(zhǔn)。操作者在加工此類工件是如果沒有夾具定位，不同的工件需要找正坐標(biāo)系，每次裝夾都要進(jìn)行細(xì)心繁瑣的計(jì)算，以求出所加工點(diǎn)位坐標(biāo)與工作臺旋轉(zhuǎn)中心的偏移量，或者通過先旋轉(zhuǎn)工件后再找正加工點(diǎn)位面的方法，這樣不僅效率極為低下并且易出錯(cuò)，而且大量占用了機(jī)床的調(diào)試時(shí)間，增加操作者的工作強(qiáng)度。


如何能讓操作者按圖紙找正工件的基準(zhǔn)，不用考慮工件旋轉(zhuǎn)的點(diǎn)位變換，就可以在找正的基準(zhǔn)下的坐標(biāo)系內(nèi)直接編程，快速地進(jìn)行加工呢？利用宏程序來進(jìn)行坐標(biāo)變換，計(jì)算出工作臺旋轉(zhuǎn)任一角度后的點(diǎn)位的新坐標(biāo)，從而使刀具快速定位于工件上的這一坐標(biāo)點(diǎn)，可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。



2關(guān)鍵點(diǎn)位及坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換




如圖一所示加工工件時(shí)加工中心的相關(guān)坐標(biāo)系。機(jī)床坐標(biāo)系是機(jī)床廠家設(shè)置在機(jī)床上的一個(gè)物理原點(diǎn)，一經(jīng)回參考點(diǎn)，機(jī)床坐標(biāo)系就建立起來了，它的原點(diǎn)即為機(jī)床的絕對原點(diǎn)。工件坐標(biāo)系是以工件上的某一點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，操作者找正工件后將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)偏置內(nèi)的值即為工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)，它在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置如圖所示為A1,B1,C1值。利用數(shù)學(xué)中的疊加原理對機(jī)床回轉(zhuǎn)中心及加工坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行變換，如下所示：四軸的旋轉(zhuǎn)工作臺的旋轉(zhuǎn)中心（P旋轉(zhuǎn)）則是在機(jī)床中的一個(gè)固定點(diǎn)，它在機(jī)床坐標(biāo)中的位置也是固定的，其（P旋轉(zhuǎn)）在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置為A,B,C值。故可以求得工件坐標(biāo)系與四軸旋轉(zhuǎn)中心（P旋轉(zhuǎn)）的相對關(guān)系為：

a=A A1

b=B B1

c=C C1



如圖二所示，工件上任一點(diǎn)V1點(diǎn)繞旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)中心(P旋轉(zhuǎn)）旋轉(zhuǎn)任一角至V2點(diǎn)，V2點(diǎn)的新坐標(biāo)可以分以下三步完成：將V1點(diǎn)平移至V1’點(diǎn)，用圖形變換原理可以理解為將工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)平移至四軸旋轉(zhuǎn)中心。 V1’點(diǎn)繞X軸作d1角度的旋轉(zhuǎn)，可以理解為V1’繞四軸旋轉(zhuǎn)中心（P旋轉(zhuǎn)）作旋轉(zhuǎn)。 將V2’點(diǎn)移回V2點(diǎn)，可以理解為將工件坐標(biāo)原點(diǎn)從四軸旋轉(zhuǎn)中心移回。這樣只要通過數(shù)控系統(tǒng)的宏程序功能，運(yùn)用正余弦運(yùn)算就比較容易編制出如下所示四軸加工中心旋轉(zhuǎn)工作臺任意一點(diǎn)跟隨坐標(biāo)系的宏程序。 


3利用宏程序?qū)崿F(xiàn)任意點(diǎn)位的坐標(biāo)系追蹤



為了操作簡便，操作者可以利用數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)寄存器將事先找正的四軸旋轉(zhuǎn)工作臺的（P旋轉(zhuǎn)）坐標(biāo)值輸入到G59坐標(biāo)系，將裝夾好的工件基準(zhǔn)面找正設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度基準(zhǔn)A0值并輸入到G54坐標(biāo)系的A坐標(biāo)中，將要加工的點(diǎn)位坐標(biāo)輸入到G58坐標(biāo)系中。運(yùn)用G58坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值減去G59坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，即得到如圖一中所示的A,B,C值，可以理解為已將工件坐標(biāo)系原點(diǎn)平移至四軸旋轉(zhuǎn)中心；這時(shí)可以旋轉(zhuǎn)工作臺至如圖二所示的d1角度；再通過三角函數(shù)計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角度后的直線位移，并疊加到原G59坐標(biāo)系中，這樣如圖二所示可以理解為將工件標(biāo)系原點(diǎn)從四軸旋轉(zhuǎn)中心移回新位移的V2點(diǎn)。最后調(diào)用系統(tǒng)參數(shù)將經(jīng)過宏程序計(jì)算過的G59疊加后坐標(biāo)值重新賦值給G54坐標(biāo)中。如下所示，將該宏程序命名為O9011，同時(shí)將系統(tǒng)NO.6051號參數(shù)寫入123，再以后的加工中則可以直接編寫G123調(diào)用O9011宏程序，從而實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)位的坐標(biāo)跟蹤。

%

O9011

#999=#1

(將旋轉(zhuǎn)角度值A(chǔ)賦值給宏參數(shù)#999)

#952=#5302 #5322

(將G58坐標(biāo)系Y值減去G59坐標(biāo)系Y值) 

#953=#5303 #5323

(將G58坐標(biāo)系Z值減去G59坐標(biāo)系Z值)  

#955=SQRT[[#951*#951]+[#952*#952]]

(求出工件坐標(biāo)原點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)中心的距離值R)

#956=ASIN[#952/#955]

(求出工件坐標(biāo)原點(diǎn)在以旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的夾角α)

IF[#952LE0]GOTO9002

(判斷角度旋轉(zhuǎn)方向是否與規(guī)定旋轉(zhuǎn)軸正方向一致)

N9001#956=180. #956

(如果不一致取其補(bǔ)角)

N9002#961=#955*COS[#956 #999]

(將工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在以旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中向Y方向的投影矢量賦值給宏參數(shù)#961) 

#962=#955*SIN[#956 #999]

(將工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在以旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中向Z方向的投影矢量賦值給宏參數(shù)#962)

G10G90L2P1X[#5321]Y[#961+#5322]Z[#962+#5323]

(求出旋轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)系G59的Y和Z方向值與工件坐標(biāo)原點(diǎn)在以旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系中各方向投影矢量和，并將之賦值給G54坐標(biāo)系）

M99

% 


4實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用操作




如圖三所示零件，在四軸加工中心上需要完成打沉孔，鉆深孔等工序，利用各孔位與A0基準(zhǔn)面的角度關(guān)系和尺寸關(guān)系，通過點(diǎn)位坐標(biāo)系跟蹤的宏程序，只要一次找正A面，即可準(zhǔn)確地定位其它各點(diǎn)的坐標(biāo)與刀具的相對位置，在實(shí)際生產(chǎn)中獲得了較高的尺寸精度和生產(chǎn)效率。其加程式在四坐標(biāo)加工中心2033VMC上經(jīng)過加工驗(yàn)證，程序如下：

%

O1578

G91 G28 Z0;

G0 G90 G54;

G123 A220.568;

G0 G90 G54 X0 Y 116. A220.568 ;

M98 P0001;

G91G28Z0;

M01;

G0 G90 G54;

G123 A40.568;

G0 G90 G54 X0 Y 126.88. A40.568 ;

M98 P0002;

G91G28Z0;

M01;

G0 G90 G54;

G123 A310.568;

G0 G90 G54 X0 Y130. A310.568 ;

M98 P0003;

G91G28Z0;

M01;

G0 G90 G54;

G123 A275.568;

G0 G90 G54 X0 Y0 A275.568 ;

M98 P0004;

G91G28Z0;

G28Y0;

M30;

%


%

O0001

T1 M6；(雙刃銑刀 D=10)

G0 G90 G43 H1 Z130. S1000 M3;

M8;

G83 Z 65. Q1. R 60. F150;

G80;

T2 M6；(合金鉆 D=5)

G0 G90 G43 H2 Z130. S1500 M3;

M8;

G83 Z 130. Q3. R 70. F150;

G80;

M99;

%

%

O0002

T3 M6；(雙刃銑刀 D=15)

G0 G90 G43 H3 Z230. S600 M3;

M8;

G83 Z175. Q1. R185. F90;

G80;

T4 M6；(合金鉆 D=9)

G0 G90 G43 H4 Z230. S1000 M3;

M8;

G83 Z145. Q2. R180. F100;

G80;

M99;

%

%

O0003

T5 M6；(雙刃銑刀 D=14)

G0 G90 G43 H5 Z60. S800 M3;

M8;

G83 Z 101. Q1. R 95. F80;

G80;

T6 M6；(合金鉆 D=8.6)

G0 G90 G43 H6 Z230. S1000 M3;

M8;

G83 Z 120. Q2. R 99. F100;

G80;

M99;

%


%

O0004

T7M6；(雙刃銑刀 D=10)

G0 G90 G43 H7 Z100. S1200 M3;

M8;

G83 Z20. Q1. R70. F120;

G80;

T8 M6；(合金鉆 D=5)

G0 G90 G43 H8 Z100. S1500 M3;

M8;

G83 Z 141.61. Q1. R60. F100;

G80;

M99;

%



5實(shí)戰(zhàn)改善及精要總結(jié)



在實(shí)際生產(chǎn)中，通過宏程序?qū)崿F(xiàn)在數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺上任意點(diǎn)位的坐標(biāo)跟蹤具有較強(qiáng)的實(shí)際意義，體現(xiàn)出以下優(yōu)勢：

01

簡化計(jì)算，簡化編程

   避免了在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中旋轉(zhuǎn)CAD模型，以求得各點(diǎn)位的坐標(biāo)，也省去了使用計(jì)算機(jī)輔助制造軟件編制CAM刀具路徑，只需要手工編程的方式就可達(dá)到目的，節(jié)省了投入和時(shí)間，大幅提高編程效率。

02

提高效率，降低強(qiáng)度

   一次裝夾只需一次找正一個(gè)基準(zhǔn)面，再根據(jù)圖紙尺寸關(guān)系和角度關(guān)系，即可準(zhǔn)確定位刀具在其它點(diǎn)位的坐標(biāo)，避免了因不同加工面而采用不同的找正基準(zhǔn)的方式來加工，極大地減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)大大減少了停機(jī)設(shè)定調(diào)試的時(shí)間。

03

擴(kuò)展系統(tǒng)，提升水準(zhǔn)

   使用宏程序變換坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，并通過修改系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)定為用戶可以使用的G代碼，在編制程序時(shí)簡單快捷，在查閱程序時(shí)一目了然，豐富了用戶功能代碼，擴(kuò)展了數(shù)控系統(tǒng)的功能，提升了四軸機(jī)床的應(yīng)用水平。


   通過利用宏程序較強(qiáng)的數(shù)學(xué)與邏輯運(yùn)算能力，針對某一類相似零件編制出具有“柔性”的加工程序，準(zhǔn)、快、好的完成加工生產(chǎn)，進(jìn)而提升數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用水平，希望本文在此起到一個(gè)拋磚引玉的作用。