四軸加工零點(diǎn)偏移坐標(biāo)軸補(bǔ)償技術(shù)的研究與應(yīng)用

■廣州市工貿(mào)技師學(xué)院 （廣東 510425） 郎永兵

四軸加工零點(diǎn)偏移坐標(biāo)軸補(bǔ)償技術(shù)的研究與應(yīng)用

■廣州市工貿(mào)技師學(xué)院 （廣東 510425） 郎永兵

摘要：本文通過(guò)對(duì)四軸加工工作零點(diǎn)偏移后各坐標(biāo)軸補(bǔ)償量的分析、計(jì)算，建立了與之相對(duì)應(yīng)的參數(shù)方程，應(yīng)用CAM軟件程序后置處理功能對(duì)加工程序的坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化控制，以宏程序表達(dá)式的形式輸出加工程序，從而實(shí)現(xiàn)了四軸工件零點(diǎn)的坐標(biāo)偏置補(bǔ)償。使四軸零件在加工時(shí)可任意裝夾，減少了零件校正誤差及加工輔助時(shí)間，有效提高了零件加工精度與裝夾效率。

四軸數(shù)控機(jī)床由3個(gè)直線坐標(biāo)軸和1個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸組成，并且4個(gè)坐標(biāo)軸可以在計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的控制下同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行零件加工。四軸加工的零件根據(jù)其形狀的不同，在四軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)上可自由選擇自定心卡盤(pán)、單動(dòng)卡盤(pán)及花盤(pán)裝夾。

1. 四軸零件的編程與裝夾方法

四軸數(shù)控機(jī)床根據(jù)編程坐標(biāo)系參考基準(zhǔn)不同，以A軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)為例，如圖1所示，主要有以下兩種編程、裝夾方案。

（1）以旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸為基準(zhǔn)的裝夾方式。該裝夾方式在進(jìn)行編程、加工時(shí)，零件編程坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)軸必須與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸相重合。具有零件加工基準(zhǔn)統(tǒng)一，編程、加工簡(jiǎn)單，裝夾、校正難度大及時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。主要應(yīng)用于四軸回轉(zhuǎn)零件和批量生產(chǎn)零件的加工。

圖1

（2）以零件編程坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)軸為基準(zhǔn)的裝夾方式。該裝夾方式在進(jìn)行編程、加工時(shí)零件編程坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸對(duì)應(yīng)并相互關(guān)聯(lián)，加工工件在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的任意位置裝夾后，需應(yīng)用數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)功能精確測(cè)定零件編程旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸之間的矢量關(guān)系，然后通過(guò)宏程序表達(dá)式功能對(duì)加工程序的各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行編程處理、計(jì)算，將工件編程旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸偏置到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸上，從而使編程旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)相統(tǒng)一。主要特點(diǎn)是零件可以在旋轉(zhuǎn)工件臺(tái)面上的任意位置進(jìn)行裝夾，從而使零件的裝夾、校正時(shí)間大大減少，有效提高了零件的加工效率，可較為方便地應(yīng)用于單件、異型件、小批量生產(chǎn)以及裝夾校正困難的四軸零件加工中。

2. 零點(diǎn)偏移與坐標(biāo)補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型的建立

圖2

（1）零點(diǎn)偏移坐標(biāo)。零點(diǎn)偏移坐標(biāo)是以旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸（A軸）為參考坐標(biāo)系（OA），工件編程坐標(biāo)系（Ow）旋轉(zhuǎn)軸的位置坐標(biāo)（Y，Z）。坐標(biāo)關(guān)系如圖2所示。工件的零點(diǎn)偏移坐標(biāo)是在四軸加工前必須確定的重要坐標(biāo)參數(shù)。在以旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸為基準(zhǔn)的裝夾方式中該坐標(biāo)的理想偏移量為0；而以零件編程坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)軸為基準(zhǔn)的裝夾方式

中該坐標(biāo)的偏移量為零件裝夾、校正后，在機(jī)床上坐標(biāo)中實(shí)際測(cè)量的坐標(biāo)值。

（2）坐標(biāo)補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型建立。根據(jù)零點(diǎn)偏移的坐標(biāo)關(guān)系，建立如圖3所示的數(shù)學(xué)模型。在圖3中，OA表示旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)（A軸）旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)系，OW表示工件編程原始坐標(biāo)系，OW′表示工件位于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)A′角度后的工件編程坐標(biāo)系。工件轉(zhuǎn)位前編程坐標(biāo)系的原點(diǎn)坐標(biāo)為OW（Y，Z），轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度A′后，編程坐標(biāo)系原點(diǎn)的原點(diǎn)坐標(biāo)為OW′（Y′，Z′），在以零件編程坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)軸為基準(zhǔn)的裝夾方式中,零點(diǎn)偏移坐標(biāo)OW與編程坐標(biāo)系原點(diǎn)的坐標(biāo)OW′必須根據(jù)編程旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)A對(duì)各個(gè)加工的直線坐標(biāo)軸坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)補(bǔ)償，最終使編程坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)床工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸相重合。

圖3

依據(jù)坐標(biāo)補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型，可用解析幾何中的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)公式對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化補(bǔ)償，結(jié)合數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸編程與實(shí)際加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式，推得編程坐標(biāo)在坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)點(diǎn)補(bǔ)償關(guān)系式為：

YOw=#1·cos(-A)-#2·sin(-A)

ZOw=#1·sin(-A)-#2·cos(-A)

3. 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸偏移補(bǔ)償策略

零件的四軸加工方式主要有四軸定向加工、四軸聯(lián)動(dòng)加工。依據(jù)零點(diǎn)坐標(biāo)偏移補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型與數(shù)控加工程序的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合坐標(biāo)軸偏移補(bǔ)償流程，可通過(guò)以下兩種方案對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸進(jìn)行偏移補(bǔ)償：

（1）宏程序編程——坐標(biāo)軸偏移補(bǔ)償。對(duì)于圓周孔及其他簡(jiǎn)單四軸定向加工中的坐標(biāo)軸偏移補(bǔ)償，可應(yīng)用數(shù)控機(jī)床的宏編程語(yǔ)言將數(shù)學(xué)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為宏程序，使其自動(dòng)計(jì)算出旋轉(zhuǎn)工作可旋轉(zhuǎn)后的新坐標(biāo)點(diǎn)，并應(yīng)用局部坐標(biāo)系設(shè)定指令（G52 IP）對(duì)編程坐標(biāo)系進(jìn)行偏移，從而設(shè)置新的工件坐標(biāo)系。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸偏移補(bǔ)償加工程序流程與坐標(biāo)系偏移補(bǔ)償關(guān)系式，應(yīng)用FANUC操作系統(tǒng)，以圓周孔加工為例，設(shè)計(jì)坐標(biāo)偏移補(bǔ)償宏程序編程流程如圖4所示。

圖4

依據(jù)宏程序編程流程編制圓周孔加工通用程序格式如下：

O0001；

#101=__；（X軸，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)，工件坐標(biāo)系OA）

#102=__；（Y軸，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)，工件坐標(biāo)系OA）

#103=__；（Z軸，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)，工件坐標(biāo)系OA）

#104=__；（A軸，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)，工件坐標(biāo)系OA）

#111=__；（X軸，件旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)，編程坐標(biāo)系OW）

#112=__；（Y軸，件旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)，編程坐標(biāo)系OW）

#113=__；（Z軸，件旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)，編程坐標(biāo)系OW）

#114=__；（A軸，件旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)，編程坐標(biāo)系OW）

G10 L2 P1 X#101 Y#102 Z#103 A#104；（1號(hào)工件坐標(biāo)系（G54）中輸入工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心機(jī)械坐標(biāo)）

G90 G54 …M3；（程序開(kāi)始部分）

…

G98 G81 K0；（設(shè)定孔加工方式）

G65 P9010 A_ B_ C_ X_ Y_ Z_ R_ Q_ F_；（圓周孔加工子程序調(diào)用與引數(shù)賦值）

G52 X0 Y0 Z0 A0；（取消局部坐標(biāo)系設(shè)定）

G0 Z_ M5；（Z軸抬高至完全高度，主軸停止）

M30；（程序結(jié)束）

子程序

O9010；（程序名）

WHILE[#1LT#2]DO1；（循環(huán)指

令）

#31=[#112-#102]*COS[-#1]-[#113-#103]*SIN[-#1]；（Y向坐標(biāo)偏移補(bǔ)償量計(jì)算）

#32=[#112-#102]*SIN[-#1]+[#113-#103]*COS[-#1]；（Z向坐標(biāo)偏移補(bǔ)償量計(jì)算）

G52 Y#31 Z#32；（局部坐標(biāo)系設(shè)定）

X#24 Y#25 Z#26 A#1 R#18 Q#17 F#9；（孔加工循環(huán)）

#1=#1+#3；（孔位角度自變量遞增）

END1；（循環(huán)指令結(jié)束并返回）

M99；（子程序結(jié)束、返回主程序）

程序關(guān)鍵部分說(shuō)明：“G10 L2 P1 X#111 Y#112 Z#113 A#114”表示將程序中工件位于工作臺(tái)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)零點(diǎn)的機(jī)械坐標(biāo)#101、#102、#103、#104輸入1號(hào)工件坐標(biāo)系G54的X、Y、Z、A中；“G98 G81 K0”表示指定鉆孔的加工方式，K0表示當(dāng)前坐標(biāo)位置的重復(fù)加工次數(shù)為0；“G65 P9010 A_B_C_X_Y_Z_R_ Q_F_”表示調(diào)用9010號(hào)子程序并對(duì)引數(shù)A_B_C_X_Y_Z_R_Q_ F_賦值，其中各引數(shù)對(duì)應(yīng)的變量A—#1為孔加工的起始角度、B—#2為孔加工的終止角度、C—#3為孔距夾角、X—#24為孔X向坐標(biāo)、Y—#25為孔Y向坐標(biāo)、Z—#26為孔底Z向坐標(biāo)、R—#18為孔加工參考平面高度、Q—#17為孔加工每次鉆削深度、F—#9為切削速度；“WHILE[#1LT#2] D O 1”、“# 1 = # 1 + # 3”、“END1”表示孔的角度區(qū)間為#1

另外，在編程、加工中需特別注意，由于四軸坐標(biāo)軸設(shè)置關(guān)系孔在編程中的起始加工位置為0°對(duì)應(yīng)的機(jī)床實(shí)際加工位置為90°。

（2）CAD/CAM軟件——坐標(biāo)偏移補(bǔ)償。在CAD/CAM軟件中對(duì)于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸偏移的補(bǔ)償，根據(jù)使用特點(diǎn)經(jīng)歸納主要有前置處理和后置處理兩種補(bǔ)償方案，通過(guò)在CAD/CAM軟件的設(shè)計(jì)環(huán)境與程序后置處理環(huán)境中根據(jù)坐標(biāo)軸偏移的矢量關(guān)系，采用新建加工坐標(biāo)系與設(shè)置編程零點(diǎn)到機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的偏置距離，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的偏移補(bǔ)償。此時(shí)，用于輸出加工程序的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸、坐標(biāo)系與零件裝夾、校正之后的轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸、坐標(biāo)系之間的位置矢量關(guān)系相同。坐標(biāo)偏移補(bǔ)償處理過(guò)程如圖5所示。

圖5

以UG NX9軟件為例，坐標(biāo)偏移后置處理補(bǔ)償方案中旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸位置的設(shè)置如圖6所示。

圖6

4. 實(shí)例應(yīng)用

如圖7所示零件，設(shè)零件左側(cè)端面為編程坐標(biāo)系零點(diǎn)在裝夾后測(cè)得工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)（工件坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)）為：X-200.25，Y -133.6，Z-127.82，A0；工件旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)（編程坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)）為：X-200.25，Y-135.2，Z-126.95，A0；下面分別應(yīng)用上述兩種零點(diǎn)坐標(biāo)偏移補(bǔ)償方法對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)偏移量進(jìn)行編程處理，具體操作如下：

（1）宏程序編程。根據(jù)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸偏移補(bǔ)償策略中的宏程序編程流程，結(jié)合圓周孔加工的程序格式對(duì)圖7所示零件進(jìn)行編程，主程序如下：

O0001； G10 L2 P1 X#101 Y#102 Z#103 A#104

#101=-200.25；G90 G54 G0 X20 Y0 Z50 S1000 M3

#102=-133.6；G98 G81 K0

#103=-127.82；G65 P9010 A0 B360 C45 X20 Y0 Z15 R35 Q5 F100

#104=0；

#111=-200.25；G52 X0 Y0 Z0 A0

#112=-135.2；G0 Z100 M5

#113=-126.95；M30

#114=0；

圖7

（2）CAD/CAM軟件編程。根據(jù)CAD/CAM軟件旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸偏移補(bǔ)償策略，以CAXA制造工程師軟件為例對(duì)圖7所示零件進(jìn)行編程及程序處理，具體操作如下：應(yīng)用【加工】→【其他加工】→【孔加工】生成柱面孔的加工軌跡，選擇【造型】→【幾何變換】→【平面旋轉(zhuǎn)】在Y—Z平面對(duì)孔加工軌跡進(jìn)行旋轉(zhuǎn)復(fù)制，完成圖7零件的柱面孔加工，結(jié)果如圖8所示。

圖8

根據(jù)測(cè)量的工作臺(tái)與工件旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)關(guān)系，計(jì)算得編程坐標(biāo)系中工件坐標(biāo)系零點(diǎn)坐標(biāo)為：X0，Y1.6，Z-0.87，A0。選擇【造型】→【曲線生成】→【點(diǎn)】，輸入點(diǎn)坐標(biāo)（0，1.6，-0.87）；選擇【工具】→【坐標(biāo)系】→【創(chuàng)建坐標(biāo)系】，拾取生成的現(xiàn)有點(diǎn)，指定名稱后建立零件加工坐標(biāo)系；選擇【加工軌跡】→【加工】→【后置處理】→【生成G代碼】，選擇數(shù)控系統(tǒng)fanuc_4x_A，如圖9所示,選擇五軸定向銑選項(xiàng)并設(shè)置加工參數(shù)，如圖10所示，選擇刀具軌跡生成加工程序如圖11所示。

圖9

圖10

圖11

（3）加工應(yīng)用。下面選用美國(guó)CGTech公司開(kāi)發(fā)的數(shù)控加工中模擬仿真軟件VERICUT軟件對(duì)圖7所示零件分別應(yīng)用其宏程序與CAD/CAM軟件編程進(jìn)行坐標(biāo)軸偏移加工校驗(yàn)。

根據(jù)應(yīng)用實(shí)例，為方便觀察將其坐標(biāo)偏移放大10倍進(jìn)行仿真加工校驗(yàn)，編程坐標(biāo)、毛坯和設(shè)計(jì)模型位置偏移設(shè)置如圖12所示，工件坐標(biāo)系、編程坐標(biāo)系如圖13所示，宏程序如圖14所示，CAM程序如圖15所示，零件仿真加工如圖16所示，完成仿真加工后將工件與設(shè)計(jì)模型使用軟件進(jìn)行過(guò)切、殘留功能自動(dòng)對(duì)比如圖17所示，對(duì)比結(jié)果顯示，工件與設(shè)計(jì)模型“沒(méi)有區(qū)別”，證明上述編程、加工方法和程序完全滿足工件的設(shè)計(jì)、加工要求。

圖12

圖13

圖14

圖15

圖16

圖17

5. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)宏程序與CAD/CAM軟件對(duì)四軸加工零件的零點(diǎn)坐標(biāo)偏移進(jìn)行了各坐標(biāo)軸的補(bǔ)償，該補(bǔ)償技術(shù)特別適用于大型零件的四軸加工，使四軸零件在加工時(shí)可任意裝夾，減少了零件校正誤差及加工輔助時(shí)間，有效提高了零件加工精度與裝夾效率，大大減輕了機(jī)床操作工人的工作量。

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收稿日期：（20150614）