基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)工件坐標(biāo)系的設(shè)定方法分析

劉恒麗，王太勇，王 冬，盧志理

（1. 天津大學(xué) 機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134）

0 引言

數(shù)控機(jī)床自身的坐標(biāo)為機(jī)床坐標(biāo)，而在實(shí)際加工中，為了編程方便，一般是基于工件本身編寫NC代碼，即工件坐標(biāo)，這樣就會(huì)導(dǎo)致在加工時(shí)，機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)與工件坐標(biāo)原點(diǎn)出現(xiàn)偏差，不能實(shí)現(xiàn)正常加工的現(xiàn)象，因此加工時(shí)，首先要建立工件坐標(biāo)系，程序中的坐標(biāo)值均以此坐標(biāo)系為依據(jù)[1]，使得刀具能夠根據(jù)工件坐標(biāo)系的設(shè)定值到達(dá)指定位置，進(jìn)行正常加工，從而保證工件加工質(zhì)量。

目前，關(guān)于建立工件坐標(biāo)系的研究頗多，原理和方法也類似，但是基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的工件坐標(biāo)系建立方法的研究較少，本文針對(duì)此問題展開研究，基于自主研發(fā)的TDNC-H8數(shù)控系統(tǒng)，結(jié)合PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的功能，開發(fā)以G54為代表的工件坐標(biāo)系設(shè)定功能模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)刀，對(duì)于提高加工效率和加工質(zhì)量具有重要的意義。

1 基于PMAC的數(shù)控加工程序?qū)崿F(xiàn)方法

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。“PC + 運(yùn)動(dòng)控制卡”模式的開放式數(shù)控系統(tǒng)，是目前比較流行的一種數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)方式。這種開放系統(tǒng)中，NC 代碼需要通過PC 并行總線傳送給運(yùn)動(dòng)控制卡，然后由運(yùn)動(dòng)控制卡向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，從而完成數(shù)控加工過程[2]。數(shù)控加工用NC代碼一般是通過專用軟件生成或由人工編寫，都是以工件本身為加工原點(diǎn)進(jìn)行編寫。實(shí)際加工時(shí)，調(diào)用系統(tǒng)中儲(chǔ)存的加工程序或者根據(jù)需要也可以進(jìn)行人工即時(shí)編寫，以滿足加工需求。

在“PC + 運(yùn)動(dòng)控制器”型開放式數(shù)控系統(tǒng)中，NC 代碼需要被翻譯成可供PMAC 卡直接執(zhí)行的目標(biāo)程序格式[3]。即完成數(shù)控代碼功能的識(shí)別，并將提取的關(guān)鍵字轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)控制器中對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)中的參數(shù)，也就是將所有的命令轉(zhuǎn)化為PMAC能識(shí)別的語言，也稱譯碼，見表1，再去控制相應(yīng)運(yùn)動(dòng)部件執(zhí)行動(dòng)作。

表1 NC代碼與PMAC語言之間的轉(zhuǎn)換

2 工件坐標(biāo)系建立的原理與方法

2.1 工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的區(qū)別與聯(lián)系

機(jī)床坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系是數(shù)控加工中的重要概念。機(jī)床坐標(biāo)系為機(jī)床上固有的坐標(biāo)系, 并有其固有的坐標(biāo)原點(diǎn)， 即機(jī)床原點(diǎn)(又稱為機(jī)械原點(diǎn))。它是由機(jī)床生產(chǎn)廠家根據(jù)機(jī)床各軸的行程設(shè)定的。工件坐標(biāo)系是編程時(shí)使用的坐標(biāo)系，又稱為編程坐標(biāo)，編程時(shí)首先根據(jù)被加工零件的幾何形狀和尺寸, 在零件圖上設(shè)定工件坐標(biāo)系，使零件圖上的所有幾何元素在坐標(biāo)系中都有確定的位置,為編程提供軌跡坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)方向。不同工件的工件坐標(biāo)系原點(diǎn)可能不同，它與機(jī)床坐標(biāo)系間存在一定的偏差，如圖1所示，Xa和Yb分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)偏差值。

實(shí)際加工中，為了避免更換工件時(shí)重新對(duì)刀，可以記錄第一次對(duì)刀的數(shù)值即工件坐標(biāo)系下的刀具原點(diǎn)與機(jī)床坐標(biāo)系下的刀具原點(diǎn)的差值并建立工件坐標(biāo)系，更換工件后，勿需人工對(duì)刀，節(jié)省時(shí)間，提高加工效率和加工質(zhì)量。因此工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系之間存在著一定的關(guān)聯(lián)，數(shù)值關(guān)系隨著加工工件的不同會(huì)發(fā)生變化，但從邏輯上來說是保持不變的，同時(shí)也是工件坐標(biāo)系建立的方法依據(jù)。

2.2 基于PMAC的G54工件坐標(biāo)系的建立方法

數(shù)控加工時(shí), 數(shù)控系統(tǒng)是在機(jī)床坐標(biāo)系下控制刀具運(yùn)動(dòng)的, 而加工程序及程序中刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡完全是在工件坐標(biāo)系中規(guī)劃的, 一般情況下都是要求將加工程序輸入給數(shù)控系統(tǒng)后, 數(shù)控系統(tǒng)能由刀位點(diǎn)在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)換算出它在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)[4]。但對(duì)于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡而言，其對(duì)應(yīng)的PSET指令功能是重新定義當(dāng)前軸的位置，因此就需要數(shù)控系統(tǒng)能把刀位點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)換算為在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

如圖2所示，假設(shè)當(dāng)前刀位點(diǎn)坐標(biāo)為（200，200，300），定義當(dāng)前點(diǎn)為工件加工原點(diǎn)，即工件坐標(biāo)系原點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)過程為：用M1、M2和M3分別代表PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡固有的存儲(chǔ)當(dāng)前刀位點(diǎn)坐標(biāo)值變量，通過程序讀取變量值，此時(shí)M1＝200，M2=200，M3=300，即機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的差值；將其存儲(chǔ)到設(shè)定的變量M11、M22和M33中待用。根據(jù)PSET指令的功能，設(shè)定工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的方法即是將當(dāng)前軸的坐標(biāo)設(shè)定為0，因此G54指令功能的譯碼部分即是兩個(gè)變量之差，也即將當(dāng)前刀位點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

若更換相同工件時(shí)，如果刀位點(diǎn)坐標(biāo)值發(fā)生了改變，如位置Ⅱ，此時(shí)M1＝300，M2=300，M3=400，通過調(diào)用G54及譯碼功能，計(jì)算出當(dāng)前刀位點(diǎn)在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（100，100，100），然后加工程序的首行編寫G00 X0 Y0 Z0，系統(tǒng)使得刀具回到工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)待加工，勿需重新對(duì)刀，提高加工效率。實(shí)質(zhì)上是直接用偏移值確定了工件坐標(biāo)系原點(diǎn)與機(jī)床參考點(diǎn)的距離。工件坐標(biāo)系一經(jīng)建立，它們?cè)跈C(jī)床坐標(biāo)系中的位置就固定下來了[5]。

圖1 機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的區(qū)別與聯(lián)系

圖2 工件坐標(biāo)系的建立方法示意圖

3 基于Visual C++的G54功能模塊開發(fā)

3.1 G54功能模塊構(gòu)建

結(jié)合Visual C++可視化功能，構(gòu)建單獨(dú)的G54功能模塊，便于人機(jī)交互和功能拓展，如圖3所示；且嵌入到開放式數(shù)控系統(tǒng)中運(yùn)行。該模塊包括五個(gè)坐標(biāo)值的編輯和錄入，還有底部的人機(jī)交互功能、右側(cè)及底部功能鍵。通過右側(cè)按鍵，五個(gè)坐標(biāo)值編輯欄可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)捕捉當(dāng)前刀具位置坐標(biāo)并進(jìn)行顯示，將其設(shè)定為工件坐標(biāo)系；此外運(yùn)用底部的編輯界面，可以人工設(shè)定當(dāng)前工件坐標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)值，也可以對(duì)自動(dòng)獲得的坐標(biāo)進(jìn)行一定程度的修正；運(yùn)用底部按鍵可以實(shí)現(xiàn)與其他功能模式之間的切換；并且也能實(shí)現(xiàn)窗口間的切換，方便使用和查看。

3.2 G54功能的實(shí)現(xiàn)過程

首先，啟動(dòng)機(jī)床后，經(jīng)人工手動(dòng)對(duì)刀至工件坐標(biāo)系原點(diǎn)。然后從系統(tǒng)中選擇到G54功能模塊，按下“F17測(cè)量”按鍵，此時(shí)刀具在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值便自動(dòng)被捕獲并相應(yīng)地顯示出來，同時(shí)也作為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)被保存。在加工過程中，也可以實(shí)時(shí)地切換到G54功能模塊進(jìn)行瀏覽和查看。當(dāng)加工結(jié)束，更換相同工件時(shí)，勿需再對(duì)刀，數(shù)控程序NC代碼中只要正常編寫G54指令，直接運(yùn)行程序，刀具即能從最初設(shè)定的工件坐標(biāo)系原點(diǎn)開始加工，節(jié)省對(duì)刀時(shí)間，提高加工效率。此外，在加工過程中，如果出現(xiàn)換刀，在G54功能模塊中重新捕捉當(dāng)前刀具坐標(biāo)值或者人工輸入坐標(biāo)值來設(shè)定工件坐標(biāo)系原點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)重新對(duì)刀。

圖3 G54功能模塊

4 結(jié)束語

本文通過研究工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系間的關(guān)系，結(jié)合PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的功能，分析建立工件坐標(biāo)系的方法，并基于Visual C++開發(fā)G54功能模塊，具有良好的通用性和較高的開放性；并且嵌入到數(shù)控系統(tǒng)中，在六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)刀功能，提高加工效率和質(zhì)量。本功能模塊已在相關(guān)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，實(shí)踐證明該模塊具有很強(qiáng)的可操作性和較高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 李英平,侯萬明,宋玉梅,鄭萬江.基于FUNUC 0iT數(shù)控系統(tǒng)工件坐標(biāo)系的建立與刀具補(bǔ)償[J].工藝與裝備.2008.2:80-82.

[2] 鄭華林,馬建祿,潘盛湖,郭高壘.基于PC 運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控系統(tǒng)NC代碼編譯技術(shù)研究[J].機(jī)床與液壓.2011.10:94-96.

[3] 賈旭,盧曉紅,王鑫鑫,賈振元.基于PMAC 的微銑床數(shù)控系統(tǒng)中G 代碼編譯研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù).2012.3:104-107.

[4] 牛祿峰,高秀蘭,王寶.數(shù)控機(jī)床編程技術(shù)及對(duì)刀操作中的幾個(gè)問題[J]. 機(jī)床與液壓.2006.1:49-51.

[5] 陳志群.采用G50 建立工件坐標(biāo)系的原理及應(yīng)用分析[J].機(jī)床與液壓. 2011.8:124-126.