四軸加工零點偏移坐標軸補償技術的研究與應用

2015-02-20 07:36:13廣州市工貿技師學院廣東510425郎永兵

金屬加工(冷加工) 2015年18期

■廣州市工貿技師學院（廣東 510425）郎永兵

■廣州市工貿技師學院（廣東 510425）郎永兵

摘要：本文通過對四軸加工工作零點偏移后各坐標軸補償量的分析、計算，建立了與之相對應的參數方程，應用CAM軟件程序后置處理功能對加工程序的坐標進行參數化控制，以宏程序表達式的形式輸出加工程序，從而實現了四軸工件零點的坐標偏置補償。使四軸零件在加工時可任意裝夾，減少了零件校正誤差及加工輔助時間，有效提高了零件加工精度與裝夾效率。

四軸數控機床由3個直線坐標軸和1個旋轉坐標軸組成，并且4個坐標軸可以在計算機數控（CNC）系統的控制下同時協調運動進行零件加工。四軸加工的零件根據其形狀的不同，在四軸旋轉臺上可自由選擇自定心卡盤、單動卡盤及花盤裝夾。

1. 四軸零件的編程與裝夾方法

四軸數控機床根據編程坐標系參考基準不同，以A軸旋轉工作臺為例，如圖1所示，主要有以下兩種編程、裝夾方案。

（1）以旋轉工作臺的旋轉軸為基準的裝夾方式。該裝夾方式在進行編程、加工時，零件編程坐標系的旋轉軸必須與旋轉工作臺的旋轉軸相重合。具有零件加工基準統一，編程、加工簡單，裝夾、校正難度大及時間長等特點。主要應用于四軸回轉零件和批量生產零件的加工。

圖1

（2）以零件編程坐標系的旋轉軸為基準的裝夾方式。該裝夾方式在進行編程、加工時零件編程坐標系旋轉軸與旋轉工作臺的旋轉軸對應并相互關聯，加工工件在旋轉工作臺的任意位置裝夾后，需應用數控機床的坐標功能精確測定零件編程旋轉坐標軸與旋轉工作臺旋轉軸之間的矢量關系，然后通過宏程序表達式功能對加工程序的各個坐標點進行編程處理、計算，將工件編程旋轉坐標軸偏置到旋轉工作臺的旋轉軸上，從而使編程旋轉坐標與旋轉工作臺的旋轉坐標相統一。主要特點是零件可以在旋轉工件臺面上的任意位置進行裝夾，從而使零件的裝夾、校正時間大大減少，有效提高了零件的加工效率，可較為方便地應用于單件、異型件、小批量生產以及裝夾校正困難的四軸零件加工中。

2. 零點偏移與坐標補償數學模型的建立

圖2

（1）零點偏移坐標。零點偏移坐標是以旋轉工作臺的旋轉軸（A軸）為參考坐標系（OA），工件編程坐標系（Ow）旋轉軸的位置坐標（Y，Z）。坐標關系如圖2所示。工件的零點偏移坐標是在四軸加工前必須確定的重要坐標參數。在以旋轉工作臺的旋轉軸為基準的裝夾方式中該坐標的理想偏移量為0；而以零件編程坐標系的旋轉軸為基準的裝夾方式

中該坐標的偏移量為零件裝夾、校正后，在機床上坐標中實際測量的坐標值。

（2）坐標補償數學模型建立。根據零點偏移的坐標關系，建立如圖3所示的數學模型。在圖3中，OA表示旋轉工作臺（A軸）旋轉中心坐標系，OW表示工件編程原始坐標系，OW′表示工件位于旋轉工作臺上工作臺旋轉A′角度后的工件編程坐標系。工件轉位前編程坐標系的原點坐標為OW（Y，Z），轉臺旋轉一個角度A′后，編程坐標系原點的原點坐標為OW′（Y′，Z′），在以零件編程坐標系的旋轉軸為基準的裝夾方式中,零點偏移坐標OW與編程坐標系原點的坐標OW′必須根據編程旋轉軸坐標A對各個加工的直線坐標軸坐標點進行對應補償，最終使編程坐標系的旋轉軸與機床工作臺的旋轉軸相重合。

圖3

依據坐標補償數學模型，可用解析幾何中的坐標系旋轉公式對其進行參數化補償，結合數控機床各坐標軸編程與實際加工時的運動方式，推得編程坐標在坐標旋轉后的坐標點補償關系式為：

YOw=#1·cos(-A)-#2·sin(-A)

ZOw=#1·sin(-A)-#2·cos(-A)

3. 旋轉坐標軸偏移補償策略

零件的四軸加工方式主要有四軸定向加工、四軸聯動加工。依據零點坐標偏移補償數學模型與數控加工程序的結構特點，結合坐標軸偏移補償流程，可通過以下兩種方案對旋轉坐標軸進行偏移補償：

（1）宏程序編程——坐標軸偏移補償。對于圓周孔及其他簡單四軸定向加工中的坐標軸偏移補償，可應用數控機床的宏編程語言將數學運算轉換為宏程序，使其自動計算出旋轉工作可旋轉后的新坐標點，并應用局部坐標系設定指令（G52 IP）對編程坐標系進行偏移，從而設置新的工件坐標系。

根據旋轉坐標軸偏移補償加工程序流程與坐標系偏移補償關系式，應用FANUC操作系統，以圓周孔加工為例，設計坐標偏移補償宏程序編程流程如圖4所示。

圖4

依據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，工作臺旋轉中心的機械坐標，工件坐標系OA）

#102=__；（Y軸，工作臺旋轉中心的機械坐標，工件坐標系OA）

#103=__；（Z軸，工作臺旋轉中心的機械坐標，工件坐標系OA）

#104=__；（A軸，工作臺旋轉中心的機械坐標，工件坐標系OA）

#111=__；（X軸，件旋轉中心的機械坐標，編程坐標系OW）

#112=__；（Y軸，件旋轉中心的機械坐標，編程坐標系OW）

#113=__；（Z軸，件旋轉中心的機械坐標，編程坐標系OW）

#114=__；（A軸，件旋轉中心的機械坐標，編程坐標系OW）

G10 L2 P1 X#101 Y#102 Z#103 A#104；（1號工件坐標系（G54）中輸入工作臺旋轉中心機械坐標）

G90 G54 …M3；（程序開始部分）

…

G98 G81 K0；（設定孔加工方式）

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

G52 X0 Y0 Z0 A0；（取消局部坐標系設定）

G0 Z_ M5；（Z軸抬高至完全高度，主軸停止）

M30；（程序結束）

子程序

O9010；（程序名）

WHILE[#1LT#2]DO1；（循環指

令）

#31=[#112-#102]*COS[-#1]-[#113-#103]*SIN[-#1]；（Y向坐標偏移補償量計算）

#32=[#112-#102]*SIN[-#1]+[#113-#103]*COS[-#1]；（Z向坐標偏移補償量計算）

G52 Y#31 Z#32；（局部坐標系設定）

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

#1=#1+#3；（孔位角度自變量遞增）

END1；（循環指令結束并返回）

M99；（子程序結束、返回主程序）

程序關鍵部分說明：“G10 L2 P1 X#111 Y#112 Z#113 A#114”表示將程序中工件位于工作臺坐標系旋轉零點的機械坐標#101、#102、#103、#104輸入1號工件坐標系G54的X、Y、Z、A中；“G98 G81 K0”表示指定鉆孔的加工方式，K0表示當前坐標位置的重復加工次數為0；“G65 P9010 A_B_C_X_Y_Z_R_ Q_F_”表示調用9010號子程序并對引數A_B_C_X_Y_Z_R_Q_ F_賦值，其中各引數對應的變量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、Y—#25為孔Y向坐標、Z—#26為孔底Z向坐標、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”表示孔的角度區間為#1

另外，在編程、加工中需特別注意，由于四軸坐標軸設置關系孔在編程中的起始加工位置為0°對應的機床實際加工位置為90°。

（2）CAD/CAM軟件——坐標偏移補償。在CAD/CAM軟件中對于旋轉坐標軸偏移的補償，根據使用特點經歸納主要有前置處理和后置處理兩種補償方案，通過在CAD/CAM軟件的設計環境與程序后置處理環境中根據坐標軸偏移的矢量關系，采用新建加工坐標系與設置編程零點到機床旋轉軸的偏置距離，從而實現旋轉坐標軸的偏移補償。此時，用于輸出加工程序的坐標旋轉軸、坐標系與零件裝夾、校正之后的轉臺旋轉軸、坐標系之間的位置矢量關系相同。坐標偏移補償處理過程如圖5所示。

圖5

以UG NX9軟件為例，坐標偏移后置處理補償方案中旋轉坐標軸位置的設置如圖6所示。

圖6

4. 實例應用

如圖7所示零件，設零件左側端面為編程坐標系零點在裝夾后測得工作臺旋轉中心的機械坐標（工件坐標系原點坐標）為：X-200.25，Y -133.6，Z-127.82，A0；工件旋轉中心的機械坐標（編程坐標系原點坐標）為：X-200.25，Y-135.2，Z-126.95，A0；下面分別應用上述兩種零點坐標偏移補償方法對旋轉軸的坐標偏移量進行編程處理，具體操作如下：

（1）宏程序編程。根據旋轉坐標軸偏移補償策略中的宏程序編程流程，結合圓周孔加工的程序格式對圖7所示零件進行編程，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CAD/CAM軟件旋轉坐標軸偏移補償策略，以CAXA制造工程師軟件為例對圖7所示零件進行編程及程序處理，具體操作如下：應用【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】在Y—Z平面對孔加工軌跡進行旋轉復制，完成圖7零件的柱面孔加工，結果如圖8所示。

圖8

根據測量的工作臺與工件旋轉中心的機械坐標關系，計算得編程坐標系中工件坐標系零點坐標為：X0，Y1.6，Z-0.87，A0。選擇【造型】→【曲線生成】→【點】，輸入點坐標（0，1.6，-0.87）；選擇【工具】→【坐標系】→【創建坐標系】，拾取生成的現有點，指定名稱后建立零件加工坐標系；選擇【加工軌跡】→【加工】→【后置處理】→【生成G代碼】，選擇數控系統fanuc_4x_A，如圖9所示,選擇五軸定向銑選項并設置加工參數，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）加工應用。下面選用美國CGTech公司開發的數控加工中模擬仿真軟件VERICUT軟件對圖7所示零件分別應用其宏程序與CAD/CAM軟件編程進行坐標軸偏移加工校驗。

根據應用實例，為方便觀察將其坐標偏移放大10倍進行仿真加工校驗，編程坐標、毛坯和設計模型位置偏移設置如圖12所示，工件坐標系、編程坐標系如圖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計模型使用軟件進行過切、殘留功能自動對比如圖17所示，對比結果顯示，工件與設計模型“沒有區別”，證明上述編程、加工方法和程序完全滿足工件的設計、加工要求。