單轉臺單擺頭五軸機床工件坐標系建立及編程

摘 要：以單轉臺單擺頭五軸聯動數控機床為例，詳細介紹了五軸機床工件坐標系的建立過程，尤其針對五軸機床轉臺旋轉中心的確定及主軸刀具擺長的測定、計算及輸入進行了詳細講解，并且以SKY五軸機床為例介紹了多軸編程的基本格式。

關鍵詞：單轉臺單擺頭；工件坐標系；編程

引言

五軸機床一般為在普通三軸機床的基礎上附加了兩個旋轉軸。又稱為3+2軸。按照旋轉軸的類型，五軸機床可以分為三類：雙轉臺五軸、雙擺頭五軸、單轉臺單擺頭五軸。旋轉軸分為兩種：使主軸方向旋轉的旋轉軸稱為擺頭，使裝夾工件的工作臺旋轉的旋轉軸稱為轉臺。

單轉臺單擺頭五軸機床以旋轉軸B為擺頭，旋轉平面為ZX平面；旋轉軸C為轉臺，旋轉平面為XY平面。其特點為：加工過程中工作臺只旋轉不擺動，主軸只在一個旋轉平面內擺動，加工特點介于雙轉臺和雙擺頭之間，其旋轉軸結構如圖1所示。

圖1 單轉臺單擺頭五軸機床機構

工件坐標系的建立就是將CAM軟件的三維圖形中的加工坐標系與實際機床上的加工坐標系統一起來。工件原點（加工坐標系原點）位置是由編程人員設定的。機床上工件的原點反映的是工件與機床原點之間的位置關系。工件原點一旦確定一般不再改變。而轉臺加擺頭的五軸機床在裝夾工件之前要先測出轉臺中心，裝夾工件時校正工件或測量出工件位置偏差，還要測定擺軸的有效擺長，有效擺長等于擺軸長加基準刀具長度之和。

1 建立工件坐標系

單轉臺單擺頭五軸機床，一般將加工原點取在旋轉工作臺（C軸）的旋轉軸線上，因此對刀時必須找到轉臺的中心，加工原點的X、Y軸坐標由轉臺中心位置確定，但Z軸坐標根據工件上的基準而定，與轉臺中心無關。

1.1 校正擺軸，使主軸垂直于工作臺（對刀B軸原點）

方法一：如圖2所示，在主軸上裝一標準芯棒（或刀桿）；移動B軸，使主軸大概垂直于工作臺平面；將千分表吸在工作臺面上，調整表針位置，讓表針接觸刀桿或芯棒；低速轉動主軸，或用手撥動刀桿或芯棒使主軸轉動，若千分表讀數隨主軸旋轉而變化，則重新安裝芯棒，直至千分表讀數不隨主軸轉動而變化或讀數在允許的范圍之內；上下運動Z軸，觀察千分表讀數變化，調整B軸，使千分表讀數不隨Z軸上下移動而變化或其變化在允許的范圍之內，此時主軸與工作臺垂直。把這時機床坐標B軸的數值輸入到G55對話框中的B框中，并按“確定”按鈕保存。

方法二：將千分表吸到刀柄上，并能保證表隨著刀柄在360度范圍內自由轉動時不受任何阻礙。如圖3所示：調整表的高度使表頭接觸到工作臺面，然后旋轉刀柄讓表頭在工作臺面上劃一個整圓，調整B軸的角度，使千分表在這個圓的任意位置上讀數基本相等，把此時B軸機床坐標的數值輸入到G55對話框中的B框中，并按“確定”按鈕保存。

圖3 擺軸校正方法二

兩種方法相比較，方法二比方法一更加精確、可靠，所以操作機床時建議使用方法二。

一般情況下，B軸的零位在新機床出廠調試時已經校正，即B軸機床坐標為零時，主軸垂直于工作臺，但為了確保精度，加工前應復檢一次。

1.2 轉工作臺的旋轉中心（對刀X、Y軸原點）

如圖4，把表吸到刀柄上，并保證表和刀柄360度范圍內自由轉動時不受任何阻礙；調整機床X、Y、Z軸和千分表位置，使得千分表在隨刀柄旋轉一周時，表針基本能接觸到旋轉工作臺的內孔壁；進一步調整X、Y軸的位置，直到千分表的讀數在內壁任意位置基本相等；把此時X、Y軸的機床坐標值輸入到G55對話框的X、Y框中，并按“確定”按鈕保存。

1.3 裝夾工件和刀具

把工件固定在旋轉臺上，加工時所需要的第一把刀具裝夾到主軸上。

1.4 選定C軸的基準邊（對刀C軸原點）

通常在需要進行多軸加工的工件上取一基準邊，把這個基準邊與X（或Y）軸成一特定角度或平行時的C軸位置作為C軸的零位。把此時C軸的機床坐標值輸入到G55對話框的C框中，并按“確定”按鈕保存。

1.5 對Z軸的加工原點

操作人員要知道編程人員把Z坐標原點設置到了工件上的哪個位置，這里的對刀點就對到哪個位置。將B軸轉到零位（即主軸垂直于工作臺），讓刀尖接觸工件上的基準點，將這點的機床坐標值輸入到 G55對話框的Z框中，并按“確定”按鈕保存。

1.6 找出旋轉臺的中心和工件中心的偏差

按照三軸操作去找工件的原點，把工件原點的X、Y坐標值分別輸入到G54對話框的X、Y框中，并按“確定”按鈕保存。比較G54和G55坐標參數中X、Y軸的數值，按照如下公式計算：

？駐X=XG55-XG54

？駐Y=YG55-YG54

將計算出的數值保存，作為后續編程使用數據。

1.7 測定擺長

如圖5所示：使用標準量塊，置于工作臺面，在B軸零度（主軸垂直于工作臺面）時，把刀尖移動到墊塊的上表面，再把刀具抬高一個刀具半徑，記錄下此時機床坐標Z坐標值，設為P1，讓B軸擺動到“90度”或“-90度”，再讓刀具移動到墊塊上表面，記下此時機床坐標的數值，為P2，|P1|-|P2|=P（擺長）。

圖5測量擺長

把“-P”輸入到機床坐標系設定對話框的Z框中，并保存（加工程序中要用到G指令來調用這個擺長值）。

1.8 將系統中刀長補正值清零

在F1自動方式下按“5刀具”，彈出如圖6所示的刀具定義對話框，在刀具長度補償中填入“0”，點“更改”。

圖6 刀具定義對話框

以上為第一把刀具對刀的全過程，我們稱為基準刀具對刀（或稱初始刀具）；當主軸上刀具更換之后，所使用的刀具就不是基準刀具了，稱為當前刀具。當前刀具也需要建立工件坐標系，但只需要測量其與初始刀具的長度差值，將這個差值輸入到如圖7的刀具長度補償中，點“更改”保存即可。當前刀具長于初始刀具的補償值為正值；反之，補償值為負值。

2 多軸編程規則及程序格式

五軸加工就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機床原始坐標系構成空間某個角度，利用銑刀的側刃或底刃切削來完成加工。五軸加工的關鍵是如何合理控制刀軸矢量（刀具軸的軸線矢量）的變化。加工不同的曲面，為了實現加工需要，刀軸矢量的改變方式是不同的；刀軸矢量的變化是通過工作臺擺動或主軸的擺動來實現的，不同結構類型的五軸機床其運動學關系是不同的。合理的控制刀軸矢量既要滿足曲面加工的需要，又要使刀軸矢量變化范圍在所使用的機床可實現的范圍內。因此，五軸機床編程的基礎是理解刀軸矢量的變化會在實際機床加工中產生何種效果。

多軸機床主要依靠計算機及軟件完成自動編程，所用到的編程代碼比較單一。

隨著科技的發展，多軸機床的普及程度會越來越高，那么對于編程及操作人員的要求也就越來越嚴格，只有掌握機床結構、運動形式及編程規則，才能夠熟練操作多軸機床進行加工。

參考文獻

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