淺析加工中心坐標系補償的調整方法

張曉軍，于 健，趙 燚

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

隨著國內國際經濟環境的不斷變化與發展，制造業的高精度、高質量、高效率等要求在不斷提升。作為制造業基礎裝備的數控機床精度等綜合能力的提升是提高制造業整體水平和機床企業競爭力的關鍵技術。提高數控機床幾何及定位等精度有兩種途徑：一種是提高機床的固有機械性能，以及采取各種措施提高機床的運行穩定性來達到；另一種是通過綜合補償技術，動態抵消各種制造誤差、條件變化誤差[1]。目前大多數控機床空間誤差補償的方法都很難與系統真正集成，簡單的將誤差映射給加工過程，補償的效果并不理想。因此，很有必要將空間的誤差補償功能嵌入到數控系統中，增加數控系統坐標系補償功能，以便提高其實用性和可靠性[2]。

本文結合工廠實際，闡述通過CMM報告調整數控系統中坐標系補償，解決數控機床加工特征位置尺寸或距離尺寸超差的問題。該方法流程如圖1所示：

圖1 基于CMM報告補償數控機床坐標系的流程

1 機床加工坐標系的辨識

1.1 從零件定位夾緊姿態確認加工坐標系

現場的CNC加工一般用到4個坐標系：G54/G55/G56/G57；當零件夾緊完后，面對主軸的為G54，左邊為G55，面對上料門的加工部位為G56，右邊為G57，如圖2所示。

圖2 機床坐標系判定

1.2 從NC程序查看加工坐標系

在刀具NC程序的開頭都給出了該刀具加工特征的坐標系，因此可以查看NC程序識別坐標系。由于部分加工特征有一定傾斜角度，加工時A軸（詳見下文介紹）需要旋轉至某一特定的斜角[3]，這延伸了除以上定義方法之外的坐標系，如圖3所示。

圖3 從NC程序看加工特征坐標系

從圖3可看出：F2000面特征的加工是在G57加工坐標系下；#1211的加工特征是在G54.1P1加工坐標系下。

2 機床主軸、A/B軸和Z軸簡介

主軸即可在XY方向移動的軸，A軸即圍繞X方向進行旋轉的軸，B軸即圍繞Y方向進行旋轉的軸，Z軸即可在Z方向進行移動的軸。

圖4 機床各軸正負方向

如圖4所示，當人面向工件時，X+方向即主軸向右移動；Y+方向即主軸向上移動，Z+方向即Z軸向背離主軸方向移動；A+即A軸逆時針旋轉；B+即B軸順時針旋轉。

3 CMM坐標系與加工坐標系轉換

3.1 CMM報告

目前，大多數工廠對于加工零件位置、距離、角度等尺寸測量均用三坐標測量機，將已加工零件安裝在三坐標測量機上進行測量，三坐標測量機可以直接測量輸出加工零件的位置和距離等尺寸，輸出的測量報告簡稱為CMM報告。可以說，CMM測量報告上顯示的XYZ方向基本上不能一一對應機床加工坐標系的XYZ方向，因為零件在機床上加工和在CMM測量時裝夾不一樣，CMM測量中，由于需要測量加工基準，故測量時裝夾和加工時裝夾差異，導致CMM測量坐標系與加工坐標系不一致，不同產品和不同機床工裝CMM測量坐標系與工件坐標系各異，但都可依照兩坐標系XYZ各個方向一一對應轉換。

如圖5為某工件的加工坐標系和三坐標測量坐標系，該三坐標測量機輸出的CMM報告X/Y/Z方向即一一對應著加工坐標系的X/Y/Z方向。

圖5 某零件三坐標測量機坐標系

表1詳細給出了CMM報告測量特征和對應代碼，可以通過對照，看懂CMM測量內容。

表1 CMM測量尺寸類型和代碼對照表

3.2 坐標系轉換

CMM報告坐標系與加工坐標系轉換的方法有多種，下面給出兩種方法：

（1）按照CMM測量的報告，找出超差或偏大需要調整的方向，對照CMM坐標系，找出零件在CMM夾緊時實際偏移的方向；再把零件在相應機床夾緊，看零件實際偏的方向是對應機床哪個軸，是正還是負，就可以進行相應調整；

（2）直接根據CMM報告上的名義值來對應，這個方法最直接高效。

4 坐標系補償調整

4.1 主軸X/Y方向補償調整

X/Y方向尺寸偏離中值表現為測量實際值和名義值存在差異，CMM報告顯示位置度等相關尺寸差，即CMM報告測量同一坐標系下加工特征XY方向實測值和名義值偏差，需要通過調整主軸在XY方向的移動來進行補償，調整方法如下：

（1）根據上文1.1、1.2方法確認該特征所在的坐標系；

（2）確認需要調整的量：實際值-名義值；

（3）確認需要調整的方向：遵循基準不動的原則，然后根據該特征所在的象限（基準建立的坐標把加工特征劃分成四個象限）來確定主軸應該往正/負方向調整；若當該加工特征處于第1象限，實際測量尺寸<名義尺寸時，XY方向都應該往正方向調整；若當該加工特征處于第2象限，實際測量尺寸<名義尺寸時，X方向應該往負方向調整，Y方向應該往正方向調整；若該加工特征處于第3象限，實際測量尺寸<名義尺寸時，XY方向都應該往負方向調整；若當該加工特征處于第4象限，實際測量尺寸<名義尺寸時，X方向應該往正方向調整，Y方向應該往負方向調整。

4.2 Z方向補償調整

Z方向尺寸偏離中值，通常表現為加工面多切或者少切，孔的深淺等，即CMM報告測量特征到基準的距離偏離名義值，需要通過調整Z軸的進退來補償，調整方法如下：

（1）根據上文1.1、1.2方法確認該特征所在的坐標系；

（2）確認需要調整的量：實際值-名義值 ；

（3）確認需要調整的方向：當出現實際值偏小（多切），就往正方向調整（Z軸向上料門方向移動）。相反，當出現實際值偏大（少切），就往負方向調整（Z軸向主軸方向移動）。

4.3 A/B軸角度補償調整

當CMM報告用工件坐標系轉化后，出現同一測量特征不同截面或者Y方向具有同一名義值的不同測量特征，Y方向數個實際測量值呈逐漸變大或變小的趨勢，或者加工面的平行度差，或者根據直接的角度測量結果顯示角度差，如表2示例，此時需要調整A軸（繞X方向旋轉）角度補償；當CMM報告用工件坐標系轉化后，出現同一測量特征不同截面或者X方向具有同一名義值的不同測量特征，X方向數個實際測量值呈逐漸變大或變小的趨勢，或者加工面的平行度差，或者根據直接的角度測量結果顯示角度差，如表3示例，此時需要調整B軸（繞Y方向旋轉）角度補償。調整方法如下：

（1）根據上文1.1、1.2方法確認該特征所在的坐標系；

（2）確認需要調整的量。

1）如果有直接的角度測量結果，該補償值就等于實際測量的角度減去名義角度值；

2）如果沒有直接的角度測量結果，就需要先將坐標值轉換為角度，通過反三角函數來計算角度：

假設在同一方向（相同名義值）的兩個坐標點為（A1，A1′）、（A2，A2′），此時 A1、A2 的 X 方向名義值是相同的，但實際值差異較大，就說明B軸角度偏離中值了，需要調整的角度為θ=arctan（A1-A2）/（A1′-A2′）。

（3）確認需要調整的方向：遵循A軸逆時針方向為正，順時針方向為負，B軸逆時針方向為負，順時針方向為正。

表2 需調整A軸角度補償的CMM報告實例

將表2報告報告用工件坐標系轉化后，同一測量特征1111的不同截面Y方向測量值從53.7244變為53.7607，此時需要調整A軸角度補償，調整方法如上文所述。

表3 需調整B軸角度補償的CMM報告實例

將表3報告用工件坐標系轉化后，X方向具有同一名義值4.8的不同測量特征6101和6105，X方向測量值從4.8064變為4.7513，此時需要調整B軸角度補償，調整方法如上文所述。

4.4 旋轉補償調整

所有的數控機床坐標系補償程序，都設定有旋轉補償變量，一般標注為#541（Rotate），旋轉補償變量可微調主軸的路徑，使得主軸圍繞某一特定的坐標點旋轉一定的角度進行加工，解決主軸的傾斜加工問題。

當CMM報告用工件坐標系轉化后，出現X方向具有同一名義值的數個特征，X方向實際測量值呈逐漸變大或變小的趨勢，或者出現Y方向具有同一名義值的數個特征，Y方向實際測量值呈逐漸變大或變小的趨勢，如表4示例。此時需要調整旋轉補償變量，角度的計算跟4.3一致，方向遵循逆時針方向為正，順時針方向為負的原則。

表4 需調整旋轉補償的CMM報告實例

將上述CMM報告用工件坐標系轉化后，Y方向具有同一名義值26.76的3個不同測量特征1201、1202和1203，Y方向實際測量值逐漸減小，從26.792減小為26.722，此時需要調整旋轉補償，調整方法如上文所述。

4.5 奇偶補償調整

所有的數控機床坐標系補償程序，都設定有奇偶補償變量，一般標注為#542（補償X方向）、#543（補償Y方向），用來解決數控機床加工中同一坐標系下不同奇偶加工特征X、Y方向偏差量不一致問題。

當CMM報告用工件坐標系轉化后，出現具有同一X方向名義值的數個加工特征，奇數加工特征和偶數加工特征在Y方向測量值偏差量不一致，或者具有同一Y方向名義值的數個加工特征，奇數加工特征和偶數加工特征在X方向測量值偏差量不一致，此時需要調奇偶補償變量，由于此種情況簡單，CMM報告就不列舉。調整的量和方向跟4.1一致。

4.6 坐標系補償調整注意事項

坐標系補償調整以后，建議先加工一件恢復參數繼續生產，期間測量調整件的相關尺寸，需要確保合格后才能啟用參數批量生產，調整時需注意以下幾點：

（1）調整前需要確認好正、負；

（2）調整時注意小數點；

（3）調整時注意確認好坐標系；

（4）調整數值不能超過0.5 mm，調整的值超過0.5 mm時需要檢查機床夾具是否出了問題、X、Y、Z絲桿原點是否偏移、定位塊是否磨損嚴重、機床氣檢是否失效等。

5 實例分析

一A軸加工的機床，在G54.1P1坐標系下加工的編號#1115的特征尺寸超差如表5所示，此特征位于坐標系的第三象限，工藝X方向名義尺寸183.25，Y方向26.76，調整坐標補償方法如下：

表5 CMM測量超差實例報告

（1）對照前文圖四，TP代表位置度，故#1215特征位置度超差；

（2）從前文3.2方法（2）可知，CMM報告坐標系的Z向/X向即為工件坐標系的X向/Y向；

（3）XY方向偏離名義值導致位置度超差，屬于上文4.1情況，確認需要調整的量：

需要調整的方向：此特征位于工件坐標系的第三象限，X方向實際值＞名義值，應該往正方向調整，Y方向實際值＜名義值，應該往正方向調整。

（4）調整結果：G54.1P1坐標系下，X+0.028，Y+0.09；

（5）調整后CMM報告測量結果如表6所示。

表6 CMM測量超差坐標系補償調整結果

6 結論

根據CMM報告的測量數值，分析偏差的原因，通過調整XY單方向坐標補償、Z方向的坐標補償、AB軸坐標補償、旋轉坐標補償以及奇偶坐標補償的方法，可以很好地解決生產實際中位置尺寸超差的問題。