臥式鏜銑床工作臺回轉(zhuǎn)任意角度后自動建立坐標(biāo)系探討

成李峰，謝凡，洪亮亮，張海軍，王建梁，周曄

（華瑞（江蘇）燃機(jī)服務(wù)有限公司，江蘇 南通 226000）

1 前言

臥式數(shù)控鏜銑床，因加工設(shè)備主軸軸線與工作臺臺面平行，同時工作臺可以控制旋轉(zhuǎn)分度，所以除不垂直于主軸軸線的加工面（如零件安裝在工作臺的支撐面及零件頂面）外其余各加工面都可以加工，改變傳統(tǒng)的加工概念將加工工藝范圍及工藝水平大大提升。另外該機(jī)床將銑床及鏜床兩種功能結(jié)合在一起，具備了鉆孔、鏜、擴(kuò)、鉸孔、攻螺紋、銑平面、銑螺紋等多元化切削功能，適合如箱體、殼體，發(fā)動機(jī)缸體等需要一次裝夾完成多工位加工的復(fù)雜高精度零件，因工作臺可以控制旋轉(zhuǎn)角度，可以減少零部件加工不同部位時需要更換夾具及重復(fù)安裝次數(shù)，從而減少裝夾產(chǎn)生定位誤差，大大提高了零件加工精度，加工效率，減少操作人員的勞動強(qiáng)度，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于能源、交通、重型、航天、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域，是加工行業(yè)的關(guān)鍵加工設(shè)備。

臥式鏜銑床在大批量零件加工時，會設(shè)計被加工件的專用定位夾具，首件編程調(diào)試成功后，加工程序及工藝固化不變，后續(xù)只需要操作者拆裝零件即可，大大減低后期工藝員及操作者工作強(qiáng)度。而目前大部分加工廠以加工單件及小批量生產(chǎn)為主，因小批量生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性成本問題，不會設(shè)計專用的定位夾具，而是使用如壓板等高塊、鎖緊螺桿等通用夾具，工件放置工作臺位置隨意性較大，很難將工件原點(diǎn)放置在工作臺回轉(zhuǎn)中心上，前工位的建立坐標(biāo)原點(diǎn)無法繼承使用，需要重新建立現(xiàn)工位的新加工原點(diǎn)坐標(biāo)系。但建立的新工位坐標(biāo)系通常以加工面為基準(zhǔn)從而測量建立現(xiàn)工位的坐標(biāo)原點(diǎn)，這種做法存在以下問題：（1）根據(jù)基準(zhǔn)重合原則，工作臺旋轉(zhuǎn)后各工位加工面各自都需重新建立坐標(biāo)原點(diǎn)，導(dǎo)致基準(zhǔn)很難統(tǒng)一，從而會導(dǎo)致累計誤差，零件加工精度低；（2）多工位加工建立新的坐標(biāo)系，受零件外形影響，對于異性面需要加工輔助對刀基準(zhǔn)，從而增加制造工藝導(dǎo)致制造成本高；（3）一次裝夾加工多工位零部件需多次對刀建立新的坐標(biāo)系，自動化程度低，導(dǎo)致操作者勞動強(qiáng)度大，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。

針對以上問題，編制一套適用于圖1結(jié)構(gòu)數(shù)控鏜銑床的宏程序，該程序工作臺回轉(zhuǎn)后自動建立新的坐標(biāo)系，該程序可以大大減低操作人員的對刀時間和對刀產(chǎn)生誤差，提高設(shè)備自動化程度，可以提高零件加工精度及生產(chǎn)效率。

2 臥式鏜銑床結(jié)構(gòu)

臥式數(shù)控鏜銑床結(jié)構(gòu)如圖1所示，該類高精密數(shù)控臥式鏜銑床，工作臺作X向運(yùn)動，側(cè)掛主軸箱作在立柱上Y向運(yùn)動，立柱帶動主軸箱Z向運(yùn)動，主軸箱套筒伸縮式結(jié)構(gòu)適用于深孔加工及大功率該軸與Z軸平行作W向運(yùn)動，工作臺B軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，工作臺回轉(zhuǎn)精度帶高精度光柵尺檢測及反饋工作臺回轉(zhuǎn)位置。

3 測量工作臺回轉(zhuǎn)中心在機(jī)床(機(jī)械)坐標(biāo)上數(shù)值

數(shù)控機(jī)床有工件坐標(biāo)系和機(jī)床（機(jī)械）坐標(biāo)系，機(jī)械坐標(biāo)系表示機(jī)床固定的坐標(biāo)系如機(jī)床原點(diǎn)x=0,y=0,z=0,零件建立的坐標(biāo)系是工件坐標(biāo)系，以FANUC系統(tǒng)為例一般寄存在G54～G59坐標(biāo)系,該工件坐標(biāo)系建立在機(jī)械坐標(biāo)基礎(chǔ)上，工件坐標(biāo)系建立對操作者編程及識別更加直觀了解，工作臺回轉(zhuǎn)中心位置在機(jī)床（機(jī)械）坐標(biāo)系中是固定，一般不會改變，但因設(shè)備長時間使用與機(jī)床發(fā)生撞機(jī)事故導(dǎo)致機(jī)床工作臺回轉(zhuǎn)中心與以前測的坐標(biāo)值有誤差，為了保證機(jī)床上零件的加工精度，機(jī)床工作回轉(zhuǎn)中心在機(jī)床原點(diǎn)的位置定期需要重新測量，測量方法參考文獻(xiàn)。

4 工作臺轉(zhuǎn)動后坐標(biāo)系建立說明

圖2零件為例進(jìn)行說明，圖2a中需要加工部位為1#～5#孔，圖2b中剖切視圖是1#～5#的放大圖，1#～5#孔區(qū)別是它們角度不同分別為12°、18°、24°、30°、36°，所以加工不同孔時機(jī)床工作臺工作角度不一樣需保證被加工孔軸線平行于主軸軸線。圖3是零件夾持專用工具，夾持后零件圖2中軸線與圖3定位基準(zhǔn)面平行，零件安裝前在專用夾具上安裝模擬芯軸檢測確實專用工具中軸線是否與定位基準(zhǔn)面平行。

圖4是夾持后的零件放置在機(jī)床的示意圖，將圖3的定位基準(zhǔn)面放置機(jī)床工作臺上，用百分表等工具保證圖2的中軸線與機(jī)床X運(yùn)動軸平行。

本工作可以通過尋邊器及對刀儀等工具來得到圖2中零件A基準(zhǔn)點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的工件坐標(biāo)原點(diǎn),該坐標(biāo)寄存在機(jī)床G54坐標(biāo)系里，寄存地址X G54（5221#），Y G54(5222#),Z G54(5223#),W G54(5224#),B G54（5225#），F(xiàn)ANUC系統(tǒng)變量寄存地址如表1所示。

表1 FANUC系統(tǒng)寄存代碼

我們將測的回轉(zhuǎn)工作臺中心在機(jī)床原點(diǎn)X向數(shù)值值輸入502#，測的回轉(zhuǎn)工作臺中心在機(jī)床原點(diǎn)Z數(shù)值輸入503#,宏代碼501#～531#寄存地址機(jī)床斷電后寄存地址的數(shù)值不會丟失。

5 編制宏程序（回轉(zhuǎn)后新坐標(biāo)的建立）

以加工1#孔為例，工作臺需要選擇12°，零件原點(diǎn)隨之需要轉(zhuǎn)換至1#孔位置，我們將新的零件原點(diǎn)寄存在G57坐標(biāo)系里，表2是1#～5#至零件基準(zhǔn)A的L距離，轉(zhuǎn)換計算方式如下用機(jī)床代碼（1#孔），圖5、圖6以下宏指令示意圖：

表2 轉(zhuǎn)換后新坐標(biāo)點(diǎn)距離A基準(zhǔn)的L距離

502#=（工作臺回轉(zhuǎn)中心相對于機(jī)床坐標(biāo)系X數(shù)值/機(jī)床廠家提供）

503#=（工作臺回轉(zhuǎn)中心相對于機(jī)床坐標(biāo)系Z數(shù)值/機(jī)床廠家提供）

20#=12（1號孔待加工原點(diǎn)需要旋轉(zhuǎn)的角度，表格2）

21#=433.5（1號孔待加工原點(diǎn)至C基準(zhǔn)點(diǎn)L距離，表格2）

子程序（宏指令）

O0100; (工作臺旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換運(yùn)行)

N010 30#=21#*SIN[20#] (待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)相對原工件原點(diǎn)G54中X值，圖5)

N020 31#=21#*COS[20#] (待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)相對原工件原點(diǎn)G54中Z值，圖5)

N030 1#=30#（待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)相對原工件原點(diǎn)G54中X值）

N040 2#=0 （待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)相對原工件原點(diǎn)G54中Y值/需要判斷正負(fù)）

N050 3#=31#（待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)相對原工件原點(diǎn)G54中Z相對值）

N060 4#=-20#(待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)法向與Z軸平行工作臺需要旋轉(zhuǎn)的角度，圖5)

N070 5#=5221#+1#（待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的X坐標(biāo)值，圖5）

N080 6#=2#+5222#（待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的Y坐標(biāo)值）

N090 7#=3#+5224#+5223#（待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的Z坐標(biāo)值，圖5）

N100 8#=5#-502#(待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)床工作臺回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)坐標(biāo)系X值/回轉(zhuǎn)前，圖5)

N110 9#=7#-503#(待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)床工作臺回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)坐標(biāo)系Z值/回轉(zhuǎn)前，圖5)

N120 13#=SQRT[8#*8#+9##9#] （待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)相對于機(jī)床工作臺回轉(zhuǎn)中心的回轉(zhuǎn)半徑，圖5）

N130 18#=8#/13#

N140 14#=ASIN[18#] （待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中X-Z平面中夾角/回轉(zhuǎn)前，圖5）

N150 15#=4#+14#（待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)后在機(jī)床坐標(biāo)系中X-Z平面新夾角/回轉(zhuǎn)后，圖6）

N160 16#=13#*COS[15#] （待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)床工作臺回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)坐標(biāo)系Z值/回轉(zhuǎn)后，圖6）

N170 17#=13#*SIN[15#] （待加工的新坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)床工作臺回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)坐標(biāo)系X值/回轉(zhuǎn)后，圖6）

N180 5281#=17#+502#(G57坐標(biāo)系機(jī)床X坐標(biāo))

N190 5282#=5222#+2#(G57坐標(biāo)系機(jī)床Y坐標(biāo))

N200 5283#=503#+16#-5224#(G57坐標(biāo)系機(jī)床Z坐標(biāo))

N210 5284#=5224#(W) (G57坐標(biāo)系機(jī)床W坐標(biāo))

N220 5285#=5225#-4#(G57坐標(biāo)系機(jī)床B坐標(biāo))

M99;

在FANUC系統(tǒng)下建立程序，用子程序調(diào)用的方式，建立工作臺回轉(zhuǎn)后的新的坐標(biāo)系程序樣板如下：

主程序

6 結(jié)語

通過以上宏程序可以將加工過程中任意角度的坐標(biāo)原點(diǎn)計算，在實踐過程中有實用的應(yīng)用價值。

（1）確保一次裝夾多面加工過程中同一基準(zhǔn)，一次裝夾只要一次對刀建立坐標(biāo)系，后續(xù)多工位只需運(yùn)行宏程序即可自動建立相應(yīng)工位的加工坐標(biāo)系，對操作者的工作強(qiáng)度降低，排除機(jī)床精度誤差，在同一個基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換加工，保證各工位加工面相對位置精度。

（2）簡化多工位加工件的編程，編寫旋轉(zhuǎn)后待加工面程序，只需輸入待加工面旋轉(zhuǎn)角度，及待加工面加工坐標(biāo)原點(diǎn)在初始一次對刀坐標(biāo)系原點(diǎn)的相對位置（注意正負(fù)），就可以自動計算出待加工面的坐標(biāo)系自動保存在G57里面。

（3）該宏程序特點(diǎn)不需要將零件對刀中心放置在回轉(zhuǎn)工作臺中心，零件可以放置工作臺任何位置對宏程序計算沒有影響，該宏程序適應(yīng)性廣。