華中數(shù)控臥式四軸機(jī)床坐標(biāo)系自動(dòng)補(bǔ)償研究

楊 凱 胡興平 馮常喜 張 寧 吳 飛 趙志虎

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

數(shù)控技術(shù)是關(guān)系到我國(guó)產(chǎn)業(yè)安全、經(jīng)濟(jì)安全和國(guó)防安全的國(guó)家戰(zhàn)略性高新技術(shù)。從手機(jī)、家電、汽車(chē)到飛機(jī)、火箭的制造，都離不開(kāi)數(shù)控技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是裝備制造中的核心技術(shù)，華中數(shù)控不斷開(kāi)發(fā)數(shù)控系統(tǒng)新功能，使CAM功能在國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)中充分應(yīng)用。

1 研究背景

在臥式四軸加工中心加工產(chǎn)品時(shí)，存在一個(gè)問(wèn)題：工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)以后，先前建立的工件坐標(biāo)系已不可用，需重新建立工件坐標(biāo)系。在大批量生產(chǎn)中，利用專(zhuān)用夾具裝夾工件，將其固定在工作臺(tái)上，得到工件坐標(biāo)系與機(jī)械坐標(biāo)系的位置關(guān)系，計(jì)算出每個(gè)加工特征的角度，根據(jù)旋轉(zhuǎn)后的角度，計(jì)算加工特征中的各個(gè)特征坐標(biāo)，一次計(jì)算，批量使用。但在單件或小批量生產(chǎn)、使用通用夾具進(jìn)行裝夾工件時(shí)，這種方法不再適用。工件每次旋轉(zhuǎn)后都需要計(jì)算、找正工件坐標(biāo)系，操作過(guò)程復(fù)雜，并受所使用測(cè)量工具誤差及操作人員人為誤差影響，導(dǎo)致多次找正的工件坐標(biāo)系精度不夠，且停止機(jī)床找正工件，程序中斷，不能連續(xù)加工，生產(chǎn)效率低。

通過(guò)研究華中數(shù)控系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了機(jī)床刀尖點(diǎn)跟隨功能，有效地解決了此問(wèn)題。

2 基于華中數(shù)控系統(tǒng)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換宏程序研究

2.1 宏程序概念及優(yōu)勢(shì)

一組命令構(gòu)成機(jī)床特定功能，將這組命令編寫(xiě)成機(jī)床執(zhí)行文件存儲(chǔ)在機(jī)床存儲(chǔ)器中，把機(jī)床存儲(chǔ)器中的執(zhí)行文件用一個(gè)命令來(lái)代表，只用這個(gè)命令即可以執(zhí)行機(jī)床特定功能。把存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的這組命令叫做宏程序本體，宏程序本體名稱(chēng)做用戶(hù)宏程序指令。使用宏程序指令，數(shù)控程序的編制者無(wú)需再完整輸出宏程序本體，只需輸出宏指令即可。宏程序可以在宏程序本體中使用變量，可以進(jìn)行變量間的演算；宏指令可以讀取機(jī)床控制器中實(shí)際的值，實(shí)現(xiàn)宏程序的通用性。

2.2 臥式四軸加工中心的機(jī)床結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系補(bǔ)償功能

常見(jiàn)臥式加工中心結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系如圖1所示，主要由X、Y、Z這3個(gè)線性軸及旋轉(zhuǎn)軸B軸組成。

圖 1 臥式銑鏜加工中心的坐標(biāo)

RTCP即rotated tool center point,就是大家常說(shuō)的刀尖點(diǎn)跟隨功能，是指刀軸旋轉(zhuǎn)后為保持刀尖點(diǎn)相對(duì)于工件位置不變，機(jī)床控制器自動(dòng)計(jì)算并執(zhí)行線性軸補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｔ谖遢S加工中，刀尖點(diǎn)位置會(huì)隨著機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化，數(shù)控系統(tǒng)控制點(diǎn)往往與刀尖點(diǎn)不重合，帶有刀尖點(diǎn)跟隨的五軸機(jī)床，系統(tǒng)可以自動(dòng)補(bǔ)償工件坐標(biāo)系與機(jī)床機(jī)械坐標(biāo)系變換，以保證刀尖點(diǎn)按照既定軌跡運(yùn)動(dòng)。圖2是五軸機(jī)床刀尖點(diǎn)跟隨開(kāi)和關(guān)的轉(zhuǎn)換效果圖。

圖 2 刀尖點(diǎn)跟隨轉(zhuǎn)換效果[1]

2.3 臥式四軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)求解研究[2]

對(duì)四軸機(jī)床坐標(biāo)系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得到運(yùn)動(dòng)關(guān)系后，編制坐標(biāo)系變換宏程序，然后進(jìn)行后處理開(kāi)發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)臥軸機(jī)床定軸功能的自動(dòng)補(bǔ)償,在編程及加工過(guò)程中不受機(jī)床旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系變化影響。

建立機(jī)床機(jī)械坐標(biāo)系XMYMZM，轉(zhuǎn)臺(tái)中心原點(diǎn)為O，以及產(chǎn)品加工坐標(biāo)系XwYwZwOw，如圖3所示。

圖 3 B 軸轉(zhuǎn)臺(tái)的坐標(biāo)系

轉(zhuǎn)臺(tái)上有一點(diǎn)Ow，機(jī)械坐標(biāo)為(Xm、Ym、Zm)，假定轉(zhuǎn)臺(tái)無(wú)運(yùn)動(dòng)誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度θ后，Ow點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到O'w點(diǎn)，機(jī)械坐標(biāo)為(X'm、Y'm、Z'm)。其中Ow、O'w的機(jī)械坐標(biāo)存儲(chǔ)在機(jī)床系統(tǒng)變量中，如表1所示。

表1 機(jī)械坐標(biāo)系各變量地址表

變換前，Ow點(diǎn)工件坐標(biāo)系存儲(chǔ)在G54中，如下

由于在ZOX平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，Y軸坐標(biāo)值不變，變換后，Ow’點(diǎn)工件坐標(biāo)系存儲(chǔ)在G59中，如：

轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)θ角度后，其工件坐標(biāo)系由G54變換為G59，整個(gè)變換過(guò)程為“轉(zhuǎn)臺(tái)中心平移到機(jī)械坐標(biāo)系零點(diǎn)-工件坐標(biāo)系零點(diǎn)繞轉(zhuǎn)臺(tái)中心旋轉(zhuǎn)-轉(zhuǎn)臺(tái)中心平移回到初始位置”。

在ZOX平面內(nèi)變換的平移矩陣如式（1）所示。

將轉(zhuǎn)臺(tái)中心平移到機(jī)械坐標(biāo)系零點(diǎn)，在X和Z方向的平移量分別為m和n，其值如下。

然后，將工件坐標(biāo)系零點(diǎn)繞法向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角的旋轉(zhuǎn)矩陣如式（2）所示。

最后，將轉(zhuǎn)臺(tái)中心平移回到初始位置的變換矩陣如式（3）所示。

2.4 宏程序編制及變數(shù)說(shuō)明

利用機(jī)床機(jī)械坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系信息完成加工坐標(biāo)系與機(jī)械坐標(biāo)系的自動(dòng)轉(zhuǎn)換宏程序編制。

3 基于 NX 的后處理開(kāi)發(fā)研究

采用軟件進(jìn)行數(shù)控程序編制時(shí)，輸出的是加工刀具刀尖點(diǎn)數(shù)據(jù)的軌跡源文件CLS，然而機(jī)床執(zhí)行的是NC代碼程序，需要將CLS文件轉(zhuǎn)換成可被機(jī)床識(shí)別的NC程序代碼，控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，這種將刀具軌跡轉(zhuǎn)換成NC程序代碼的過(guò)程為后處理。

3.1 NX／Post結(jié)構(gòu)

NX／PostBuilder是NX系統(tǒng)自帶的后處理開(kāi)發(fā)工具，是進(jìn)行數(shù)控機(jī)床后處理文件制作的主要途徑。NX／Post的結(jié)構(gòu)如圖4所示。NX后處理的流程為：NX／Post接收事件生成器提取的NX刀軌源文件數(shù)據(jù)（事件名稱(chēng)、變量等）；然后根據(jù)事件處理器（Event Handler.tcl）文件所規(guī)定的事件進(jìn)行處理；最后根據(jù)定義文件（Definition File.ef）所規(guī)定的機(jī)床格式，處理輸出機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)所需NC程序。

圖 4 NX／Post結(jié)構(gòu)[3]

3.2 華中系統(tǒng)四軸機(jī)床 UG 后處理設(shè)計(jì)

基于NX/Post Builder建立后處理，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生3個(gè)文件。用戶(hù)可以利用Post Builder修改事件處理文件和事件定義文件，利用NX／Post Builder開(kāi)發(fā)后處理器的流程如圖5所示。

根據(jù)已計(jì)算機(jī)床運(yùn)動(dòng)分析及編制的坐標(biāo)系自動(dòng)補(bǔ)償宏程序，開(kāi)發(fā)坐標(biāo)系補(bǔ)償宏程序調(diào)用事件，并根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)、機(jī)床主要參數(shù)、華中系統(tǒng)特有指令。完成基于NX的后處理開(kāi)發(fā)。

圖 5 NX／Post Builder 后處理器開(kāi)發(fā)流程

首先進(jìn)行機(jī)床基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置，設(shè)計(jì)機(jī)床的行程、機(jī)床結(jié)構(gòu)、程序起始結(jié)束指令、G代碼指令和輔助指令等設(shè)置，如圖6所示。

圖 6 基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

定制后處理事件，當(dāng)產(chǎn)品加工坐標(biāo)系設(shè)置在非轉(zhuǎn)臺(tái)中心時(shí)調(diào)用該事件，如圖7所示。

后處理器編輯完畢后在編程平臺(tái)中調(diào)用編輯好后處理事件驅(qū)動(dòng)后處理對(duì)編輯好的刀具切削軌跡進(jìn)行NC程序輸出。如圖8、圖9所示。

3.3 后處理的驗(yàn)證

為保證后處理文件上機(jī)前的可行性和正確性，對(duì)后處理文件處理完成的數(shù)控程序進(jìn)行基于VERICUT軟件的仿真驗(yàn)證。數(shù)控程序在正式加工前，在仿真軟件中進(jìn)行切削仿真驗(yàn)證，可以有效檢驗(yàn)后處理程序的正確性。后處理的NC數(shù)控程序經(jīng)切削仿真驗(yàn)證零件無(wú)過(guò)切及欠切等報(bào)警信息，驗(yàn)證了后處理文件的正確性。零件產(chǎn)品圖及仿真效果圖分別如圖10、圖11所示。

圖 7 定制后處理事件

圖 8 調(diào)用后處理事件

4 結(jié)語(yǔ)

四軸機(jī)床在加工中坐標(biāo)系的自動(dòng)補(bǔ)償,可以減少工件在機(jī)床上的裝夾找正次數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床無(wú)間斷加工，提升四軸數(shù)控機(jī)床的加工能力。本文通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)中心原點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)后加工坐標(biāo)系與機(jī)床機(jī)械坐標(biāo)系關(guān)系的研究，編制坐標(biāo)系自動(dòng)補(bǔ)償宏程序，將宏程序儲(chǔ)存至機(jī)床控制器，僅需編程時(shí)在NX編程平臺(tái)以事件驅(qū)動(dòng)后處理文件，實(shí)現(xiàn)加工中坐標(biāo)系的自動(dòng)補(bǔ)償。簡(jiǎn)化編程思路，提高程序質(zhì)量，擴(kuò)展了機(jī)床加工能力。

圖 9 NC 數(shù)控程序輸出

圖 10 加工零件

圖 11 VERICUT 仿真效果