數(shù)控鏜銑床3+1軸加工自動補(bǔ)償工件零點(diǎn)偏置的應(yīng)用

陳建軍

中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長沙 410100

1 序言

四軸臥式鏜銑床加工圓形陣列分布特征或多面體一般采用3+1軸定位方式加工。一般操作者會將工件調(diào)整至對稱中心與工作臺旋轉(zhuǎn)中心重合，利用旋轉(zhuǎn)、對稱原理編程加工[1]。但這種常用的加工方法，一方面對工件的裝夾、找正要求比較高，工件需通過反復(fù)打表校正圓心偏差，并通過反復(fù)調(diào)整使特征陣列分布圓中心與機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心重合，操作復(fù)雜、效率低；另一方面，當(dāng)工件半徑大于刀軸端面到機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心的距離時（雖工件尺寸未超過工作臺尺寸），就無法實(shí)現(xiàn)同心裝夾，需轉(zhuǎn)移到更大的四軸機(jī)床實(shí)現(xiàn)同心裝夾和旋轉(zhuǎn)對稱加工。如果不騰挪機(jī)床，工件就只能偏心裝夾，每編程加工完一處特征后，需要旋轉(zhuǎn)、重新找正工件，并重新對刀后調(diào)用原程序加工，這樣雖可以保留用小機(jī)床加工，但是需反復(fù)旋轉(zhuǎn)、找正和對刀，不僅操作困難，而且基準(zhǔn)反復(fù)變化，無法保證加工精度[2]。

因此，亟待找出一種加工方法，既能夠?qū)崿F(xiàn)工件的偏心裝夾，保證小四軸機(jī)床能夠加工此類圓形陣列分布特征和多面體工件，又能夠減少找正、對刀次數(shù)，能夠?qū)⒐ぜ鴺?biāo)系變動偏移值精確補(bǔ)償?shù)搅泓c(diǎn)偏置中，保證加工的準(zhǔn)確性。本文提出一種工作臺旋轉(zhuǎn)任意角度后工件坐標(biāo)系零點(diǎn)偏置自動補(bǔ)償?shù)姆椒?，能夠?qū)崿F(xiàn)此類圓形陣列分布特征和多面體工件的準(zhǔn)確高效加工。

2 工件隨回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)后的分析

臥式數(shù)控鏜銑床3+1軸定位加工如圖1所示，工件為一段大直徑圓弧板（見圖2），需要加工多個呈圓形陣列分布的矩形腔。加工俯視圖如圖3所示，圓弧工件的半徑R遠(yuǎn)大于工作臺的回轉(zhuǎn)半徑，工件圓心與工作臺旋轉(zhuǎn)中心相距甚遠(yuǎn)，擺放角度任意。初始設(shè)定加工坐標(biāo)系，需要求解工件隨工作臺旋轉(zhuǎn)任意角度后相對初始設(shè)定坐標(biāo)系的坐標(biāo)值。

圖1 3+1軸定位加工示意

圖2 大直徑圓弧板工件

圖3 3+1軸定位加工俯視

旋轉(zhuǎn)幾何分析如圖4所示，O為工作臺旋轉(zhuǎn)中心，O1為工件圓心初始位置，在原坐標(biāo)①點(diǎn)（即G1點(diǎn)）設(shè)置初始加工坐標(biāo)系，C1為待加工位置，∠G1O1C1=α。工作臺旋轉(zhuǎn)α角度才能使C1正對主軸，相當(dāng)于工件繞工作臺旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)α角度，O1旋轉(zhuǎn)至O2，A1旋轉(zhuǎn)至A2，B1旋轉(zhuǎn)至B2，以此類推，F(xiàn)1旋轉(zhuǎn)至F2。將工作臺旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值XMCS設(shè)為參數(shù)R30，ZMCS設(shè)為參數(shù)R31，工件圓半徑R、旋轉(zhuǎn)角度α分別設(shè)為參數(shù)R1、R2。求解工件隨工作臺旋轉(zhuǎn)任意角度后相對初始設(shè)定坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，實(shí)際就是求②點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值，將該值自動寫入加工坐標(biāo)系的零點(diǎn)偏置。

圖4 旋轉(zhuǎn)幾何分析

由圖4可知①點(diǎn)的坐標(biāo)為XMCS1=B1D1+R30，ZMCS1=E1G1+R31，②點(diǎn)的坐標(biāo)XMCS2=A2H2+R30，ZMCS2=J2C2+R31。求②點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值實(shí)際為求解線段A2H2、J2C2的長度。推導(dǎo)過程如下。

O1C1=O2C2=O1G1=工件的圓半徑R=R1

D1C1=O1C1sinα=Rsinα，設(shè)為參數(shù)R24

O1D1=Rcosα

D1G1=O1G1－O1D1=R－Rcosα，設(shè)為參數(shù)R26

從①點(diǎn)到②點(diǎn)即工作臺旋轉(zhuǎn)α角度，得到

根據(jù)全等三角形原理：D2F2=B2H2=D1F1，A2B2=A1B1

因此：A2H2=A2B2－B2H2=A1B1－D1F1

同理：

根據(jù)全等三角形原理：A2J2=OH2=E2F2

因此：J2C2=A2C2+A2J2=A2C2+E2F2

為了公式簡便及參數(shù)化，再設(shè)①點(diǎn)的X向坐標(biāo)為參數(shù)R81，Z向坐標(biāo)為參數(shù)R83，即X=B1D1+R30=R81，Z=E1G1+R31=R83。設(shè)②點(diǎn)未旋轉(zhuǎn)時原C1點(diǎn)X向坐標(biāo)為參數(shù)R86，Z向坐標(biāo)為參數(shù)R87，即R86=R81+R24，R87=R83+R26。則

因此②點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值為

3 坐標(biāo)驗(yàn)證

坐標(biāo)驗(yàn)證如圖5所示，工件有①～⑨共9個加工位置，相關(guān)尺寸已標(biāo)出，現(xiàn)驗(yàn)證式（3）、式（4）。假設(shè)工作臺旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為XMCS=5000，ZMCS=－1200。從中選出每90°的位置進(jìn)行圖示，工作臺旋轉(zhuǎn)位置變化如圖6所示。

圖5 坐標(biāo)驗(yàn)證示意

圖6 工作臺旋轉(zhuǎn)位置變化示意

經(jīng)過推算與計算得到的機(jī)床坐標(biāo)，與實(shí)際測量得到的機(jī)床坐標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，具體見表1。從表1中的數(shù)據(jù)可看出，計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)一致，表明推算與計算方式正確。

表1 坐標(biāo)驗(yàn)證

4 工件坐標(biāo)系零點(diǎn)偏置自動補(bǔ)償程序編制

根據(jù)前文推算的②點(diǎn)的坐標(biāo)公式，以西門子840D/840Dsl系統(tǒng)的編寫方式編寫。

4.1 主程序

MSG，臥式機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)任意角度后自動計算工件零點(diǎn)偏置。

;*參數(shù)數(shù)據(jù)設(shè)定與賦值*

R1=500 ;目標(biāo)工件的回轉(zhuǎn)R值，根據(jù)工件大小修改R1值

R2=45 ;B軸目標(biāo)坐標(biāo)系與源坐標(biāo)系的差值

CJJ；程序段標(biāo)記

R24=R1*SIN(R2) ;X軸目標(biāo)坐標(biāo)系與源坐標(biāo)系的差值

R25=0 ;Y軸目標(biāo)坐標(biāo)系與源坐標(biāo)系的差值

R26=R1*(COS(R2)-1) ;Z軸目標(biāo)坐標(biāo)系與源坐標(biāo)系的差值

R54=1 ;源坐標(biāo)系，1代表G54，2代表G55，3代表G56……

R55=2 ;目標(biāo)坐標(biāo)系，1代表G54，2代表G55，3代表G56……

R30=5000 ;回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)中心X向機(jī)床坐標(biāo)

R31=-1200 ;回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)中心Z向機(jī)床坐標(biāo)

G0G90G54

;*讀取R54源WCS中X、Y、Z、B值至R參數(shù)*

R81=$P_UIFR[R54,X,TR]+$P_UIFR[R54,X,FI];X粗略坐標(biāo)值+X精確坐標(biāo)值

R82=$P_UIFR[R54,Y,TR]+$P_UIFR[R54,Y,FI]

R83=$P_UIFR[R54,Z,TR]+$P_UIFR[R54,Z,FI]

R96=$P_UIFR[R54,B,TR]+$P_UIFR[R54,B,FI]

;*計算R55目標(biāo)WCS中X、Y、Z值*

R86=R81+R24

R87=R83+R26 ;R86、R87相當(dāng)于②點(diǎn)未旋轉(zhuǎn)時原C1點(diǎn)X、Z向的原坐標(biāo)

R88=R30+(R86-R30)*COS(R2)-(R87-R31)*SIN(R2) ;X機(jī)床坐標(biāo)

R89=R31+(R86-R30)*SIN(R2)+(R87-R31)*COS(R2) ;Z機(jī)床坐標(biāo)

R90=R82+R25 ;Y機(jī)床坐標(biāo)

;*寫入R55目標(biāo)WCS中X、Y、Z、B值至R參數(shù)*

$P_UIFR[R55,X,TR]=R88 ;X粗略坐標(biāo)值

$P_UIFR[R55,X,FI]=0 ;X精確坐標(biāo)值

$P_UIFR[R55,Y,TR]=R90

$P_UIFR[R55,Y,FI]=0

$P_UIFR[R55,Z,TR]=R89

$P_UIFR[R55,Z,FI]=0

$P_UIFR[R55,B,TR]=R96+R2

$P_UIFR[R55,B,FI]=0

G04 F2

MSG()

G0G90G55B0 ;選用目標(biāo)坐標(biāo)系R55并賦值B0

;TRANS Z=100 ;Z向偏移100（調(diào)試程序時用）

L1 ;調(diào)用子程序

R10=30 ;賦值旋轉(zhuǎn)角度的增量值

R2=R2+R10 ;在原R2角度的基礎(chǔ)上每次遞增R10度

R3=135 ;循環(huán)終止角度

IF R2<=R3 GOTO CJJ

M30

4.2 子程序L1

;子程序命名為L1

T1D1 ;調(diào)用刀具、刀補(bǔ)，不同系統(tǒng)T指令表達(dá)形式略有差別

G0G90G17

M3S2000

R41=(40-10)/2 ;子程序中R變量不能與主程序里的沖突

R42=(60-10)/2

R43=0

R44=-12

N444

G0X0Y0

G1X=R41F2000

G0X0Y0

R43=R43-0.2

IF R43>=R44 GOTO N444

G0Z500

M17

5 加工應(yīng)用

5.1 確定工作臺旋轉(zhuǎn)中心

（1）X向旋轉(zhuǎn)中心的確定 工作臺Z向大約中心處（X向隨意）吸附一只千分表，主軸上裝一個檢驗(yàn)棒，設(shè)定此位置為工作臺零度。移動機(jī)床使檢驗(yàn)棒的側(cè)母線與表針接觸，移動Y軸找到最高點(diǎn)，記下X向機(jī)床坐標(biāo)MX1。工作臺轉(zhuǎn)180°，同上步驟操作使表針讀數(shù)與0°時保持一致，記下X向機(jī)床坐標(biāo)MX2。那么X向旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)即為R30=（MX1+MX2）/2。

（2）Z向旋轉(zhuǎn)中心的確定 工作臺Z向大約中心處（X向隨意）裝一試切工件，B軸設(shè)0°。以一把作為基準(zhǔn)的刀（為方便后續(xù)加刀長補(bǔ)償）精銑工件的一面，記下Z向機(jī)床坐標(biāo)MZ1，工作臺轉(zhuǎn)180°精銑工件的另一面，記下Z向機(jī)床坐標(biāo)MZ2，用千分尺測量試切工件的厚度W，那么Z向旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)即為R31=（MZ1+MZ2－W）/2。

5.2 裝夾、校正弧形工件

弧形工件按便于加工的任意位置放于工作臺上，拉平弧形工件兩端并設(shè)定B0，以兩端和上下分中設(shè)定工件坐標(biāo)系（此為源坐標(biāo)系），同時檢測弧形工件的圓弧是否正確或者是否變形。

5.3 Z向?qū)Φ?/h3>

用測Z向旋轉(zhuǎn)中心時所使用的作為基準(zhǔn)的刀，在X0處圓弧最高點(diǎn)對刀Z0。

5.4 加工

調(diào)用編制的主程序和子程序進(jìn)行試加工，檢測各個位置是否有加工余量，Z向偏移安全距離后試運(yùn)行程序。檢測之后正式加工，后續(xù)用其他刀具加工時只能加刀長補(bǔ)償，不能再進(jìn)行對刀。加工過程及成品分別如圖7、圖8所示。

圖7 實(shí)際加工過程

圖8 加工成品

6 結(jié)束語

本文提出了一種工作臺旋轉(zhuǎn)任意角度后工件坐標(biāo)系零點(diǎn)偏置自動補(bǔ)償?shù)姆椒?，通過圖形分析演算、坐標(biāo)驗(yàn)證、程序編制以及試加工，成功驗(yàn)證其正確性。這種方法解決了工作臺旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系變化的加工技術(shù)難題，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)工件的3+1軸自由裝夾定位加工，降低對工件裝夾、找正的要求，拓展機(jī)床的加工能力，優(yōu)化車間排產(chǎn)；另一方面能夠自動將精確的工件坐標(biāo)系變動偏移值補(bǔ)償?shù)焦ぜ鴺?biāo)系的零點(diǎn)偏置中，避免旋轉(zhuǎn)工件后的反復(fù)找正、對刀，既保證了加工質(zhì)量，又大大提升加工效率。