數(shù)控加工中多零點(diǎn)自動設(shè)置的參數(shù)編程方法研究與應(yīng)用

□ 卞福強(qiáng) □ 曹 彧 □ 吳維設(shè) □ 李 明

中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471099

采用臥式加工中心加工零件時，經(jīng)常需要在一道工序中對多個表面進(jìn)行切削，為了編程、調(diào)試和加工的方便，必須使每一個被加工的平面與機(jī)床主軸垂直，并設(shè)置一個對應(yīng)的加工坐標(biāo)系，通常的方法是用測量工具逐一找正得到，但這種方法存在如下缺點(diǎn)。

（1）占機(jī)時間較長，因?yàn)楸仨殞γ恳粋€加工面的坐標(biāo)系原點(diǎn)進(jìn)行找正和計(jì)算來確定與設(shè)置。

（2）零件的裝夾必須有準(zhǔn)確的定位，因?yàn)橐坏┍患庸さ牧慵ㄎ挥姓`差，就必須對每一個加工面的坐標(biāo)系原點(diǎn)重新進(jìn)行測量和設(shè)置，所以要求有較復(fù)雜的工裝夾具來保證零件的準(zhǔn)確定位。

（3）有加工余量的表面無法直接測量得到。

（4）較多地使用了專用工裝夾具，增加了加工成本和準(zhǔn)備周期，特別是在單件小批量零件的加工中，表現(xiàn)得尤為突出。

因此，如何在零件重復(fù)裝夾定位精度不高的情況下，利用較簡便的測量找正方法，快速而準(zhǔn)確地確定與設(shè)置各加工表面的坐標(biāo)系原點(diǎn)即工件零點(diǎn)，將是提高加工精度和加工效率的關(guān)鍵問題之一。

1 坐標(biāo)系自由轉(zhuǎn)換方法

1.1 工件坐標(biāo)系幾何模型的建立

在數(shù)控機(jī)床的加工區(qū)域內(nèi)，存在如圖1所示的幾個點(diǎn)：M為機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)，O為數(shù)控工作臺旋轉(zhuǎn)中心，W為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)（即工件零點(diǎn)），其中M、O為機(jī)床固定的坐標(biāo)位置。

工件一旦被固定在工作臺上，其相對工作臺的位置也就被固定下來，而工件各表面的加工是靠回轉(zhuǎn)工作臺攜工件同時轉(zhuǎn)動來完成的，因此工件上各點(diǎn)相對NC轉(zhuǎn)臺中心的距離始終固定，也就是說，工件在回轉(zhuǎn)工作臺攜帶下轉(zhuǎn)至另外某一位置時，工件上各點(diǎn)是同時轉(zhuǎn)動的。顯然，各點(diǎn)在工件旋轉(zhuǎn)前和旋轉(zhuǎn)后，都與回轉(zhuǎn)工作臺中心坐標(biāo)有著直接的關(guān)系。如果確定了任意一個工件零點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系XOZ中的坐標(biāo)位置，通過坐標(biāo)換算將會得到其余各點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系XOZ中的坐標(biāo)位置，而利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)可計(jì)算出各點(diǎn)繞轉(zhuǎn)臺中心旋轉(zhuǎn)后，各點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置。

總的來說，如果確定了工件上某一點(diǎn)（如A點(diǎn)稱為基準(zhǔn)點(diǎn)）在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置，通過坐標(biāo)變換計(jì)算，便可以得到其它相應(yīng)被加工表面坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，即零偏值。

1.2 零偏值的確認(rèn)過程

零偏值的確定與設(shè)置過程如下。

（1）已知回轉(zhuǎn)工作臺中心在機(jī)床坐標(biāo)系XMZ中的坐標(biāo)位置 XO、ZO。

（2）確定工作臺上某一工件坐標(biāo)系零點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，通過測量與找正的方法，將該基準(zhǔn)點(diǎn)確定在機(jī)床坐標(biāo)系XMZ中，作為工件基準(zhǔn)點(diǎn)的零偏值；當(dāng)工件重復(fù)裝夾定位精度要求較高時，可用任何一種測量與找正方法和量具測得首件之基準(zhǔn)點(diǎn)的零偏值；當(dāng)工件無法準(zhǔn)確定位時，則每件必須確定一次基準(zhǔn)點(diǎn)的零偏值。

（3）計(jì)算出工件其它被測點(diǎn)相對于工件基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值。

（4）根據(jù)已知的上述幾種數(shù)值，應(yīng)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，計(jì)算出相應(yīng)各被加工表面坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

（5）將各被求得的零偏值存入零偏值存儲器中，以便加工相應(yīng)表面時調(diào)用。

在確定的 X、Y（法向軸）、Z、B（旋轉(zhuǎn)軸）各坐標(biāo)值中，當(dāng)基準(zhǔn)點(diǎn)的零偏值被確定之后，其它各點(diǎn)零偏值中只有X、Z坐標(biāo)值發(fā)生坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，而Y、B坐標(biāo)值只發(fā)生坐標(biāo)平移。

1.3 轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo)

▲圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換幾何關(guān)系示意圖

如圖2所示，已知：A 點(diǎn)在 X′OZ′坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值 （X1′，Z1′），將坐標(biāo)系 X′OZ′逆時針旋轉(zhuǎn)θ至坐標(biāo)系XOZ時，求A點(diǎn)在坐標(biāo)系XOZ中的坐標(biāo)值（X1，Z1）。

如圖所示，利用A點(diǎn)在各坐標(biāo)軸上的投影，求得A 點(diǎn)在坐標(biāo)系 XOZ 中的坐標(biāo)值：X1′=OE，Z1′=AE。

當(dāng)坐標(biāo)系按順時針旋轉(zhuǎn)一個角度后，可得到：

因θ角逆時針旋轉(zhuǎn)為正，順時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)，且：

故可得到坐標(biāo)系按任意方向旋轉(zhuǎn)時的X1、Z1：工件安裝在工作臺上后（如圖3所示），以回轉(zhuǎn)工作臺中心軸 （即B軸）為其回轉(zhuǎn)中心，以W點(diǎn)為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)，可建立工件坐標(biāo)系為 XWZ，回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 XOZ，機(jī)床坐標(biāo)系 XMZ，工件上任一固定點(diǎn)P在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為（XW，ZW），通過找正可得出W點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（XM，ZM），轉(zhuǎn)臺中心O的機(jī)床坐標(biāo)值為常數(shù) （XO，ZO）， 則P點(diǎn)在回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系XOZ中的坐標(biāo)值為：

▲圖3 通用公式推導(dǎo)圖

根據(jù)ISO/841數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)軸的右手規(guī)則規(guī)定，B軸逆時針旋轉(zhuǎn)為正，B軸順時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)，所以B軸坐標(biāo)值與θ角方向相同且大小相等。設(shè)B軸初始值為BO，當(dāng)工作臺旋轉(zhuǎn)BW（=θ）時，該被求點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中坐標(biāo)值為：B=BW+BO。

將式（5）、BW=θ 代入式（4）中，得到某被求點(diǎn) P 隨工作臺旋轉(zhuǎn)BW角后在XOZ坐標(biāo)系中新的坐標(biāo)為：

利用坐標(biāo)平移的方法可得到：點(diǎn)P隨回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)一個BW角后，在機(jī)床坐標(biāo)系（XMZ）中的坐標(biāo)值為：

其中XO、ZO對于某一特定的機(jī)床其值為常數(shù)。

式（8）即為工作臺上任一坐標(biāo)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)BW角度后的在機(jī)床坐標(biāo)系中坐標(biāo)值的通用公式。

2 轉(zhuǎn)換方法的使用

由于該多零點(diǎn)設(shè)置方法需要使用旋轉(zhuǎn)工作臺，所以該方法僅在具有參數(shù)編程和傳遞功能的臥式數(shù)控機(jī)床上使用，且在進(jìn)行參數(shù)程序計(jì)算前，必須確定NC轉(zhuǎn)臺中心在機(jī)床坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確位置，以確保計(jì)算精度。本文以西門子840D系統(tǒng)為例，其NC子程序如下。

在實(shí)際加工中，需要在主程序中設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)，調(diào)用該子程序即可實(shí)現(xiàn)零件坐標(biāo)系的自動轉(zhuǎn)換。主程序中使用方法如下。

其中R40為初始零點(diǎn) （G54），R41～R43分別為 P點(diǎn)的工件坐標(biāo)值 （XW，YW，ZW），R44 為工作臺旋轉(zhuǎn)角度，R45為轉(zhuǎn)換后的零點(diǎn)（G55），執(zhí)行程序后，G55中的零點(diǎn)數(shù)值會自動設(shè)置完畢。

3 典型零件加工

在實(shí)際生產(chǎn)中，用該多零點(diǎn)參數(shù)設(shè)置方法可大幅縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，提高加工效率。如圖4所示，散熱片零件要求加工R43.2mm弧面、4-M2.5mm螺紋、三處4mm寬散熱槽。以往的加工方法通常是用立銑刀側(cè)銑、立銑刀端銑或球頭銑刀插補(bǔ)的方法加工R43.2mm弧面、4-M2.5mm螺紋底孔和螺紋，如果想一次加工得到，就必須使用工裝夾具將零件R43.2mm弧面軸線安裝在回轉(zhuǎn)工作臺的中心上，才能進(jìn)行鉆孔和攻絲，如果設(shè)計(jì)專用工裝，不僅會提高生產(chǎn)成本，還會延長制造周期。而通過使用多零點(diǎn)設(shè)置參數(shù)編程方法，利用零點(diǎn)自動計(jì)算方法，僅采用虎鉗裝夾、立銑刀端銑等常用生產(chǎn)工具，就可以完成零件的加工。

用φ8mm硬質(zhì)合金銑刀完成R43.2mm弧面精加工程序如下。

▲圖4 散熱片零件工序圖

4 結(jié)論

本文介紹的數(shù)控機(jī)床多零點(diǎn)自動計(jì)算方法，適用于臥式加工中心上使用，通過宏程序控制，避免了專用工裝夾具的使用，從而大大地降低了專用工裝的制造成本和周期，為單件小批量生產(chǎn)提供了良好的工藝方法。

［1］陳志雄.數(shù)控機(jī)床與數(shù)控編程技術(shù)（2版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［2］楊剛.數(shù)控銑及加工中心編程［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2007.