一種確定多面體多零偏值的方法

白 潔，劉 禹

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

一種確定多面體多零偏值的方法

白 潔，劉 禹

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

針對在臥式加工中心上加工多面體零件需要多次測量零偏值的問題，提出了一種新的方法，即通過測定機(jī)床的回轉(zhuǎn)中心，借助AutoCAD軟件，建立一個(gè)機(jī)床坐標(biāo)環(huán)境，并利用一個(gè)已知的零偏值，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地得到其他需加工表面的零偏值。采用該方法能夠減少加工中多次測量零偏值帶來的繁瑣工作，大大提高加工效率，降低編程的差錯(cuò)率。本文通過2個(gè)具體應(yīng)用實(shí)例，對該方法和傳統(tǒng)方法進(jìn)行了對比，詳細(xì)論述了該方法的優(yōu)點(diǎn)及使用方法，并對其正確性進(jìn)行了理論驗(yàn)證。采用該方法還可以應(yīng)用于與臥式加工中心相似的其他設(shè)備。

多面體；零偏值；回轉(zhuǎn)中心；數(shù)控編程

零偏值的確定是在臥式加工中心、數(shù)控鏜銑床上加工多面體零件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。零偏值的確定不但與加工精度密切相關(guān)，也可直接影響加工效率。中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所使用的Heckert CW630臥式加工中心為帶回轉(zhuǎn)B軸、雙工作臺(tái)形式，工作臺(tái)自動(dòng)定位整數(shù)分度(最小1°)。在加工多面體零件時(shí)，通常是把工件需加工表面的零偏值測量后進(jìn)行儲(chǔ)存，編入程序，在加工時(shí)調(diào)用。這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在實(shí)際操作中也容易出錯(cuò)，尤其對于實(shí)際加工時(shí)無法直接測量零偏值的加工表面。筆者經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)積累，結(jié)合設(shè)備特點(diǎn)，總結(jié)出通過確定工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心，借助AutoCAD軟件，利用一個(gè)已知零偏值確定其他相關(guān)零偏值的方法，在實(shí)際生產(chǎn)中得到良好應(yīng)用。

1 方法介紹

1.1 測工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心

CW630加工中心工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)是繞B軸。B軸為分度盤式結(jié)構(gòu)，此軸回轉(zhuǎn)中心的X、Y和Z坐標(biāo)在加工區(qū)域內(nèi)，不論工作臺(tái)怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，其在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置是可求的。

測量B軸回轉(zhuǎn)中心的方法很多，現(xiàn)舉其中一種進(jìn)行說明[1]。首先在工作臺(tái)上放一標(biāo)準(zhǔn)方箱(見圖1)，把方箱找正，方箱上3個(gè)相互垂直的平面分別平行于相應(yīng)的加工中心坐標(biāo)軸，用微米杠桿表找正方箱任意水平與垂直方向200 mm長度范圍，偏差≤0.005 mm；然后固定方箱，用紅外測頭測量N面與S面，得N1與S1值，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°，再測量N面及S平行面，得N2與S2值。

圖1 利用方箱求回轉(zhuǎn)中心示意圖

由公式NO=(N1+N2)/2，可計(jì)算出Z方向的回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)。由公式SO=(S1+S2)/2，可計(jì)算出X方向的回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)。

通過上述方法得到B軸回轉(zhuǎn)中心O的坐標(biāo)為(SO,NO)。這種測量方法的精度主要取決于測頭的測量誤差、方箱精度誤差及隨機(jī)誤差[2]。

1.2 測量工作臺(tái)上任意一點(diǎn)的零偏值

工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心確定后，在AutoCAD軟件中建立一個(gè)機(jī)床二維坐標(biāo)環(huán)境(見圖2)，橫軸為X軸，縱軸為Z軸。

圖2 機(jī)床坐標(biāo)環(huán)境示意圖

X軸和Z軸是機(jī)床坐標(biāo)系，坐標(biāo)零點(diǎn)是機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)。把機(jī)床模擬坐標(biāo)原點(diǎn)建立在AutoCAD坐標(biāo)系原點(diǎn)上，就構(gòu)成了機(jī)床加工坐標(biāo)環(huán)境。將上述測量的工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心O坐標(biāo)(SO,NO)輸入到AutoCAD軟件中，在這個(gè)坐標(biāo)系下的任意一點(diǎn)都可以繞回轉(zhuǎn)中心O轉(zhuǎn)動(dòng)(比如A點(diǎn))，轉(zhuǎn)動(dòng)后新位置的值即為所求點(diǎn)的新零偏值。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 模圈零件的加工

某模圈零件示意圖如圖3所示，該零件為標(biāo)準(zhǔn)四面體結(jié)構(gòu)，需加工四周鉸鏈部分。實(shí)際加工時(shí)設(shè)計(jì)了裝夾工裝，工裝上預(yù)先加工好與模圈上銷孔位置和尺寸一致的4個(gè)孔作為定位孔，把工裝固定到工作臺(tái)上，以銷孔中心為基準(zhǔn)找正。X方向2孔偏差≤0.005 mm，用帶長度及半徑補(bǔ)償?shù)闹行你@粗測銷孔1和銷孔2的中心X、Z坐標(biāo)，然后換算成M1點(diǎn)的X、Z坐標(biāo)值，輸入到零偏值存儲(chǔ)器中，用測頭調(diào)用L977測量子程序測量M1點(diǎn)X方向精確值xM1，再用子程序L978測量圓柱銷1的表面Z值，換算成M1的Z坐標(biāo)zM1，于是M1(xM1，zM1)點(diǎn)即為精測出的已知零偏值點(diǎn)。

圖3 模圈零件示意圖

從圖3可以看出，把4個(gè)銷孔中心線連接起來，其連線的中點(diǎn)就是每個(gè)面的零點(diǎn)，但其還不是實(shí)際加工時(shí)使用的零偏值。

M1(xM1，zM1)點(diǎn)已知以后，將工件要旋轉(zhuǎn)90°，主軸正對M2點(diǎn)所在面。M2點(diǎn)計(jì)算公式為：

上述公式中，O點(diǎn)、O1點(diǎn)及M1點(diǎn)坐標(biāo)都是已知值，其中O點(diǎn)為工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)，O1點(diǎn)為工件對稱中心坐標(biāo)，M1點(diǎn)為實(shí)測工件零偏值，L1和L2為銷孔孔距。求解可得：

xM2=xO+zO-zO1

同理，可求M3、M4的零偏值：

xM3=2xO-xM1

xM1=xO+zO1-zO

上述推導(dǎo)出的公式是簡單算式，但在實(shí)際工作中，由于機(jī)床坐標(biāo)位置點(diǎn)的每個(gè)值都是由6～7位數(shù)構(gòu)成，所以運(yùn)算繁雜?；谶@個(gè)原因，應(yīng)用AutoCAD軟件建立模擬機(jī)床坐標(biāo)環(huán)境來計(jì)算零偏值，如圖4所示，O點(diǎn)為工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心，O1點(diǎn)為工件對稱中心，M1點(diǎn)為已知點(diǎn)零偏值，通過繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)即可得到所求點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系下的新坐標(biāo)——零偏值，既快捷又準(zhǔn)確。

圖4 模擬機(jī)床環(huán)境計(jì)算零偏值

2.2 斜面壓頭的加工

某斜面壓頭零件如圖5和圖6所示，需一次裝夾加工A、B兩處。

1) 加工A處。O點(diǎn)是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心，工件初始零偏位于工作臺(tái)上任意位置，如圖5所示的O′點(diǎn)，A處按常規(guī)加工方法處理即可。

2) 加工B處。該面為15°斜面，由于斜面較大，不能用角度成型刀加工，只能通過旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)用棒刀側(cè)刃加工，但工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)15°后(由于15°斜面還沒有加工出來)，O′點(diǎn)就移動(dòng)到一個(gè)新的位置，新位置要重新測定，而此時(shí)工件正對主軸的表面都是角度面，沒有可測量的規(guī)則平面。遇到上述情況，常規(guī)方法是通過“試切”來推算零偏值，但這種方法誤差大，不適合批量加工；而使用在AutoCAD軟件上建立機(jī)床模型的方法，計(jì)算旋轉(zhuǎn)后的任意位置坐標(biāo)既快捷又準(zhǔn)確。首先，利用已建立的工作臺(tái)模型，按圖5所示裝夾位置把O′點(diǎn)零偏坐標(biāo)的實(shí)際值輸入，在AutoCAD軟件中得到一個(gè)點(diǎn)；然后根據(jù)實(shí)際加工時(shí)工作臺(tái)所要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，把圖6中所有的元素，以O(shè)點(diǎn)為回轉(zhuǎn)中心，正向或負(fù)向旋轉(zhuǎn)同樣的角度；轉(zhuǎn)動(dòng)以后得到O″點(diǎn)，用詢問的方法即可得到這一點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值——即零偏值。

圖5 斜面壓頭加工示意圖一

圖6 斜面壓頭加工示意圖二

可對上述測量結(jié)果進(jìn)行理論驗(yàn)證，如圖7所示，在已知旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)、O′點(diǎn)坐標(biāo)(x′,y′)和轉(zhuǎn)角φ情況下，其極坐標(biāo)方程為：

圖7 零偏值坐標(biāo)計(jì)算

3 結(jié)語

利用工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心確定多個(gè)零偏值的方法同樣也適用于其他帶回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的機(jī)床。此方法在本單位另一臺(tái)數(shù)控鏜銑床上使用后效果良好。使用中要注意的問題是，第1個(gè)被測零偏值的精度決定了被求零偏值的精度，而且零偏值與回轉(zhuǎn)中心之間的偏移量越大，誤差也相應(yīng)增大?？傊@種方法在加工中簡化了操作程序，提高了工作效率，降低了頻繁測量中人為因素的差錯(cuò)幾率，是一種可視化的、圖形化的計(jì)算方法，具有直觀、準(zhǔn)確的操作效果。

[1] 蔡復(fù)之,楊俊功.實(shí)用數(shù)控加工技術(shù)[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社,1995.

[2] 王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

責(zé)任編輯鄭練

AKindofMethodofDeterminingZero-offsetofPolyhedron

BAI Jie, LIU Yu

(The 713thResearch Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015, China)

Aimed at the problem of measuring the zero offset of a polyhedral part during the machining process by horizontal CNC machining center, the paper provided a new method. By determined the rotary center of the equipment and with the aid of AutoCAD tools, it can establish an equipment’s coordinate environment. Using a know zero offset, it can get the other processing surface’s zero offset fast and accurately. This method can reduce the tedious measurement processing, improve the processing efficiency significantly and reduce the program’s error rate. By using two practical examples, the paper compared this method with the traditional method, discussed its advantage and about how to use in details, and validated its correctness in theory. This method can be applied to other similar equipments.

polyhedron, zero-offset, rotary center, CNC

TG 659

：A

白潔(1971-)，男，碩士，主要從事機(jī)械制造工藝和生產(chǎn)管理等方面的研究。

2014-12-28