單轉(zhuǎn)臺(tái)單擺頭五軸機(jī)床工件坐標(biāo)系建立及編程

摘 要：以單轉(zhuǎn)臺(tái)單擺頭五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床為例，詳細(xì)介紹了五軸機(jī)床工件坐標(biāo)系的建立過程，尤其針對(duì)五軸機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的確定及主軸刀具擺長(zhǎng)的測(cè)定、計(jì)算及輸入進(jìn)行了詳細(xì)講解，并且以SKY五軸機(jī)床為例介紹了多軸編程的基本格式。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)无D(zhuǎn)臺(tái)單擺頭；工件坐標(biāo)系；編程

引言

五軸機(jī)床一般為在普通三軸機(jī)床的基礎(chǔ)上附加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。又稱為3+2軸。按照旋轉(zhuǎn)軸的類型，五軸機(jī)床可以分為三類：雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸、雙擺頭五軸、單轉(zhuǎn)臺(tái)單擺頭五軸。旋轉(zhuǎn)軸分為兩種：使主軸方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸稱為擺頭，使裝夾工件的工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸稱為轉(zhuǎn)臺(tái)。

單轉(zhuǎn)臺(tái)單擺頭五軸機(jī)床以旋轉(zhuǎn)軸B為擺頭，旋轉(zhuǎn)平面為ZX平面；旋轉(zhuǎn)軸C為轉(zhuǎn)臺(tái)，旋轉(zhuǎn)平面為XY平面。其特點(diǎn)為：加工過程中工作臺(tái)只旋轉(zhuǎn)不擺動(dòng)，主軸只在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)擺動(dòng)，加工特點(diǎn)介于雙轉(zhuǎn)臺(tái)和雙擺頭之間，其旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單轉(zhuǎn)臺(tái)單擺頭五軸機(jī)床機(jī)構(gòu)

工件坐標(biāo)系的建立就是將CAM軟件的三維圖形中的加工坐標(biāo)系與實(shí)際機(jī)床上的加工坐標(biāo)系統(tǒng)一起來。工件原點(diǎn)（加工坐標(biāo)系原點(diǎn)）位置是由編程人員設(shè)定的。機(jī)床上工件的原點(diǎn)反映的是工件與機(jī)床原點(diǎn)之間的位置關(guān)系。工件原點(diǎn)一旦確定一般不再改變。而轉(zhuǎn)臺(tái)加擺頭的五軸機(jī)床在裝夾工件之前要先測(cè)出轉(zhuǎn)臺(tái)中心，裝夾工件時(shí)校正工件或測(cè)量出工件位置偏差，還要測(cè)定擺軸的有效擺長(zhǎng)，有效擺長(zhǎng)等于擺軸長(zhǎng)加基準(zhǔn)刀具長(zhǎng)度之和。

1 建立工件坐標(biāo)系

單轉(zhuǎn)臺(tái)單擺頭五軸機(jī)床，一般將加工原點(diǎn)取在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)（C軸）的旋轉(zhuǎn)軸線上，因此對(duì)刀時(shí)必須找到轉(zhuǎn)臺(tái)的中心，加工原點(diǎn)的X、Y軸坐標(biāo)由轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置確定，但Z軸坐標(biāo)根據(jù)工件上的基準(zhǔn)而定，與轉(zhuǎn)臺(tái)中心無關(guān)。

1.1 校正擺軸，使主軸垂直于工作臺(tái)（對(duì)刀B軸原點(diǎn)）

方法一：如圖2所示，在主軸上裝一標(biāo)準(zhǔn)芯棒（或刀桿）；移動(dòng)B軸，使主軸大概垂直于工作臺(tái)平面；將千分表吸在工作臺(tái)面上，調(diào)整表針位置，讓表針接觸刀桿或芯棒；低速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，或用手撥動(dòng)刀桿或芯棒使主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，若千分表讀數(shù)隨主軸旋轉(zhuǎn)而變化，則重新安裝芯棒，直至千分表讀數(shù)不隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)而變化或讀數(shù)在允許的范圍之內(nèi)；上下運(yùn)動(dòng)Z軸，觀察千分表讀數(shù)變化，調(diào)整B軸，使千分表讀數(shù)不隨Z軸上下移動(dòng)而變化或其變化在允許的范圍之內(nèi)，此時(shí)主軸與工作臺(tái)垂直。把這時(shí)機(jī)床坐標(biāo)B軸的數(shù)值輸入到G55對(duì)話框中的B框中，并按“確定”按鈕保存。

方法二：將千分表吸到刀柄上，并能保證表隨著刀柄在360度范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不受任何阻礙。如圖3所示：調(diào)整表的高度使表頭接觸到工作臺(tái)面，然后旋轉(zhuǎn)刀柄讓表頭在工作臺(tái)面上劃一個(gè)整圓，調(diào)整B軸的角度，使千分表在這個(gè)圓的任意位置上讀數(shù)基本相等，把此時(shí)B軸機(jī)床坐標(biāo)的數(shù)值輸入到G55對(duì)話框中的B框中，并按“確定”按鈕保存。

圖3 擺軸校正方法二

兩種方法相比較，方法二比方法一更加精確、可靠，所以操作機(jī)床時(shí)建議使用方法二。

一般情況下，B軸的零位在新機(jī)床出廠調(diào)試時(shí)已經(jīng)校正，即B軸機(jī)床坐標(biāo)為零時(shí)，主軸垂直于工作臺(tái)，但為了確保精度，加工前應(yīng)復(fù)檢一次。

1.2 轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心（對(duì)刀X、Y軸原點(diǎn)）

如圖4，把表吸到刀柄上，并保證表和刀柄360度范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不受任何阻礙；調(diào)整機(jī)床X、Y、Z軸和千分表位置，使得千分表在隨刀柄旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，表針基本能接觸到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的內(nèi)孔壁；進(jìn)一步調(diào)整X、Y軸的位置，直到千分表的讀數(shù)在內(nèi)壁任意位置基本相等；把此時(shí)X、Y軸的機(jī)床坐標(biāo)值輸入到G55對(duì)話框的X、Y框中，并按“確定”按鈕保存。

1.3 裝夾工件和刀具

把工件固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，加工時(shí)所需要的第一把刀具裝夾到主軸上。

1.4 選定C軸的基準(zhǔn)邊（對(duì)刀C軸原點(diǎn)）

通常在需要進(jìn)行多軸加工的工件上取一基準(zhǔn)邊，把這個(gè)基準(zhǔn)邊與X（或Y）軸成一特定角度或平行時(shí)的C軸位置作為C軸的零位。把此時(shí)C軸的機(jī)床坐標(biāo)值輸入到G55對(duì)話框的C框中，并按“確定”按鈕保存。

1.5 對(duì)Z軸的加工原點(diǎn)

操作人員要知道編程人員把Z坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置到了工件上的哪個(gè)位置，這里的對(duì)刀點(diǎn)就對(duì)到哪個(gè)位置。將B軸轉(zhuǎn)到零位（即主軸垂直于工作臺(tái)），讓刀尖接觸工件上的基準(zhǔn)點(diǎn)，將這點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值輸入到 G55對(duì)話框的Z框中，并按“確定”按鈕保存。

1.6 找出旋轉(zhuǎn)臺(tái)的中心和工件中心的偏差

按照三軸操作去找工件的原點(diǎn)，把工件原點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)值分別輸入到G54對(duì)話框的X、Y框中，并按“確定”按鈕保存。比較G54和G55坐標(biāo)參數(shù)中X、Y軸的數(shù)值，按照如下公式計(jì)算：

？駐X=XG55-XG54

？駐Y=YG55-YG54

將計(jì)算出的數(shù)值保存，作為后續(xù)編程使用數(shù)據(jù)。

1.7 測(cè)定擺長(zhǎng)

如圖5所示：使用標(biāo)準(zhǔn)量塊，置于工作臺(tái)面，在B軸零度（主軸垂直于工作臺(tái)面）時(shí)，把刀尖移動(dòng)到墊塊的上表面，再把刀具抬高一個(gè)刀具半徑，記錄下此時(shí)機(jī)床坐標(biāo)Z坐標(biāo)值，設(shè)為P1，讓B軸擺動(dòng)到“90度”或“-90度”，再讓刀具移動(dòng)到墊塊上表面，記下此時(shí)機(jī)床坐標(biāo)的數(shù)值，為P2，|P1|-|P2|=P（擺長(zhǎng)）。

圖5測(cè)量擺長(zhǎng)

把“-P”輸入到機(jī)床坐標(biāo)系設(shè)定對(duì)話框的Z框中，并保存（加工程序中要用到G指令來調(diào)用這個(gè)擺長(zhǎng)值）。

1.8 將系統(tǒng)中刀長(zhǎng)補(bǔ)正值清零

在F1自動(dòng)方式下按“5刀具”，彈出如圖6所示的刀具定義對(duì)話框，在刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償中填入“0”，點(diǎn)“更改”。

圖6 刀具定義對(duì)話框

以上為第一把刀具對(duì)刀的全過程，我們稱為基準(zhǔn)刀具對(duì)刀（或稱初始刀具）；當(dāng)主軸上刀具更換之后，所使用的刀具就不是基準(zhǔn)刀具了，稱為當(dāng)前刀具。當(dāng)前刀具也需要建立工件坐標(biāo)系，但只需要測(cè)量其與初始刀具的長(zhǎng)度差值，將這個(gè)差值輸入到如圖7的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償中，點(diǎn)“更改”保存即可。當(dāng)前刀具長(zhǎng)于初始刀具的補(bǔ)償值為正值；反之，補(bǔ)償值為負(fù)值。

2 多軸編程規(guī)則及程序格式

五軸加工就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機(jī)床原始坐標(biāo)系構(gòu)成空間某個(gè)角度，利用銑刀的側(cè)刃或底刃切削來完成加工。五軸加工的關(guān)鍵是如何合理控制刀軸矢量（刀具軸的軸線矢量）的變化。加工不同的曲面，為了實(shí)現(xiàn)加工需要，刀軸矢量的改變方式是不同的；刀軸矢量的變化是通過工作臺(tái)擺動(dòng)或主軸的擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，不同結(jié)構(gòu)類型的五軸機(jī)床其運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系是不同的。合理的控制刀軸矢量既要滿足曲面加工的需要，又要使刀軸矢量變化范圍在所使用的機(jī)床可實(shí)現(xiàn)的范圍內(nèi)。因此，五軸機(jī)床編程的基礎(chǔ)是理解刀軸矢量的變化會(huì)在實(shí)際機(jī)床加工中產(chǎn)生何種效果。

多軸機(jī)床主要依靠計(jì)算機(jī)及軟件完成自動(dòng)編程，所用到的編程代碼比較單一。

隨著科技的發(fā)展，多軸機(jī)床的普及程度會(huì)越來越高，那么對(duì)于編程及操作人員的要求也就越來越嚴(yán)格，只有掌握機(jī)床結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)形式及編程規(guī)則，才能夠熟練操作多軸機(jī)床進(jìn)行加工。

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