四軸臥式加工中心工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系的自動(dòng)轉(zhuǎn)換

張新民

上海電氣凱士比核電泵閥有限公司 上海 201306

1 序言

四軸臥式加工中心的應(yīng)用已越來(lái)越普遍，但仍需要不斷鉆研和發(fā)掘設(shè)備的性能和功能，才能將其優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致，從而更高效地加工出更高質(zhì)量的產(chǎn)品零件。本文以工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為例，介紹利用宏程序完成帶B軸臥式加工中心的工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系自動(dòng)轉(zhuǎn)換的方法。

2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換存在的問題

一個(gè)工件有多個(gè)面需要加工時(shí)，使用帶B軸的四軸臥式加工中心比較方便，只需一次裝夾，就可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)面的加工。在實(shí)際工作中，由于工件中心一般不是剛好放在工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心，而且工件形狀各異，所以通常加工每個(gè)面時(shí)都要重新測(cè)量并設(shè)定工件坐標(biāo)系，效率低而且有測(cè)量誤差，一些形狀復(fù)雜的斜面或圖樣上的虛構(gòu)面甚至根本無(wú)法測(cè)量。

仔細(xì)思考這個(gè)問題不難發(fā)現(xiàn)，根據(jù)零件形狀要求，構(gòu)建不同坐標(biāo)系，再利用幾何模型和圖樣尺寸列出各坐標(biāo)系之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，即可解決以上問題?？紤]到工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后Y坐標(biāo)無(wú)變化，因此下面只分析計(jì)算X軸和Z軸的坐標(biāo)變化與轉(zhuǎn)換。

3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過(guò)程

3.1 測(cè)量工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心X、Z軸機(jī)械坐標(biāo)

測(cè)量所需工具為主軸標(biāo)準(zhǔn)檢棒和帶磁吸表座的杠桿式千分表。

（1）測(cè)量Xc測(cè)量過(guò)程如圖1所示。

圖1 工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心X軸機(jī)械坐標(biāo)測(cè)量

1）將工作臺(tái)（B軸）定位在0°位置，標(biāo)準(zhǔn)檢棒裝在主軸上，表座吸在工作臺(tái)上并使千分表表針壓在檢棒側(cè)母線上（見圖1a）。手動(dòng)移動(dòng)Y軸尋找檢棒側(cè)母線最高點(diǎn)，千分表指針讀數(shù)置0，記下此處X軸機(jī)械坐標(biāo)Xm1。

2）將檢棒向上移至安全位置，將工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)至180°位置。以同樣方式，在另一側(cè)尋找檢棒側(cè)母線最高點(diǎn)（見圖1b），并移動(dòng)X軸使千分表讀數(shù)在上次置0的位置，記下此處X軸機(jī)械坐標(biāo)Xm2，則工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心X軸機(jī)械坐標(biāo)為Xc＝（Xm1＋Xm2)/2。

驗(yàn)證：將主軸固定在Xc位置，再用上述方法，只移動(dòng)Y軸和Z軸，如果在0°和180°位置千分表的讀數(shù)完全相同，說(shuō)明Xc正確，否則需重新測(cè)量。

（2）測(cè)量Zc測(cè)量過(guò)程如圖2所示。

1）將工作臺(tái)（B軸）定位在0°位置，主軸移至Xc位置，標(biāo)準(zhǔn)檢棒裝在主軸上，表座吸在工作臺(tái)上并使千分表表針壓在檢棒側(cè)母線上（見圖2a），手動(dòng)移動(dòng)Y軸尋找檢棒側(cè)母線最高點(diǎn)，將千分表指針讀數(shù)置0。

2）X軸固定不動(dòng)，工作臺(tái)轉(zhuǎn)至90°位置（見圖2b），移動(dòng)機(jī)床Z軸使千分表接觸檢棒端面至千分表讀數(shù)為前面置0位置，記下Z軸的機(jī)械坐標(biāo)Zm1，主軸標(biāo)準(zhǔn)檢棒長(zhǎng)度為L(zhǎng)，直徑為D，則工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心Z軸機(jī)械坐標(biāo)為Zc＝Zm1＋D/2－L。

圖2 工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心Z軸機(jī)械坐標(biāo)測(cè)量

3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換幾何模型與計(jì)算

工件初始位置為工作臺(tái)0°位置，O點(diǎn)為工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心，其機(jī)械坐標(biāo)為（Xc，Zc）。先設(shè)置A點(diǎn)為工作坐標(biāo)系G54零點(diǎn)，進(jìn)行工件第1面的加工。然后需要將工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)α角度，進(jìn)行斜面的加工，此時(shí)設(shè)置B′點(diǎn)為第2個(gè)工作坐標(biāo)系G55零點(diǎn)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換幾何模型如圖3所示，圖中已知參數(shù)見表1。同時(shí)，為便于后面在機(jī)床上用宏程序自動(dòng)計(jì)算，在此給每個(gè)參數(shù)指定一個(gè)宏變量。旋轉(zhuǎn)后新的坐標(biāo)零點(diǎn)B′點(diǎn)的機(jī)械坐標(biāo)（X0′，Z0′）計(jì)算過(guò)程見表2。

圖3 工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換幾何模型

表1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前的參數(shù)

表2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算過(guò)程

其中OB線與Z軸的夾角β1可根據(jù)B點(diǎn)相對(duì)O點(diǎn)的（X1，Z1）坐標(biāo)位置計(jì)算，西門子數(shù)控系統(tǒng)中可通過(guò)“ATAN2(X1，Z1) ”函數(shù)直接得到（數(shù)學(xué)計(jì)算則需要根據(jù)B點(diǎn)所處象限分別列出計(jì)算，相對(duì)較復(fù)雜，在此省略）。B′點(diǎn)相對(duì)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心O的坐標(biāo)（X1′，Z1′）可根據(jù)下式計(jì)算。

X1′＝LOBsin(β1′)＝LOBsin(α+β1)

Z1′＝LOBcos(β1′)＝LOBcos(α+β1)

3.3 在四軸臥式加工中心上實(shí)現(xiàn)

有了以上的計(jì)算模型，在機(jī)床上用宏程序就比較容易計(jì)算出工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后新零點(diǎn)的機(jī)械坐標(biāo)。以西門子840D sl系統(tǒng)為例，使用上述宏變量，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算的宏程序如下。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)檢棒和帶磁吸的千分表可測(cè)量帶B軸臥式加工中心的工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)，用于工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算。

2）根據(jù)零件圖樣尺寸及放置位置，建立幾何模型并進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，可計(jì)算出工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后新的坐標(biāo)零點(diǎn)的機(jī)械坐標(biāo)。

3）此方案也可推廣應(yīng)用于FANUC、HAAS及其他數(shù)控系統(tǒng)的帶B軸四軸臥式加工中心，應(yīng)用于實(shí)際數(shù)控加工中可大幅提高多面加工的工作效率和位置精度，特別是對(duì)于形狀復(fù)雜、實(shí)際難以直接測(cè)量的零件，效果更加明顯。