韓亞洲

（中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司制造工程部，黑龍江哈爾濱 150066）

隨著制造水平的日益提高，高端精密數(shù)控設(shè)備——五軸加工中心數(shù)量日益增多。五軸加工中心能夠進(jìn)行整體葉輪、葉片等工件復(fù)雜型面的一次裝夾加工。不同于普通三、四軸加工中心的是，五軸加工中心具有極其復(fù)雜的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換功能，需要通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)中特定的轉(zhuǎn)換軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

五軸轉(zhuǎn)換加工軟件的設(shè)計(jì)是源于復(fù)雜型面的加工需求，在硬件方面，五軸轉(zhuǎn)換要求加工中心至少具有3個(gè)直線軸如X、Y、Z;2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，如A、B或C等。所謂五軸轉(zhuǎn)換就是使一個(gè)軸對(duì)稱刀具被定向在工件坐標(biāo)系中任意期望的角向位置，這需要有一定的數(shù)學(xué)矩陣轉(zhuǎn)換理論作為支持;從走刀路徑和速度方面來(lái)講五軸機(jī)床與三軸機(jī)床沒(méi)有不同，不同之處在于其刀具的方向需要在另外的附加運(yùn)動(dòng)模塊中進(jìn)行計(jì)算，與平移運(yùn)動(dòng)的計(jì)算結(jié)果合成最后的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)。

不同運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)床需要進(jìn)行不同的坐標(biāo)變換，其相關(guān)參數(shù)和配置也有所不同。在程序編制過(guò)程中，可以用TRAORI（n）指令來(lái)啟動(dòng)五軸聯(lián)動(dòng)原點(diǎn)跟隨功能、用CYCLE800固定循環(huán)進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。當(dāng)然這樣的運(yùn)動(dòng)變換需要機(jī)床運(yùn)動(dòng)信息配置的支持;換句話說(shuō)，就是在機(jī)床參數(shù)中或者在運(yùn)動(dòng)信息表格中對(duì)一些運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換所需的必要幾何參數(shù)進(jìn)行配置。

不同的數(shù)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)理念上會(huì)有不同，對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)的控制也有所差異。下面以SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)為例，對(duì)五軸轉(zhuǎn)換的內(nèi)容從維修調(diào)試的角度逐步進(jìn)行深入分析。

1 五軸坐標(biāo)變換基本原理介紹

1.1 機(jī)床的三種基本幾何結(jié)構(gòu)形式

圖1清晰地展示了數(shù)控機(jī)床的三種基本幾何結(jié)構(gòu)形式，具體如下:

（1）第一種機(jī)床形式如圖1a所示。

兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸均在刀具側(cè)，使得刀具可以在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度范圍內(nèi)進(jìn)行角度的確定，俗稱刀具定向。而工作臺(tái)至多只能進(jìn)行三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，不能參與旋轉(zhuǎn)。

（2）第二種機(jī)床形式如圖1b所示。

兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸均在工作臺(tái)側(cè)，使得工件可以在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度范圍內(nèi)進(jìn)行角度的確定，也就是工件的定向。而刀具至多則只能進(jìn)行三個(gè)方向自由度的直線運(yùn)動(dòng)。

（3）第三種機(jī)床形式如圖1c所示。

一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在刀具側(cè)，另一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在工件側(cè)。刀具只能進(jìn)行一個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同樣工件也只能進(jìn)行一個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。刀具和工件加在一起可進(jìn)行至多三個(gè)自由度的直線運(yùn)動(dòng)。

1.2 旋轉(zhuǎn)軸符號(hào)的定義

在五軸加工中心上我們可以看到兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的名稱并不相同。有的是A和B，有的是C和A，為什么呢?五軸加工中心旋轉(zhuǎn)軸符號(hào)的定義具體如下:A軸旋轉(zhuǎn)中心線平行于直線軸X;B軸旋轉(zhuǎn)中心線平行于直線軸Y;C軸旋轉(zhuǎn)中心線平行于直線軸Z。

1.3 五軸加工中心旋轉(zhuǎn)軸順序號(hào)的定義

對(duì)于第一、二種形式的機(jī)床，其運(yùn)動(dòng)能夠改變另一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸位置的旋轉(zhuǎn)軸作為五軸轉(zhuǎn)換的第4軸;而將其運(yùn)動(dòng)不能改變另一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸位置的旋轉(zhuǎn)軸作為五軸轉(zhuǎn)換中的第5軸。同時(shí)前者稱為第1旋轉(zhuǎn)軸，而后者稱為第2旋轉(zhuǎn)軸。

對(duì)于第三種形式的機(jī)床，則將能夠擺動(dòng)刀具的旋轉(zhuǎn)軸稱為第1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，也成為五軸轉(zhuǎn)換的第4軸;將能夠轉(zhuǎn)動(dòng)工件的第2旋轉(zhuǎn)軸作為五軸轉(zhuǎn)換的第5軸。

1.4 機(jī)床的配置信息

為了確保五軸轉(zhuǎn)換能夠正確地將程序中設(shè)定的值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的軸運(yùn)動(dòng)，一定的配置信息需要在機(jī)床參數(shù)中進(jìn)行定義。配置信息包括:①機(jī)床的幾何形式;②軸的分配;③幾何信息。

1.4.1 機(jī)床的幾何形式

上面所提到的機(jī)床3種幾何形式在機(jī)床參數(shù)24100$MC_TRAFO_TYPE_1到24460$MC_TRAFO_TYPE_8中進(jìn)行設(shè)置，表1中給出了適合五軸轉(zhuǎn)換的機(jī)床形式列表。標(biāo)記×的內(nèi)容代表此種形式?jīng)]有意義，因?yàn)镃軸旋轉(zhuǎn)方向與主軸刀具旋轉(zhuǎn)方向相同。表1中軸的順序按照以下原則定義:

五軸機(jī)床的幾何形式定義中，不只有五軸的轉(zhuǎn)換形式定義，三/四軸的幾何形式轉(zhuǎn)換也會(huì)出現(xiàn)，其他的特殊幾何形式如柱面等幾何形式也會(huì)出現(xiàn)。這些形式都是五軸轉(zhuǎn)換的特殊形式。例如參數(shù)24100值設(shè)定為512，參數(shù)24200中值則設(shè)定為513，24300中則設(shè)定為56，24400中設(shè)定為256;可見(jiàn)五軸加工中心的幾何類型可以很多，每一種類型對(duì)應(yīng)一種特定的幾何轉(zhuǎn)換。變換由指令TRAORI（n）來(lái)觸發(fā)，其中n代表第n種轉(zhuǎn)換形式。

表1 五軸轉(zhuǎn)換機(jī)床形式對(duì)應(yīng)信息

（1）五軸轉(zhuǎn)換與參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表2中列出了n與參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 n與參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

（2）三、四軸的幾何轉(zhuǎn)換。表3中列出了常見(jiàn)的幾種三、四軸轉(zhuǎn)換的形式對(duì)應(yīng)信息。

表3 三、四軸轉(zhuǎn)換機(jī)床形式對(duì)應(yīng)信息

（3）特殊的幾何形式。表4所示為常見(jiàn)的兩種特殊轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)信息。

Transmit功能表示在旋轉(zhuǎn)工件的端面上進(jìn)行孔加工和輪廓加工，如圖2所示。這種轉(zhuǎn)換包含一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸、一個(gè)與旋轉(zhuǎn)軸軸線垂直的進(jìn)給軸以及一個(gè)平行于旋轉(zhuǎn)軸軸線的縱軸，同時(shí)進(jìn)給軸和縱軸也是互相垂直的。

表4 特殊轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)信息

Tracyl功能，可以進(jìn)行柱面物體的縱向、橫向和任意形式的溝槽加工，如圖3所示?；诩庸さ囊?，機(jī)床一般有兩種配置，X－C－Z（TRAFO_TYPE_n=512）和X－Y－Z－C（TRAFO_TYPE_n=513）。X－C－Z形式有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸C，一個(gè)與旋轉(zhuǎn)軸軸線垂直的進(jìn)給軸X，一個(gè)平行于旋轉(zhuǎn)軸軸線的縱軸Z，X和Z相互垂直。而513形式比512形式多了一個(gè)Y軸，加工的溝槽可以更復(fù)雜。

1.4.2 軸的分配

五軸轉(zhuǎn)換的軸分配定義了五軸轉(zhuǎn)換中各個(gè)軸與通道軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該種關(guān)系在參數(shù) $MC_TRAFO_AXES_IN_1… $MC_TRAFO_AXES_IN_8中定義。一般來(lái)講，該參數(shù)是轉(zhuǎn)換軸與通道軸的順序?qū)?yīng)。例如

但事實(shí)上由于機(jī)床的結(jié)構(gòu)不同，有很多情況下不是順序?qū)?yīng)的，例如當(dāng)工作臺(tái)具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸A、B，同時(shí)B軸的運(yùn)動(dòng)可帶動(dòng)A軸運(yùn)動(dòng)，而A軸旋轉(zhuǎn)對(duì)B軸沒(méi)有影響，則定義B軸為五軸轉(zhuǎn)換的第4軸，A軸為第5軸。從24110參數(shù)中可以看出，

1.4.3 幾何信息

機(jī)床各軸之間幾何關(guān)系信息的確定十分必要，因?yàn)橥ㄟ^(guò)幾何關(guān)系的確定可以準(zhǔn)確地計(jì)算出五軸轉(zhuǎn)換時(shí)軸的坐標(biāo)值。這個(gè)信息存儲(chǔ)在以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)中:

（1）$MC_TRAFO5_PART_OFFSET_1（工件方向偏移量）

機(jī)床形式1（兩擺頭旋轉(zhuǎn)軸）:從機(jī)床原點(diǎn)到工作臺(tái)零點(diǎn)的向量。

機(jī)床形式2（兩工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸）:從第5軸的連接點(diǎn)到工作臺(tái)零點(diǎn)的向量。

機(jī)床形式3（一個(gè)擺頭旋轉(zhuǎn)軸，一個(gè)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸）:從旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的連接點(diǎn)到工作臺(tái)零點(diǎn)的向量。

（2）MD:$MC_TRAFO5_JOINT_OFFSET_1

機(jī)床形式1和2:從第1個(gè)節(jié)點(diǎn)到第2個(gè)節(jié)點(diǎn)的向量。

機(jī)床形式3:從機(jī)床零點(diǎn)到工作臺(tái)連接點(diǎn)的向量。

（3）MD:$MC_TRAFO5_BASE_TOOL_1

機(jī)床形式1:從主軸端面到第2旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心的向量。

機(jī)床形式2:從機(jī)床零點(diǎn)到第1旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心的向量。

機(jī)床形式3:從主軸端面到第1旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心的向量。

圖4所示為第2種機(jī)床形式的各向量的關(guān)系圖，圖5所示為第3種機(jī)床形式的各向量關(guān)系圖。其中p0、t0、j0等向量的意義如下:

2 五軸轉(zhuǎn)換高級(jí)形式

工作臺(tái)或刀具可旋轉(zhuǎn)的機(jī)床形式既可以被看成真正的五軸機(jī)床，也可作為常規(guī)的可定向刀具機(jī)床形式。兩種情況下機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)是一樣的;而之前兩種情況形式不同，不得不進(jìn)行不同形式的輸入。定向刀具系統(tǒng)需要通過(guò)系統(tǒng)變量輸入，五軸轉(zhuǎn)換通過(guò)機(jī)床數(shù)據(jù)配置。當(dāng)SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)的軟件版本高于SW6.4時(shí)，不再需要對(duì)不同的機(jī)床形式進(jìn)行不同的機(jī)床參數(shù)設(shè)定。無(wú)論是擺頭形式還是旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)形式，都可以通過(guò)統(tǒng)一的變量調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)，在程序中加入相關(guān)變量的定義。

表5 五軸轉(zhuǎn)換參數(shù)與變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

例如:定義刀具T1

五軸轉(zhuǎn)換參數(shù)與變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5所示。

參數(shù)MD 24100:TRAFO_TYPE_1或MD 24200:TRAFO_TYPE_2可以被用來(lái)定義一個(gè)轉(zhuǎn)換形式為72（表6）的五軸轉(zhuǎn)換，運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)可以從定向刀具的數(shù)據(jù)變量中讀出，也可以通過(guò)swivel cycle數(shù)據(jù)表中的相應(yīng)設(shè)定參數(shù)獲得。數(shù)據(jù)表的號(hào)碼分別由機(jī)床參數(shù)MD24582和MD24682給出。

MD 24582:TRAFO5_TCARR_NO_1，對(duì)應(yīng)第一轉(zhuǎn)換。

MD 24682:TRAFO5_TCARR_NO_2，對(duì)應(yīng)第二轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換形式可以通過(guò)參數(shù)$TC_CARR23得到。轉(zhuǎn)換只有當(dāng)相關(guān)定向刀具定義好了，同時(shí)$TC_CARR23中包含一個(gè)有效的輸入數(shù)據(jù)才能生效，例如T、P、M（大小寫(xiě)均可）。

表6 機(jī)床形式對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換形式

一些比較有意義的定向刀具的轉(zhuǎn)換參數(shù)值在程序中可以通過(guò)NEWCONFIG來(lái)激活。

［1］SINUMERIK 840D/840Di/810D special functions（SINUMERI 840D/840Di/810D特殊功能手冊(cè)）［Z］.

［2］Programming guide advanced 840D/840Di/810D（SIEMENS840D/840Di/810D高級(jí)編程手冊(cè)）［Z］.