撰文/蘇州萬谷科技有限公司 劉永剛

四軸加工中心旋轉(zhuǎn)工作臺任意點位的坐標(biāo)系跟蹤

撰文/蘇州萬谷科技有限公司 劉永剛

一、引言

在帶旋轉(zhuǎn)工作臺的四軸加工中心上，已知工件上任意一點的坐標(biāo)及該點法向與機床Z軸的夾角，利用宏程序可以很快地求出工件旋轉(zhuǎn)任意角度某點的新坐標(biāo)，使刀具能快速準(zhǔn)確地定位于工作臺旋轉(zhuǎn)后的新點位，從而實現(xiàn)任意點位的坐標(biāo)跟蹤功能，在該點的法向平面內(nèi)編程，很容易實現(xiàn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)。在進行復(fù)雜工件的多面加工時，可以極大地減輕工人的找正強度，同時又大大簡化編程，效率得到大幅提升，具有較強的實際意義。

二、四軸加工中心及裝夾特點

四軸加工中心，除X、Y、Z三軸外，一般有一旋轉(zhuǎn)工作臺，立式加工中心為繞X或Y旋轉(zhuǎn)的A或B軸。臥式加工中心為繞Y軸旋轉(zhuǎn)的B軸。無論是立加還是臥加，在加工時，工件裝在旋轉(zhuǎn)工作臺上，操作者都需要先找正工件，然后將找正數(shù)值輸入到數(shù)控系統(tǒng)的坐標(biāo)偏置寄存器中，這樣就確定了一個工件坐標(biāo)系。然而，不同的零件其形狀、加工部位和裝夾姿態(tài)不同，所對應(yīng)的找正基準(zhǔn)也就不同，所設(shè)定的坐標(biāo)系也是不同的，即工件坐標(biāo)系是隨不同的零件而隨機設(shè)定的。但是有一部份工件，其加工部位與找正基準(zhǔn)所確定的坐標(biāo)系對應(yīng)著一定的角度關(guān)系，該角度可能是一個變量，且在圖紙上所標(biāo)的基準(zhǔn)往往是找正基準(zhǔn)。操作者在加工此類工件時如果沒有夾具定位，不同的工件需要找正坐標(biāo)系，每次裝夾都要進行細心繁瑣的計算，以求出所加工點位坐標(biāo)與工作臺旋轉(zhuǎn)中心的偏移量，或者通過先旋轉(zhuǎn)工件，再找正加工點位面的方法。這樣不僅效率低下，易出錯，而且大量占用了機床的調(diào)試時間，增加了操作者的工作強度。

如何能讓操作者按圖紙找正工件的基準(zhǔn)，不用考慮工件旋轉(zhuǎn)的點位變換，就可以在找正的基準(zhǔn)下的坐標(biāo)系內(nèi)直接編程，快速地進行加工呢？利用宏程序來進行坐標(biāo)變換，計算出工作臺旋轉(zhuǎn)任一角度后的點位的新坐標(biāo)，從而使刀具快速定位于工件上的這一坐標(biāo)點，可以輕而易舉地實現(xiàn)這一點。

三、相關(guān)坐標(biāo)系及點位轉(zhuǎn)換

圖1

如圖1所示加工工件時加工中心的相關(guān)坐標(biāo)系。機床坐標(biāo)系是機床廠家設(shè)置在機床上的一個物理原點，一經(jīng)回參考點，機床坐標(biāo)系就建立起來了，它的原點即為機床的絕對原點。工件坐標(biāo)系是以工件上的某一點為原點的坐標(biāo)系，操作者找正工件后將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到數(shù)控機床坐標(biāo)偏置內(nèi)的值即為工件坐標(biāo)系的原點，它在機床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置如圖所示為A1、B1、C1值。四軸旋轉(zhuǎn)工作臺的旋轉(zhuǎn)中心（P旋轉(zhuǎn)）是在機床中的一個固定點，它在機床坐標(biāo)中的位置也是固定的，其（P旋轉(zhuǎn)）在機床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置為A、B、C值。故可以求得工件坐標(biāo)系與四軸旋轉(zhuǎn)中心（P旋轉(zhuǎn)）的相對關(guān)系為：

a=A-A1

b=B-B1

c=C-C1

如圖2所示，工件上任一點V1點繞旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)中心(P旋轉(zhuǎn)）旋轉(zhuǎn)任一角至V2點，V2點的新坐標(biāo)可以分以下三步完成：①將V1點平移至V1’點，用圖形變換原理可以理解為將工件坐標(biāo)系的原點平移至四軸旋轉(zhuǎn)中心。②V1’點繞X軸作d1角度的旋轉(zhuǎn)，可以理解為V1’繞四軸旋轉(zhuǎn)中心（P旋轉(zhuǎn)）作旋轉(zhuǎn)。③將V2’點移回V2點，可以理解為將工件坐標(biāo)原點從四軸旋轉(zhuǎn)中心移回。這樣只要通過數(shù)控系統(tǒng)的宏程序功能，運用正余弦運算就比較容易編制出四軸加工中心旋轉(zhuǎn)工作臺任意一點跟隨坐標(biāo)系的宏程序。

圖2

四、轉(zhuǎn)換坐標(biāo)點的宏程序

為了操作簡便，操作者可以利用數(shù)控機床的坐標(biāo)寄存器將事先找正的四軸旋轉(zhuǎn)工作臺的（P旋轉(zhuǎn)）坐標(biāo)值輸入到G59坐標(biāo)系，將裝夾好的工件基準(zhǔn)面找正設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度基準(zhǔn)A0值并輸入到G54坐標(biāo)系的A坐標(biāo)中，將要加工的點位坐標(biāo)輸入到G58坐標(biāo)系中。運用G58坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值減去G59坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，即得到如圖1中所示的A、B、C值，可以理解為已將工件坐標(biāo)系原點平移至四軸旋轉(zhuǎn)中心；這時可以旋轉(zhuǎn)工作臺至如圖2所示的d1角度；再通過三角函數(shù)計算出旋轉(zhuǎn)角度后的直線位移，并疊加到原G59坐標(biāo)系中，如圖2所示可以理解為將工件標(biāo)系原點從四軸旋轉(zhuǎn)中心移回新位移的V2點。最后調(diào)用系統(tǒng)參數(shù)將經(jīng)過宏程序計算過的G59疊加后坐標(biāo)值重新賦值給G54坐標(biāo)中。將該宏程序命名為09011，同時將系統(tǒng)N0.6051號參數(shù)寫入123，再以后的加工中則可以直接編寫G123調(diào)用09011宏程序，從而實現(xiàn)任意點位的坐標(biāo)跟蹤。

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09011

#999=#1(將旋轉(zhuǎn)角度值A(chǔ)賦值給宏參數(shù)#999)

#952=#5302-#5322(將G58坐標(biāo)系Y值減去G59坐標(biāo)系Y值)

#953=#5303-#5323(將G58坐標(biāo)系Z值減去G59坐標(biāo)系Z值)

#955=SQRT[[#951*#951]+[#952*#952]](求出工件坐標(biāo)原點與旋轉(zhuǎn)中心的距離值R)

#956=ASIN[#952/#955](求出工件坐標(biāo)原點在以旋轉(zhuǎn)中心為原點的坐標(biāo)系中的夾角α)

IF[#952GE0]G0T09002(判斷角度旋轉(zhuǎn)方向是否與規(guī)定旋轉(zhuǎn)軸正方向一致)

N9001#956=180.-#956(如果不一致取其補角)

2#961=#955*C0S[#956-#999](將工件坐標(biāo)系原點在以旋轉(zhuǎn)中心為原點的坐標(biāo)系中向Y方向的投影矢量賦值給宏參數(shù)#961)

#962=#955*SIN[#956-#999](將工件坐標(biāo)系原點在以旋轉(zhuǎn)中心為原點的坐標(biāo)系中向Z方向的投影矢量賦值給宏參數(shù)#962)

G10G90L2P1X[#5321]Y[#961+#5322] Z[#962+#5323]（求出旋轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)系G59的Y和Z方向值與工件坐標(biāo)原點在以旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點的坐標(biāo)系中各方向投影矢量和，并將之賦值給G54坐標(biāo)系）

M99

%

五、實際加工應(yīng)用

如圖3所示零件，在四軸加工中心上需要完成打沉孔，鉆深孔等工序，利用各孔位與A0基準(zhǔn)面的角度關(guān)系和尺寸關(guān)系，通過點位坐標(biāo)系跟蹤的宏程序，只要一次找正A面，即可準(zhǔn)確地定位其它各點的坐標(biāo)與刀具的相對位置，在實際生產(chǎn)中獲得了較高的尺寸精度和生產(chǎn)效率。其加工程式在四坐標(biāo)加工中心2033VMC上經(jīng)過加工驗證，程序如下。

%

00011

G91 G28 Z0；

圖3

六、結(jié)語

在實際生產(chǎn)中，通過宏程序?qū)崿F(xiàn)在數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)工作臺上任意點位的坐標(biāo)跟蹤具有較強的實際意義，體現(xiàn)出以下優(yōu)勢。

（1）簡化計算，簡化編程。

避免了在計算機輔助設(shè)計軟件中旋轉(zhuǎn)CAD模型，以求得各點位的坐標(biāo)，也省去了使用計算機輔助制造軟件編制CAM刀具路徑，只需要手工編程的方式就可達到目的，節(jié)省了投入和時間，大幅提高編程效率。

（2）提高找正效率，降低工人勞動強度。

一次裝夾只需一次找正一個基準(zhǔn)面，再根據(jù)圖紙尺寸關(guān)系和角度關(guān)系，即可準(zhǔn)確定位刀具在其它點位的坐標(biāo)，避免了因不同加工面而采用不同的找正基準(zhǔn)的方式來加工，極大地減輕人工勞動強度，同時大大減少了停機設(shè)定調(diào)試的時間。

（3）擴展數(shù)控系統(tǒng)功能，提升四軸機床的應(yīng)用水平。

使用宏程序變換坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，并通過修改系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)定為用戶可以使用的G代碼，在編制程序時簡單快捷，在查閱程序時一目了然，豐富了用戶功能代碼，擴展了系統(tǒng)功能。

通過利用宏程序較強的數(shù)學(xué)與邏輯運算能力，針對某一類相似零件編制出具有“柔性”的加工程序，準(zhǔn)、快、好地完成加工生產(chǎn)，進而提升數(shù)控機床的應(yīng)用水平，希望本文在此起到一個拋磚引玉的作用。