鄭有良，黃寧健

（廣西制造工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530105）

0 引言

在多軸加工和五軸加工過程中，設(shè)置工件坐標(biāo)系原點(diǎn)和刀具長度是很重要的一步。如果工件坐標(biāo)系原點(diǎn)和刀具長度設(shè)置錯(cuò)誤，會引起撞刀事故，損壞設(shè)備，后果不堪設(shè)想。所以正確設(shè)置工件坐標(biāo)系原點(diǎn)和刀長是保證安全生產(chǎn)的第一步。對于這個(gè)問題，當(dāng)前教科書和文獻(xiàn)資料相關(guān)論述較為缺乏，特別是很多三軸數(shù)控機(jī)床“對刀”的文獻(xiàn)中工件坐標(biāo)系G54 存儲器里Z向的值跟刀長數(shù)據(jù)混在一起，沒有嚴(yán)格區(qū)分開，以三軸數(shù)控銑床的思維去使用五軸聯(lián)動機(jī)床是不可取的[1，2]。因此下面展開詳細(xì)的研究和論述。

1 數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系

在數(shù)控機(jī)床實(shí)際操作使用中，要設(shè)置工件坐標(biāo)系和刀長數(shù)據(jù)，必須要先明白機(jī)床坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系的概念[3-5]。

機(jī)床坐標(biāo)是機(jī)床本身固有的，是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)唯一可以識別的坐標(biāo)，而工件坐標(biāo)是人為的，數(shù)控機(jī)床本身并不能識別工件坐標(biāo)。

2 在數(shù)控機(jī)床設(shè)定工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的原理

在數(shù)控機(jī)床設(shè)定工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的原理實(shí)質(zhì)就是找出工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的值，并存儲在G54 或G56、G57、G58、G59 等指令的存儲器里。其找出的過程源于很多人拿銑刀作為工具來找，所以這個(gè)過程就被稱為“對刀”。

比如，在圖1 中，A點(diǎn)為數(shù)控銑床或加工中心的機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)，B點(diǎn)為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)。對于點(diǎn)B來說，它在機(jī)床坐標(biāo)系A(chǔ)中是有讀數(shù)值的。假設(shè)這個(gè)數(shù)值是（X-368.756 Y-367.543 Z-432.843）,把這組數(shù)值存儲在工件坐標(biāo)系指令G54 或G55、G56、G57、G58、G59 里的X、Y、Z的存儲器里，那么當(dāng)執(zhí)行這些指令時(shí)，機(jī)床就會調(diào)用指令X、Y、Z存儲器里的值，去識別工件坐標(biāo)。

圖1 揭示了工件坐標(biāo)系原點(diǎn)Z值、刀長與機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)三者的關(guān)系，下面詳細(xì)說明。

先要明確，在數(shù)控銑床和加工中心中，刀具長度是指從主軸端面到刀尖的距離，數(shù)值永遠(yuǎn)為正。圖1示意圖的刀具長度為125.524 。

如圖1 所示，已知機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)A在X、Y、Z三個(gè)直線軸的正方向極限位置上，工件坐標(biāo)系原點(diǎn)B在正方形工件的上表面中心位置，求刀長和工件坐標(biāo)系B在機(jī)床坐標(biāo)系A(chǔ)中的值。

圖1 機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)、工件坐標(biāo)系原點(diǎn)Z 值與刀長的關(guān)系

在該示意圖中，“125.524”為刀具長度，“-333.189”為刀具剛剛好切到工件上表面時(shí)機(jī)床坐標(biāo)系Z的讀數(shù)，在機(jī)床的顯示器上可以直接讀出，那么工件坐標(biāo)系B點(diǎn)的Z向值在機(jī)床坐標(biāo)系A(chǔ)的數(shù)值為：

“-458.713”存儲在G54 或G56、G57、G58、G59 里的Z 向存儲器內(nèi)。

“125.524”存儲在刀具長度補(bǔ)償寄存器中，用“G43 H_”調(diào)用。

很多使用三軸數(shù)控銑床的技術(shù)人員在對刀時(shí)，把“-333.189”當(dāng)做工件坐標(biāo)系原點(diǎn)Z值，輸入到G54 指令Z 存儲器里，并且在刀具長度補(bǔ)償器“H”地址里輸入“0”。

在三軸數(shù)控機(jī)床中，還有一種存儲方法，那就是在G54 指令的Z 里輸入“0”，刀具長度補(bǔ)償器“H”地址里輸入“-333.189”。

這兩種方法在調(diào)用“G43 H_”指令的運(yùn)算結(jié)果都不會影響刀尖的位置，刀尖在Z軸方向的位置都是正確定的。因?yàn)樵谌S數(shù)控銑床中，由于沒有A、B、C等旋轉(zhuǎn)軸，Z軸一直都是堅(jiān)直的狀態(tài)，這樣的存儲方法并不影響刀尖的位置，不會引起撞刀事故。然而在多軸加工機(jī)床和五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床中，Z值“-458.713”與刀長“125.524”要分開存儲，不能像三軸機(jī)床一樣混在一起輸入，否則在A、B、C等旋轉(zhuǎn)軸與Z軸聯(lián)動的時(shí)候會發(fā)生碰撞事故，也不能實(shí)現(xiàn)RTCP 刀尖跟隨功能。

3 在數(shù)控機(jī)床中測量工件坐標(biāo)系原點(diǎn)值和刀長的方法

為了安全起見，先測量刀長、工件坐標(biāo)系B在機(jī)床坐標(biāo)系A(chǔ)中的Z向值，最后再測量X和Y值。

3.1 測量刀長

測量刀長要測量兩個(gè)點(diǎn)，第一個(gè)點(diǎn)是主軸端面，第二個(gè)點(diǎn)是刀尖。測量刀長可以用百分表、Z軸設(shè)定器、機(jī)外刀具預(yù)調(diào)儀等?？梢詸C(jī)外測量，也可以機(jī)內(nèi)測量。機(jī)外測量不占用機(jī)床時(shí)間，可以提高生產(chǎn)率，但是要增加機(jī)外刀具預(yù)調(diào)儀的成本。機(jī)內(nèi)測量占用機(jī)床使用時(shí)間，生產(chǎn)率比機(jī)外測量低，但不用增加儀器。

3.1.1 壓主軸端面

如圖2 所示，用的是百分表機(jī)內(nèi)測量刀長的方法。百分表測頭輕壓主軸端面，讓指針慢慢旋轉(zhuǎn)小半圈，在“40”的位置停下來。此時(shí)，在機(jī)床操作面板上，找到“相對實(shí)際”的z坐標(biāo)，清零，結(jié)果如圖4 所示。為了安全，防止刀具干涉，在這一步操作前可以先把刀具卸了再測主軸端面。

圖2 用百分表量主軸端面

圖3 用百分表量刀尖

圖4 用百分表量主軸端面后，Z 軸相對坐標(biāo)清零

3.1.2 壓刀尖

測主軸端面清零記數(shù)后，加載刀具，如圖3 所示，用百分表量刀尖，找到刀尖的位置，讓指針慢慢旋轉(zhuǎn)小半圈，在“40”的位置停下來，此時(shí)，在機(jī)床操作面板上，找到“相對實(shí)際”的z坐標(biāo)，如圖5 所示，Z軸相對坐標(biāo)顯示的179.3999 就是該刀的長度值。

在量刀尖這一步的過程中，因?yàn)榘俜直淼臏y頭與刀尖是點(diǎn)對點(diǎn)接觸，測頭對準(zhǔn)刀尖的位置會有誤差。為了減少誤差，測主軸端面與測刀尖，可以使用Z軸設(shè)定器，Z軸設(shè)定器找位置是面對面接觸，可以很好減少誤差。用百分表和Z軸設(shè)定器的操作過程一樣，區(qū)別在于用Z軸設(shè)定器時(shí)壓表指針是壓到“0”。用Z軸設(shè)定器量得的刀長更準(zhǔn)確，但新手會不小心容易壓壞表。

其它刀的長度數(shù)據(jù)也可以用同樣的方法測量。

3.2 刀長數(shù)據(jù)存儲

刀長數(shù)據(jù)測得后，存儲在刀具長度補(bǔ)償Z存儲器里。在三軸數(shù)控銑床中，刀具長度補(bǔ)償Z存儲器里的值可以是負(fù)值，但是在五軸聯(lián)動機(jī)床中刀具長度補(bǔ)償Z存儲器里的值必須是正值，不得輸入負(fù)值，否則會出現(xiàn)嚴(yán)重事故。如圖5 所示，測量得的刀長數(shù)據(jù)179.3999 可以輸入到2 號長度補(bǔ)償寄存器里。在編程時(shí)可以用T 指令和G43 刀具長度補(bǔ)償指令調(diào)用該刀，如“T02 M06 ；G43H2G01Z50.0F500”，使用時(shí)要注意坐標(biāo)和代碼的正確性，避免出現(xiàn)撞刀事故。

圖5 用百分表量刀尖后，Z 軸相對坐標(biāo)顯示179.3999

3.3 測量工件坐標(biāo)系Z 向值

刀長數(shù)據(jù)測量好之后，就可以測量工件坐標(biāo)系B在機(jī)床坐標(biāo)系A(chǔ)中的Z向值了。如圖6 所示，主軸低速轉(zhuǎn)動，用手輪脈沖發(fā)生器慢慢的往下?lián)u動Z軸，讓刀尖剛剛好切到工件上表面就停止，此時(shí)機(jī)床顯示器上機(jī)床坐標(biāo)Z的讀數(shù)“-49.3801”就是需要記的數(shù)。

那么工件坐標(biāo)系B 點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系A(chǔ)的Z向數(shù)值為：-49.3801-179.3999＝-228.78。那么“-228.78”就可存儲在G54 或G56、G57、G58、G59 里的Z向存儲器內(nèi)。如圖7 所示，Z向值“-228.7800”存儲在G57 寄存器里。

圖7 Z 向值-228.7800 存儲在G57 寄存器里

這里需要注意的是“用手輪脈沖發(fā)生器慢慢往下?lián)u動Z軸，讓刀尖剛剛好切到工件上表面就停止”，這樣的操作會有較大誤差。要減小誤差，可以在工件上表面放Z軸設(shè)定器，這時(shí)主軸不能轉(zhuǎn)，讓刀尖慢慢往下壓Z軸設(shè)定器上表面，直到設(shè)定器指針指向“0”，那么這時(shí)刀尖至工件上表面的距離就是50 mm，假設(shè)Z軸設(shè)定器指針指向“0”時(shí)機(jī)床坐標(biāo)Z值為“-10.256”，那么工件坐標(biāo)系B點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系A(chǔ)的Z向數(shù)值為：-10.256-179.3999-50.00＝-239.6559 。所以，用Z軸設(shè)定器可以提高測量的精度。

在五軸聯(lián)動機(jī)床，刀具長度數(shù)據(jù)與工件坐標(biāo)系Z軸數(shù)據(jù)要清楚的區(qū)分開，各自單獨(dú)存放，千萬不能混在一起。

3.4 測量工件中心位置X、Y 值

刀具長度數(shù)據(jù)與工件坐標(biāo)系Z軸數(shù)據(jù)測量好之后，就可以測量工件中心位置的數(shù)據(jù)了。

如果工件坐標(biāo)系居中，常用雙邊分中法。分中的工具一般用偏心式機(jī)械尋邊器或者電子式尋邊器。分中可以用偏心式機(jī)械尋邊器人工分中,也可以用電子式尋邊器雷尼紹RENISHAW 自動分中，人工分中與自動分中原理相同。分中原理如圖8 與圖9 所示，X和Y向各碰兩個(gè)點(diǎn)，算出中間值。

圖8 正方形分中示意圖

圖9 圓形分中示意圖

對于五軸聯(lián)動加工中心，如果在調(diào)試機(jī)床時(shí)已經(jīng)找出了工作臺回轉(zhuǎn)中心的位置，也可以直接使用，不需再找。

得到了工件坐標(biāo)系零點(diǎn)的X、Y位置數(shù)據(jù)，就可以存儲到G54 或G56、G57、G58、G59 的X、Y存儲器里。在五軸聯(lián)動加工中心，各種刀長數(shù)據(jù)要存儲在刀具長度補(bǔ)償寄存器里，各種數(shù)據(jù)和編程代碼要配合使用，否則會出現(xiàn)嚴(yán)重的撞刀事故。

4 驗(yàn)證工件坐標(biāo)系原點(diǎn)值和刀長數(shù)據(jù)的方法

在MDI 操作方式下，單段運(yùn)行以下程序：

運(yùn)行以上程序應(yīng)該把快速進(jìn)給倍率調(diào)到較慢的狀態(tài)，操作者要隨時(shí)觀察刀尖的位置是否正確，要做好預(yù)判，出現(xiàn)問題要馬上暫停。該程序運(yùn)行的預(yù)期刀尖應(yīng)當(dāng)停在工件中心上表面50 mm 的位置，如果不是，就要檢查原因。

5 結(jié)語

在五軸聯(lián)動加工中心設(shè)定工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的原理實(shí)質(zhì)就是找出工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的值，并存儲在G54 或G56、G57、G58、G59 等指令的存儲器里。而刀具長度補(bǔ)償值不能與工件坐標(biāo)系Z值混在一起，刀具長度補(bǔ)償值與工件坐標(biāo)系Z值要分開存儲。用Z軸設(shè)定器測量會更加精準(zhǔn)。測量得的數(shù)據(jù)要經(jīng)過驗(yàn)證方能使用。文中介紹的方法在社會上主流的國內(nèi)外五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床上均驗(yàn)證無誤，具有通用性。驗(yàn)證過的五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床有德國德瑪吉機(jī)床（SIEMENS 數(shù)控系統(tǒng)）、瑞士米克朗GF 機(jī)床（HEIDENHAIN 數(shù)控系統(tǒng)）、武漢高科機(jī)床（華中數(shù)控系統(tǒng)）等。