五軸數控機床旋轉軸位置測定與加工設置

廣東省工商高級技工學校 （樂昌 512200） 郎永兵

五軸數控加工是在三個基本直線坐標軸（X、Y、Z）上增加了兩個旋轉軸（A、B、C軸的任意組合）的一種多軸數控加工方式。五軸機床的三個直線軸與兩個旋轉軸的聯動加工方式，被稱為五軸聯動加工；兩個旋轉軸進行旋轉定位，使刀具呈現一定的姿態角度不變，三個直線軸作聯動，這種加工方式被稱為五軸定向加工。

五軸加工數控機床根據旋轉部件的運動方式不同，可歸納為雙轉臺、雙擺頭和一轉臺一擺頭三種形式。雙轉臺五軸聯動機床的運動坐標包括三個直線坐標軸X、Y、Z和兩個旋轉坐標B（A）、C，其結構如圖1所示。該種結構是中、小型五軸加工機床采用較多的一種結構形式，其優點是旋轉坐標有足夠的行程范圍，工藝性好，適合中小型體零件的五面粗、精銑削加工，機床能在加工時減少裝夾次數，達到高效率、高精度、高可靠性的要求。

圖1

1.五軸加工設置內容介紹

零件在進行五軸加工時主要設置的內容有：編程方式選擇及轉臺旋轉中心到擺動中心位置偏置設置、編程零點到C軸中心位置偏置設置、加工工件坐標系的位置偏置設置、刀具長度補償設置、機床五軸RTCP加工設置及。下面以廣數GSK 25i五軸數控系統、CAXA制造工程師2011軟件五軸后置處理為例，介紹雙轉臺式五軸數控加工中心的加工設置與機床精度的測量、調整方法。

2.旋轉軸與直線軸的位置偏置

（1）旋轉中心到擺動中心偏置距離測量 如圖2所示，具體操作方法如下：

第1步：通過旋轉B軸，采用打表方式校平、校正C軸，使C軸平面與Z軸垂直，然后在C軸上安裝一圓棒，旋轉C軸銑出圓棒直徑為D，最后對圓棒進行分中，找出XYZ軸的坐標系零點位置坐標C，使C軸旋轉軸軸線與Z軸軸線重合，在機床坐標相對坐標系中將X、B軸坐標清零。

第2步：手動旋轉擺動軸B軸至90°位置，采用打表方式校正B軸

使C軸平面與Z軸軸線平行，然后移動X軸，用百分表或分中棒對C軸平面進行多次校準取平均值，使Z軸軸線位于旋轉軸C軸平面上，即Z軸軸線到旋轉軸C軸平面的距離為0，所移動的距離為L（Z'+X'），最后移動Z、Y軸，采用打表方式，測出圓柱旋轉后（B軸相對坐標90°位置）其側面至旋轉前（B軸相對坐標0度位置）的高度值H。依據以上步驟得出C軸旋轉中心到B軸擺動中心的偏置值：

X軸方向為：X'=（H+D/2－L）/2

Z軸方向為：Z'=（H+D/2+L）/2

另外，上述偏置坐標中均采用已測得的絕對值進行計算。當X方向測得值為－L時，偏置值為X'，X方向測得值為L時，偏置值為－X'；當Z方向測得值為H時，偏置值為Z'，Z方向測得值為－H時，Z軸方向偏置值為－Z'。

（2）零件編程零點到C軸中心偏置距離測量如圖3所示，具體操作方法如下：

圖2

圖3

第1步：通過旋轉B軸，采用打表方式校平、校正C軸，使C軸平面與Z軸垂直、C軸軸線與Z軸軸線重合，記錄機床的機械坐標（X、Y、B、C）或將該坐標輸入不常使用的六號工件坐標系（G59）中。

第2步：安裝、校正夾具。夾具校正時X方向可采用轉動C軸的方式進行。裝夾加工工件，采用試切法或分中棒對刀并設置工件坐標系。以1號工件坐標系（G54）為例：在MDI方式下運行“G90 G54 G0 X0 Y0 B0 C0”→在機床相對坐標系中將各坐標軸清零→手動移動機床坐標至第1步操作中記錄機床的機床坐標（X、Y、B、C）或MDI方式下運行“G90 G59 G0 X0 Y0 B0 C0”。此時，機床坐標相對坐標系中的坐標X、Y就是零件編程零點到C軸中心的偏置（X'、Y'）。

第3步：Z向坐標偏置測量，采用打表方式移動Z軸使百分表位于工件坐標系零平面記錄百分表表針位置，在機床相對坐標系中將Z軸坐標清零，移動Z軸使位于C軸平面表針位置與前面相同。此時，機床坐標相對坐標系中的坐標Z就是零件編程坐標系O中的編程零點到C軸中心的偏置Z'。

3.五軸加工功能刀具中心點控制（RTCP）、特征編程的操作和設置方法

（1）使用CAM軟件后置處理旋轉軸位置偏置功能進行補償時的編程設置 ①進入CAXA制造工程師軟件后置設置，選擇廣州數控B－C軸雙工作臺五軸后置配置文件GSK－5X－TB/TC，進入【多軸】界面，根據機床結構型式與轉軸參數設置如圖4所示。②進入CAXA制造工程師軟件后置設置，選擇廣州數控B－C軸雙工作臺五軸后置配置文件GSK－5 X－T B/T C，【多軸2】界面如圖5所示，旋轉中心到擺動中心偏置距離表示以機床旋轉軸中心 為參考的坐標系中擺動中心的位置坐標（X'、Z'）（見圖2）。編程零點到C軸中心偏置距離表示以加工工件的輸出坐標系O為參考機床C軸中心的位置坐標（X'、Y' 、Z'），如圖3所示。③在非數控系統五軸功能模式下后置程序時除上述設置外，需要刪除后置處理程序中的五軸功能G43.4H_等，若需多把刀具進行加工、換刀時只可單獨使用刀具長度補償。

圖4

圖5

（2）使用數控系統五軸加工功能編程時旋轉軸位置偏置的設置 廣州數控GSK25i數控系統在五軸加工中用于設置轉軸位置的參數主要有轉臺中心位置參數8020和工作臺第一旋轉軸和工作臺第二旋轉軸的偏置矢量參數8021，如圖6所示。

轉臺中心位置設置（參數8020）：轉臺中心位置是指裝夾工件的第二旋轉軸（C軸）的軸心處“機床坐標值”。以BC 雙轉臺為例，此處為C轉臺的軸心位置。當對刀方式不同時，“機床機械坐標值”會不同，在設置時必須要保持和工件坐標系同樣的對刀方式。當工件坐標系設置是用主軸端面對刀時，此處的“轉臺中心位置”也必須是用主軸端面降到旋轉軸心處時的“機床機械坐標值”。用刀尖對刀時，此處的“轉臺中心位置”也必須是該刀具降到旋轉軸心處時的“機床機械坐標值”。當換刀時，如果使用刀具補償，而不是重新設定工件坐標系，此參數不需要修改，否則必須重新設定坐標系。另外，在測量時，必須首先將旋轉工作臺放置在水平位置。

第一旋轉軸到第二旋轉軸的偏置矢量設置（參數8021）：以BC雙轉臺為例，在數控系統中第一旋轉軸為B軸，第二旋轉軸為C軸。該參數是一個矢量，矢量起點為主動軸軸心，終點為從動軸軸心，參照為機床坐標系。如果C轉臺在B轉臺之上，此參數為正；如果C轉臺在B轉臺之下，此參數為負。即表示以機床擺動中心為參考的坐標系中旋轉軸中心的位置坐標。

第一旋轉軸B軸到第二旋轉軸C軸的偏置距離測量同圖2中旋轉中心到擺動中心偏置距離測量，其矢量方向相反坐標參考軸為B軸。

圖6

使用五軸加工功能程序后處理：當使用五軸加工功能刀具中心點控制（RTCP）、特征編程（傾斜面加工）功能時，不需要在后處理程序提供機床類型和結構方面的參數，只要旋轉軸類型相同，可以通用于雙轉臺，擺頭轉臺和雙擺頭機床。以BC雙轉臺為例，構建后處理器時選擇雙擺頭方式。旋轉軸設置為BC方式，機床坐標軸偏置參數設置為0。這樣經過后處理的坐標值就和特定的機床參數沒有關系了。然后手工添加刀具中心點控制G43.4H_，或者修改后處理自動添加G43.4H_和刀具中心點控制取消G49，程序就可在機床運行、加工。

4.結語

文章較為全面地介紹了五軸雙轉臺式機床加工設置方法及其五軸加工程序后置設置等方面的內容，并詳細說明了五軸機床參數設置時旋轉軸、擺動軸的位置偏置與坐標值的測量方法、技巧。同時，也為其他形式多軸數控機床的加工設置提供了參考。