單轉(zhuǎn)臺(tái)單擺頭五軸機(jī)床工件坐標(biāo)系建立及編程

摘 要：以單轉(zhuǎn)臺(tái)單擺頭五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床為例，詳細(xì)介紹了五軸機(jī)床工件坐標(biāo)系的建立過(guò)程，尤其針對(duì)五軸機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的確定及主軸刀具擺長(zhǎng)的測(cè)定、計(jì)算及輸入進(jìn)行了詳細(xì)講解，并且以SKY五軸機(jī)床為例介紹了多軸編程的基本格式。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)无D(zhuǎn)臺(tái)單擺頭；工件坐標(biāo)系；編程

引言

五軸機(jī)床一般為在普通三軸機(jī)床的基礎(chǔ)上附加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。又稱為3+2軸。按照旋轉(zhuǎn)軸的類型，五軸機(jī)床可以分為三類：雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸、雙擺頭五軸、單轉(zhuǎn)臺(tái)單擺頭五軸。旋轉(zhuǎn)軸分為兩種：使主軸方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸稱為擺頭，使裝夾工件的工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸稱為轉(zhuǎn)臺(tái)。

單轉(zhuǎn)臺(tái)單擺頭五軸機(jī)床以旋轉(zhuǎn)軸B為擺頭，旋轉(zhuǎn)平面為ZX平面；旋轉(zhuǎn)軸C為轉(zhuǎn)臺(tái)，旋轉(zhuǎn)平面為XY平面。其特點(diǎn)為：加工過(guò)程中工作臺(tái)只旋轉(zhuǎn)不擺動(dòng)，主軸只在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)擺動(dòng)，加工特點(diǎn)介于雙轉(zhuǎn)臺(tái)和雙擺頭之間，其旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單轉(zhuǎn)臺(tái)單擺頭五軸機(jī)床機(jī)構(gòu)

工件坐標(biāo)系的建立就是將CAM軟件的三維圖形中的加工坐標(biāo)系與實(shí)際機(jī)床上的加工坐標(biāo)系統(tǒng)一起來(lái)。工件原點(diǎn)（加工坐標(biāo)系原點(diǎn)）位置是由編程人員設(shè)定的。機(jī)床上工件的原點(diǎn)反映的是工件與機(jī)床原點(diǎn)之間的位置關(guān)系。工件原點(diǎn)一旦確定一般不再改變。而轉(zhuǎn)臺(tái)加擺頭的五軸機(jī)床在裝夾工件之前要先測(cè)出轉(zhuǎn)臺(tái)中心，裝夾工件時(shí)校正工件或測(cè)量出工件位置偏差，還要測(cè)定擺軸的有效擺長(zhǎng)，有效擺長(zhǎng)等于擺軸長(zhǎng)加基準(zhǔn)刀具長(zhǎng)度之和。

1 建立工件坐標(biāo)系

單轉(zhuǎn)臺(tái)單擺頭五軸機(jī)床，一般將加工原點(diǎn)取在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)（C軸）的旋轉(zhuǎn)軸線上，因此對(duì)刀時(shí)必須找到轉(zhuǎn)臺(tái)的中心，加工原點(diǎn)的X、Y軸坐標(biāo)由轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置確定，但Z軸坐標(biāo)根據(jù)工件上的基準(zhǔn)而定，與轉(zhuǎn)臺(tái)中心無(wú)關(guān)。

1.1 校正擺軸，使主軸垂直于工作臺(tái)（對(duì)刀B軸原點(diǎn)）

方法一：如圖2所示，在主軸上裝一標(biāo)準(zhǔn)芯棒（或刀桿）；移動(dòng)B軸，使主軸大概垂直于工作臺(tái)平面；將千分表吸在工作臺(tái)面上，調(diào)整表針位置，讓表針接觸刀桿或芯棒；低速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，或用手撥動(dòng)刀桿或芯棒使主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，若千分表讀數(shù)隨主軸旋轉(zhuǎn)而變化，則重新安裝芯棒，直至千分表讀數(shù)不隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)而變化或讀數(shù)在允許的范圍之內(nèi)；上下運(yùn)動(dòng)Z軸，觀察千分表讀數(shù)變化，調(diào)整B軸，使千分表讀數(shù)不隨Z軸上下移動(dòng)而變化或其變化在允許的范圍之內(nèi)，此時(shí)主軸與工作臺(tái)垂直。把這時(shí)機(jī)床坐標(biāo)B軸的數(shù)值輸入到G55對(duì)話框中的B框中，并按“確定”按鈕保存。

方法二：將千分表吸到刀柄上，并能保證表隨著刀柄在360度范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不受任何阻礙。如圖3所示：調(diào)整表的高度使表頭接觸到工作臺(tái)面，然后旋轉(zhuǎn)刀柄讓表頭在工作臺(tái)面上劃一個(gè)整圓，調(diào)整B軸的角度，使千分表在這個(gè)圓的任意位置上讀數(shù)基本相等，把此時(shí)B軸機(jī)床坐標(biāo)的數(shù)值輸入到G55對(duì)話框中的B框中，并按“確定”按鈕保存。

圖3 擺軸校正方法二

兩種方法相比較，方法二比方法一更加精確、可靠，所以操作機(jī)床時(shí)建議使用方法二。

一般情況下，B軸的零位在新機(jī)床出廠調(diào)試時(shí)已經(jīng)校正，即B軸機(jī)床坐標(biāo)為零時(shí)，主軸垂直于工作臺(tái)，但為了確保精度，加工前應(yīng)復(fù)檢一次。

1.2 轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心（對(duì)刀X、Y軸原點(diǎn)）

如圖4，把表吸到刀柄上，并保證表和刀柄360度范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不受任何阻礙；調(diào)整機(jī)床X、Y、Z軸和千分表位置，使得千分表在隨刀柄旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，表針基本能接觸到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的內(nèi)孔壁；進(jìn)一步調(diào)整X、Y軸的位置，直到千分表的讀數(shù)在內(nèi)壁任意位置基本相等；把此時(shí)X、Y軸的機(jī)床坐標(biāo)值輸入到G55對(duì)話框的X、Y框中，并按“確定”按鈕保存。

1.3 裝夾工件和刀具

把工件固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，加工時(shí)所需要的第一把刀具裝夾到主軸上。

1.4 選定C軸的基準(zhǔn)邊（對(duì)刀C軸原點(diǎn)）

通常在需要進(jìn)行多軸加工的工件上取一基準(zhǔn)邊，把這個(gè)基準(zhǔn)邊與X（或Y）軸成一特定角度或平行時(shí)的C軸位置作為C軸的零位。把此時(shí)C軸的機(jī)床坐標(biāo)值輸入到G55對(duì)話框的C框中，并按“確定”按鈕保存。

1.5 對(duì)Z軸的加工原點(diǎn)

操作人員要知道編程人員把Z坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置到了工件上的哪個(gè)位置，這里的對(duì)刀點(diǎn)就對(duì)到哪個(gè)位置。將B軸轉(zhuǎn)到零位（即主軸垂直于工作臺(tái)），讓刀尖接觸工件上的基準(zhǔn)點(diǎn)，將這點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值輸入到 G55對(duì)話框的Z框中，并按“確定”按鈕保存。

1.6 找出旋轉(zhuǎn)臺(tái)的中心和工件中心的偏差

按照三軸操作去找工件的原點(diǎn)，把工件原點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)值分別輸入到G54對(duì)話框的X、Y框中，并按“確定”按鈕保存。比較G54和G55坐標(biāo)參數(shù)中X、Y軸的數(shù)值，按照如下公式計(jì)算：

？駐X=XG55-XG54

？駐Y=YG55-YG54

將計(jì)算出的數(shù)值保存，作為后續(xù)編程使用數(shù)據(jù)。

1.7 測(cè)定擺長(zhǎng)

如圖5所示：使用標(biāo)準(zhǔn)量塊，置于工作臺(tái)面，在B軸零度（主軸垂直于工作臺(tái)面）時(shí)，把刀尖移動(dòng)到墊塊的上表面，再把刀具抬高一個(gè)刀具半徑，記錄下此時(shí)機(jī)床坐標(biāo)Z坐標(biāo)值，設(shè)為P1，讓B軸擺動(dòng)到“90度”或“-90度”，再讓刀具移動(dòng)到墊塊上表面，記下此時(shí)機(jī)床坐標(biāo)的數(shù)值，為P2，|P1|-|P2|=P（擺長(zhǎng)）。

圖5測(cè)量擺長(zhǎng)

把“-P”輸入到機(jī)床坐標(biāo)系設(shè)定對(duì)話框的Z框中，并保存（加工程序中要用到G指令來(lái)調(diào)用這個(gè)擺長(zhǎng)值）。

1.8 將系統(tǒng)中刀長(zhǎng)補(bǔ)正值清零

在F1自動(dòng)方式下按“5刀具”，彈出如圖6所示的刀具定義對(duì)話框，在刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償中填入“0”，點(diǎn)“更改”。

圖6 刀具定義對(duì)話框

以上為第一把刀具對(duì)刀的全過(guò)程，我們稱為基準(zhǔn)刀具對(duì)刀（或稱初始刀具）；當(dāng)主軸上刀具更換之后，所使用的刀具就不是基準(zhǔn)刀具了，稱為當(dāng)前刀具。當(dāng)前刀具也需要建立工件坐標(biāo)系，但只需要測(cè)量其與初始刀具的長(zhǎng)度差值，將這個(gè)差值輸入到如圖7的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償中，點(diǎn)“更改”保存即可。當(dāng)前刀具長(zhǎng)于初始刀具的補(bǔ)償值為正值；反之，補(bǔ)償值為負(fù)值。

2 多軸編程規(guī)則及程序格式

五軸加工就是通過(guò)控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機(jī)床原始坐標(biāo)系構(gòu)成空間某個(gè)角度，利用銑刀的側(cè)刃或底刃切削來(lái)完成加工。五軸加工的關(guān)鍵是如何合理控制刀軸矢量（刀具軸的軸線矢量）的變化。加工不同的曲面，為了實(shí)現(xiàn)加工需要，刀軸矢量的改變方式是不同的；刀軸矢量的變化是通過(guò)工作臺(tái)擺動(dòng)或主軸的擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不同結(jié)構(gòu)類型的五軸機(jī)床其運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系是不同的。合理的控制刀軸矢量既要滿足曲面加工的需要，又要使刀軸矢量變化范圍在所使用的機(jī)床可實(shí)現(xiàn)的范圍內(nèi)。因此，五軸機(jī)床編程的基礎(chǔ)是理解刀軸矢量的變化會(huì)在實(shí)際機(jī)床加工中產(chǎn)生何種效果。

多軸機(jī)床主要依靠計(jì)算機(jī)及軟件完成自動(dòng)編程，所用到的編程代碼比較單一。

隨著科技的發(fā)展，多軸機(jī)床的普及程度會(huì)越來(lái)越高，那么對(duì)于編程及操作人員的要求也就越來(lái)越嚴(yán)格，只有掌握機(jī)床結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)形式及編程規(guī)則，才能夠熟練操作多軸機(jī)床進(jìn)行加工。

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