淺析加工中心坐標系補償?shù)恼{(diào)整方法

張曉軍，于 健，趙 燚

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

隨著國內(nèi)國際經(jīng)濟環(huán)境的不斷變化與發(fā)展，制造業(yè)的高精度、高質(zhì)量、高效率等要求在不斷提升。作為制造業(yè)基礎裝備的數(shù)控機床精度等綜合能力的提升是提高制造業(yè)整體水平和機床企業(yè)競爭力的關鍵技術(shù)。提高數(shù)控機床幾何及定位等精度有兩種途徑：一種是提高機床的固有機械性能，以及采取各種措施提高機床的運行穩(wěn)定性來達到；另一種是通過綜合補償技術(shù)，動態(tài)抵消各種制造誤差、條件變化誤差[1]。目前大多數(shù)控機床空間誤差補償?shù)姆椒ǘ己茈y與系統(tǒng)真正集成，簡單的將誤差映射給加工過程，補償?shù)男Ч⒉焕硐搿Ｒ虼耍苡斜匾獙⒖臻g的誤差補償功能嵌入到數(shù)控系統(tǒng)中，增加數(shù)控系統(tǒng)坐標系補償功能，以便提高其實用性和可靠性[2]。

本文結(jié)合工廠實際，闡述通過CMM報告調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)中坐標系補償，解決數(shù)控機床加工特征位置尺寸或距離尺寸超差的問題。該方法流程如圖1所示：

圖1 基于CMM報告補償數(shù)控機床坐標系的流程

1 機床加工坐標系的辨識

1.1 從零件定位夾緊姿態(tài)確認加工坐標系

現(xiàn)場的CNC加工一般用到4個坐標系：G54/G55/G56/G57；當零件夾緊完后，面對主軸的為G54，左邊為G55，面對上料門的加工部位為G56，右邊為G57，如圖2所示。

圖2 機床坐標系判定

1.2 從NC程序查看加工坐標系

在刀具NC程序的開頭都給出了該刀具加工特征的坐標系，因此可以查看NC程序識別坐標系。由于部分加工特征有一定傾斜角度，加工時A軸（詳見下文介紹）需要旋轉(zhuǎn)至某一特定的斜角[3]，這延伸了除以上定義方法之外的坐標系，如圖3所示。

圖3 從NC程序看加工特征坐標系

從圖3可看出：F2000面特征的加工是在G57加工坐標系下；#1211的加工特征是在G54.1P1加工坐標系下。

2 機床主軸、A/B軸和Z軸簡介

主軸即可在XY方向移動的軸，A軸即圍繞X方向進行旋轉(zhuǎn)的軸，B軸即圍繞Y方向進行旋轉(zhuǎn)的軸，Z軸即可在Z方向進行移動的軸。

圖4 機床各軸正負方向

如圖4所示，當人面向工件時，X+方向即主軸向右移動；Y+方向即主軸向上移動，Z+方向即Z軸向背離主軸方向移動；A+即A軸逆時針旋轉(zhuǎn)；B+即B軸順時針旋轉(zhuǎn)。

3 CMM坐標系與加工坐標系轉(zhuǎn)換

3.1 CMM報告

目前，大多數(shù)工廠對于加工零件位置、距離、角度等尺寸測量均用三坐標測量機，將已加工零件安裝在三坐標測量機上進行測量，三坐標測量機可以直接測量輸出加工零件的位置和距離等尺寸，輸出的測量報告簡稱為CMM報告?？梢哉f，CMM測量報告上顯示的XYZ方向基本上不能一一對應機床加工坐標系的XYZ方向，因為零件在機床上加工和在CMM測量時裝夾不一樣，CMM測量中，由于需要測量加工基準，故測量時裝夾和加工時裝夾差異，導致CMM測量坐標系與加工坐標系不一致，不同產(chǎn)品和不同機床工裝CMM測量坐標系與工件坐標系各異，但都可依照兩坐標系XYZ各個方向一一對應轉(zhuǎn)換。

如圖5為某工件的加工坐標系和三坐標測量坐標系，該三坐標測量機輸出的CMM報告X/Y/Z方向即一一對應著加工坐標系的X/Y/Z方向。

圖5 某零件三坐標測量機坐標系

表1詳細給出了CMM報告測量特征和對應代碼，可以通過對照，看懂CMM測量內(nèi)容。

表1 CMM測量尺寸類型和代碼對照表

3.2 坐標系轉(zhuǎn)換

CMM報告坐標系與加工坐標系轉(zhuǎn)換的方法有多種，下面給出兩種方法：

（1）按照CMM測量的報告，找出超差或偏大需要調(diào)整的方向，對照CMM坐標系，找出零件在CMM夾緊時實際偏移的方向；再把零件在相應機床夾緊，看零件實際偏的方向是對應機床哪個軸，是正還是負，就可以進行相應調(diào)整；

（2）直接根據(jù)CMM報告上的名義值來對應，這個方法最直接高效。

4 坐標系補償調(diào)整

4.1 主軸X/Y方向補償調(diào)整

X/Y方向尺寸偏離中值表現(xiàn)為測量實際值和名義值存在差異，CMM報告顯示位置度等相關尺寸差，即CMM報告測量同一坐標系下加工特征XY方向?qū)崪y值和名義值偏差，需要通過調(diào)整主軸在XY方向的移動來進行補償，調(diào)整方法如下：

（1）根據(jù)上文1.1、1.2方法確認該特征所在的坐標系；

（2）確認需要調(diào)整的量：實際值-名義值；

（3）確認需要調(diào)整的方向：遵循基準不動的原則，然后根據(jù)該特征所在的象限（基準建立的坐標把加工特征劃分成四個象限）來確定主軸應該往正/負方向調(diào)整；若當該加工特征處于第1象限，實際測量尺寸<名義尺寸時，XY方向都應該往正方向調(diào)整；若當該加工特征處于第2象限，實際測量尺寸<名義尺寸時，X方向應該往負方向調(diào)整，Y方向應該往正方向調(diào)整；若該加工特征處于第3象限，實際測量尺寸<名義尺寸時，XY方向都應該往負方向調(diào)整；若當該加工特征處于第4象限，實際測量尺寸<名義尺寸時，X方向應該往正方向調(diào)整，Y方向應該往負方向調(diào)整。

4.2 Z方向補償調(diào)整

Z方向尺寸偏離中值，通常表現(xiàn)為加工面多切或者少切，孔的深淺等，即CMM報告測量特征到基準的距離偏離名義值，需要通過調(diào)整Z軸的進退來補償，調(diào)整方法如下：

（1）根據(jù)上文1.1、1.2方法確認該特征所在的坐標系；

（2）確認需要調(diào)整的量：實際值-名義值 ；

（3）確認需要調(diào)整的方向：當出現(xiàn)實際值偏?。ǘ嗲校?，就往正方向調(diào)整（Z軸向上料門方向移動）。相反，當出現(xiàn)實際值偏大（少切），就往負方向調(diào)整（Z軸向主軸方向移動）。

4.3 A/B軸角度補償調(diào)整

當CMM報告用工件坐標系轉(zhuǎn)化后，出現(xiàn)同一測量特征不同截面或者Y方向具有同一名義值的不同測量特征，Y方向數(shù)個實際測量值呈逐漸變大或變小的趨勢，或者加工面的平行度差，或者根據(jù)直接的角度測量結(jié)果顯示角度差，如表2示例，此時需要調(diào)整A軸（繞X方向旋轉(zhuǎn)）角度補償；當CMM報告用工件坐標系轉(zhuǎn)化后，出現(xiàn)同一測量特征不同截面或者X方向具有同一名義值的不同測量特征，X方向數(shù)個實際測量值呈逐漸變大或變小的趨勢，或者加工面的平行度差，或者根據(jù)直接的角度測量結(jié)果顯示角度差，如表3示例，此時需要調(diào)整B軸（繞Y方向旋轉(zhuǎn)）角度補償。調(diào)整方法如下：

（1）根據(jù)上文1.1、1.2方法確認該特征所在的坐標系；

（2）確認需要調(diào)整的量。

1）如果有直接的角度測量結(jié)果，該補償值就等于實際測量的角度減去名義角度值；

2）如果沒有直接的角度測量結(jié)果，就需要先將坐標值轉(zhuǎn)換為角度，通過反三角函數(shù)來計算角度：

假設在同一方向（相同名義值）的兩個坐標點為（A1，A1′）、（A2，A2′），此時 A1、A2 的 X 方向名義值是相同的，但實際值差異較大，就說明B軸角度偏離中值了，需要調(diào)整的角度為θ=arctan（A1-A2）/（A1′-A2′）。

（3）確認需要調(diào)整的方向：遵循A軸逆時針方向為正，順時針方向為負，B軸逆時針方向為負，順時針方向為正。

表2 需調(diào)整A軸角度補償?shù)腃MM報告實例

將表2報告報告用工件坐標系轉(zhuǎn)化后，同一測量特征1111的不同截面Y方向測量值從53.7244變?yōu)?3.7607，此時需要調(diào)整A軸角度補償，調(diào)整方法如上文所述。

表3 需調(diào)整B軸角度補償?shù)腃MM報告實例

將表3報告用工件坐標系轉(zhuǎn)化后，X方向具有同一名義值4.8的不同測量特征6101和6105，X方向測量值從4.8064變?yōu)?.7513，此時需要調(diào)整B軸角度補償，調(diào)整方法如上文所述。

4.4 旋轉(zhuǎn)補償調(diào)整

所有的數(shù)控機床坐標系補償程序，都設定有旋轉(zhuǎn)補償變量，一般標注為#541（Rotate），旋轉(zhuǎn)補償變量可微調(diào)主軸的路徑，使得主軸圍繞某一特定的坐標點旋轉(zhuǎn)一定的角度進行加工，解決主軸的傾斜加工問題。

當CMM報告用工件坐標系轉(zhuǎn)化后，出現(xiàn)X方向具有同一名義值的數(shù)個特征，X方向?qū)嶋H測量值呈逐漸變大或變小的趨勢，或者出現(xiàn)Y方向具有同一名義值的數(shù)個特征，Y方向?qū)嶋H測量值呈逐漸變大或變小的趨勢，如表4示例。此時需要調(diào)整旋轉(zhuǎn)補償變量，角度的計算跟4.3一致，方向遵循逆時針方向為正，順時針方向為負的原則。

表4 需調(diào)整旋轉(zhuǎn)補償?shù)腃MM報告實例

將上述CMM報告用工件坐標系轉(zhuǎn)化后，Y方向具有同一名義值26.76的3個不同測量特征1201、1202和1203，Y方向?qū)嶋H測量值逐漸減小，從26.792減小為26.722，此時需要調(diào)整旋轉(zhuǎn)補償，調(diào)整方法如上文所述。

4.5 奇偶補償調(diào)整

所有的數(shù)控機床坐標系補償程序，都設定有奇偶補償變量，一般標注為#542（補償X方向）、#543（補償Y方向），用來解決數(shù)控機床加工中同一坐標系下不同奇偶加工特征X、Y方向偏差量不一致問題。

當CMM報告用工件坐標系轉(zhuǎn)化后，出現(xiàn)具有同一X方向名義值的數(shù)個加工特征，奇數(shù)加工特征和偶數(shù)加工特征在Y方向測量值偏差量不一致，或者具有同一Y方向名義值的數(shù)個加工特征，奇數(shù)加工特征和偶數(shù)加工特征在X方向測量值偏差量不一致，此時需要調(diào)奇偶補償變量，由于此種情況簡單，CMM報告就不列舉。調(diào)整的量和方向跟4.1一致。

4.6 坐標系補償調(diào)整注意事項

坐標系補償調(diào)整以后，建議先加工一件恢復參數(shù)繼續(xù)生產(chǎn)，期間測量調(diào)整件的相關尺寸，需要確保合格后才能啟用參數(shù)批量生產(chǎn)，調(diào)整時需注意以下幾點：

（1）調(diào)整前需要確認好正、負；

（2）調(diào)整時注意小數(shù)點；

（3）調(diào)整時注意確認好坐標系；

（4）調(diào)整數(shù)值不能超過0.5 mm，調(diào)整的值超過0.5 mm時需要檢查機床夾具是否出了問題、X、Y、Z絲桿原點是否偏移、定位塊是否磨損嚴重、機床氣檢是否失效等。

5 實例分析

一A軸加工的機床，在G54.1P1坐標系下加工的編號#1115的特征尺寸超差如表5所示，此特征位于坐標系的第三象限，工藝X方向名義尺寸183.25，Y方向26.76，調(diào)整坐標補償方法如下：

表5 CMM測量超差實例報告

（1）對照前文圖四，TP代表位置度，故#1215特征位置度超差；

（2）從前文3.2方法（2）可知，CMM報告坐標系的Z向/X向即為工件坐標系的X向/Y向；

（3）XY方向偏離名義值導致位置度超差，屬于上文4.1情況，確認需要調(diào)整的量：

需要調(diào)整的方向：此特征位于工件坐標系的第三象限，X方向?qū)嶋H值＞名義值，應該往正方向調(diào)整，Y方向?qū)嶋H值＜名義值，應該往正方向調(diào)整。

（4）調(diào)整結(jié)果：G54.1P1坐標系下，X+0.028，Y+0.09；

（5）調(diào)整后CMM報告測量結(jié)果如表6所示。

表6 CMM測量超差坐標系補償調(diào)整結(jié)果

6 結(jié)論

根據(jù)CMM報告的測量數(shù)值，分析偏差的原因，通過調(diào)整XY單方向坐標補償、Z方向的坐標補償、AB軸坐標補償、旋轉(zhuǎn)坐標補償以及奇偶坐標補償?shù)姆椒?，可以很好地解決生產(chǎn)實際中位置尺寸超差的問題。