四軸臥式加工中心工作臺旋轉后坐標系的自動轉換

張新民

上海電氣凱士比核電泵閥有限公司 上海 201306

1 序言

四軸臥式加工中心的應用已越來越普遍，但仍需要不斷鉆研和發掘設備的性能和功能，才能將其優勢發揮到極致，從而更高效地加工出更高質量的產品零件。本文以工作臺旋轉后的坐標系轉換為例，介紹利用宏程序完成帶B軸臥式加工中心的工作臺旋轉后坐標系自動轉換的方法。

2 坐標系轉換存在的問題

一個工件有多個面需要加工時，使用帶B軸的四軸臥式加工中心比較方便，只需一次裝夾，就可以通過旋轉工作臺實現多個面的加工。在實際工作中，由于工件中心一般不是剛好放在工作臺旋轉中心，而且工件形狀各異，所以通常加工每個面時都要重新測量并設定工件坐標系，效率低而且有測量誤差，一些形狀復雜的斜面或圖樣上的虛構面甚至根本無法測量。

仔細思考這個問題不難發現，根據零件形狀要求，構建不同坐標系，再利用幾何模型和圖樣尺寸列出各坐標系之間的關系，從而實現坐標系的轉換，即可解決以上問題?？紤]到工作臺旋轉后Y坐標無變化，因此下面只分析計算X軸和Z軸的坐標變化與轉換。

3 坐標系轉換過程

3.1 測量工作臺旋轉中心X、Z軸機械坐標

測量所需工具為主軸標準檢棒和帶磁吸表座的杠桿式千分表。

（1）測量Xc測量過程如圖1所示。

圖1 工作臺旋轉中心X軸機械坐標測量

1）將工作臺（B軸）定位在0°位置，標準檢棒裝在主軸上，表座吸在工作臺上并使千分表表針壓在檢棒側母線上（見圖1a）。手動移動Y軸尋找檢棒側母線最高點，千分表指針讀數置0，記下此處X軸機械坐標Xm1。

2）將檢棒向上移至安全位置，將工作臺旋轉至180°位置。以同樣方式，在另一側尋找檢棒側母線最高點（見圖1b），并移動X軸使千分表讀數在上次置0的位置，記下此處X軸機械坐標Xm2，則工作臺旋轉中心X軸機械坐標為Xc＝（Xm1＋Xm2)/2。

驗證：將主軸固定在Xc位置，再用上述方法，只移動Y軸和Z軸，如果在0°和180°位置千分表的讀數完全相同，說明Xc正確，否則需重新測量。

（2）測量Zc測量過程如圖2所示。

1）將工作臺（B軸）定位在0°位置，主軸移至Xc位置，標準檢棒裝在主軸上，表座吸在工作臺上并使千分表表針壓在檢棒側母線上（見圖2a），手動移動Y軸尋找檢棒側母線最高點，將千分表指針讀數置0。

2）X軸固定不動，工作臺轉至90°位置（見圖2b），移動機床Z軸使千分表接觸檢棒端面至千分表讀數為前面置0位置，記下Z軸的機械坐標Zm1，主軸標準檢棒長度為L，直徑為D，則工作臺旋轉中心Z軸機械坐標為Zc＝Zm1＋D/2－L。

圖2 工作臺旋轉中心Z軸機械坐標測量

3.2 坐標轉換幾何模型與計算

工件初始位置為工作臺0°位置，O點為工作臺旋轉中心，其機械坐標為（Xc，Zc）。先設置A點為工作坐標系G54零點，進行工件第1面的加工。然后需要將工作臺旋轉α角度，進行斜面的加工，此時設置B′點為第2個工作坐標系G55零點，坐標轉換幾何模型如圖3所示，圖中已知參數見表1。同時，為便于后面在機床上用宏程序自動計算，在此給每個參數指定一個宏變量。旋轉后新的坐標零點B′點的機械坐標（X0′，Z0′）計算過程見表2。

圖3 工作臺旋轉中心坐標轉換幾何模型

表1 坐標轉換前的參數

表2 坐標轉換計算過程

其中OB線與Z軸的夾角β1可根據B點相對O點的（X1，Z1）坐標位置計算，西門子數控系統中可通過“ATAN2(X1，Z1) ”函數直接得到（數學計算則需要根據B點所處象限分別列出計算，相對較復雜，在此省略）。B′點相對工作臺旋轉中心O的坐標（X1′，Z1′）可根據下式計算。

X1′＝LOBsin(β1′)＝LOBsin(α+β1)

Z1′＝LOBcos(β1′)＝LOBcos(α+β1)

3.3 在四軸臥式加工中心上實現

有了以上的計算模型，在機床上用宏程序就比較容易計算出工作臺旋轉后新零點的機械坐標。以西門子840D sl系統為例，使用上述宏變量，坐標轉換計算的宏程序如下。

4 結束語

1）通過標準檢棒和帶磁吸的千分表可測量帶B軸臥式加工中心的工作臺旋轉中心的機械坐標，用于工作臺旋轉后的坐標轉換計算。

2）根據零件圖樣尺寸及放置位置，建立幾何模型并進行數學計算，可計算出工作臺旋轉后新的坐標零點的機械坐標。

3）此方案也可推廣應用于FANUC、HAAS及其他數控系統的帶B軸四軸臥式加工中心，應用于實際數控加工中可大幅提高多面加工的工作效率和位置精度，特別是對于形狀復雜、實際難以直接測量的零件，效果更加明顯。