華中數控臥式四軸機床坐標系自動補償研究

楊 凱 胡興平 馮常喜 張 寧 吳 飛 趙志虎

（北京衛星制造廠有限公司，北京 100094）

數控技術是關系到我國產業安全、經濟安全和國防安全的國家戰略性高新技術。從手機、家電、汽車到飛機、火箭的制造，都離不開數控技術。數控技術是裝備制造中的核心技術，華中數控不斷開發數控系統新功能，使CAM功能在國產數控系統中充分應用。

1 研究背景

在臥式四軸加工中心加工產品時，存在一個問題：工作臺旋轉以后，先前建立的工件坐標系已不可用，需重新建立工件坐標系。在大批量生產中，利用專用夾具裝夾工件，將其固定在工作臺上，得到工件坐標系與機械坐標系的位置關系，計算出每個加工特征的角度，根據旋轉后的角度，計算加工特征中的各個特征坐標，一次計算，批量使用。但在單件或小批量生產、使用通用夾具進行裝夾工件時，這種方法不再適用。工件每次旋轉后都需要計算、找正工件坐標系，操作過程復雜，并受所使用測量工具誤差及操作人員人為誤差影響，導致多次找正的工件坐標系精度不夠，且停止機床找正工件，程序中斷，不能連續加工，生產效率低。

通過研究華中數控系統，開發了機床刀尖點跟隨功能，有效地解決了此問題。

2 基于華中數控系統的坐標系轉換宏程序研究

2.1 宏程序概念及優勢

一組命令構成機床特定功能，將這組命令編寫成機床執行文件存儲在機床存儲器中，把機床存儲器中的執行文件用一個命令來代表，只用這個命令即可以執行機床特定功能。把存儲在存儲器中的這組命令叫做宏程序本體，宏程序本體名稱做用戶宏程序指令。使用宏程序指令，數控程序的編制者無需再完整輸出宏程序本體，只需輸出宏指令即可。宏程序可以在宏程序本體中使用變量，可以進行變量間的演算；宏指令可以讀取機床控制器中實際的值，實現宏程序的通用性。

2.2 臥式四軸加工中心的機床結構及坐標系補償功能

常見臥式加工中心結構及坐標系如圖1所示，主要由X、Y、Z這3個線性軸及旋轉軸B軸組成。

圖 1 臥式銑鏜加工中心的坐標

RTCP即rotated tool center point,就是大家常說的刀尖點跟隨功能，是指刀軸旋轉后為保持刀尖點相對于工件位置不變，機床控制器自動計算并執行線性軸補償的功能。在五軸加工中，刀尖點位置會隨著機床旋轉軸的旋轉而發生變化，數控系統控制點往往與刀尖點不重合，帶有刀尖點跟隨的五軸機床，系統可以自動補償工件坐標系與機床機械坐標系變換，以保證刀尖點按照既定軌跡運動。圖2是五軸機床刀尖點跟隨開和關的轉換效果圖。

圖 2 刀尖點跟隨轉換效果[1]

2.3 臥式四軸機床運動求解研究[2]

對四軸機床坐標系進行運動分析，得到運動關系后，編制坐標系變換宏程序，然后進行后處理開發，最終實現臥軸機床定軸功能的自動補償,在編程及加工過程中不受機床旋轉后坐標系變化影響。

建立機床機械坐標系XMYMZM，轉臺中心原點為O，以及產品加工坐標系XwYwZwOw，如圖3所示。

圖 3 B 軸轉臺的坐標系

轉臺上有一點Ow，機械坐標為(Xm、Ym、Zm)，假定轉臺無運動誤差，當轉臺旋轉角度θ后，Ow點運動到O'w點，機械坐標為(X'm、Y'm、Z'm)。其中Ow、O'w的機械坐標存儲在機床系統變量中，如表1所示。

表1 機械坐標系各變量地址表

變換前，Ow點工件坐標系存儲在G54中，如下

由于在ZOX平面內旋轉，Y軸坐標值不變，變換后，Ow’點工件坐標系存儲在G59中，如：

轉臺旋轉θ角度后，其工件坐標系由G54變換為G59，整個變換過程為“轉臺中心平移到機械坐標系零點-工件坐標系零點繞轉臺中心旋轉-轉臺中心平移回到初始位置”。

在ZOX平面內變換的平移矩陣如式（1）所示。

將轉臺中心平移到機械坐標系零點，在X和Z方向的平移量分別為m和n，其值如下。

然后，將工件坐標系零點繞法向逆時針旋轉θ角的旋轉矩陣如式（2）所示。

最后，將轉臺中心平移回到初始位置的變換矩陣如式（3）所示。

2.4 宏程序編制及變數說明

利用機床機械坐標系與旋轉后的坐標系信息完成加工坐標系與機械坐標系的自動轉換宏程序編制。

3 基于 NX 的后處理開發研究

采用軟件進行數控程序編制時，輸出的是加工刀具刀尖點數據的軌跡源文件CLS，然而機床執行的是NC代碼程序，需要將CLS文件轉換成可被機床識別的NC程序代碼，控制機床運動，這種將刀具軌跡轉換成NC程序代碼的過程為后處理。

3.1 NX／Post結構

NX／PostBuilder是NX系統自帶的后處理開發工具，是進行數控機床后處理文件制作的主要途徑。NX／Post的結構如圖4所示。NX后處理的流程為：NX／Post接收事件生成器提取的NX刀軌源文件數據（事件名稱、變量等）；然后根據事件處理器（Event Handler.tcl）文件所規定的事件進行處理；最后根據定義文件（Definition File.ef）所規定的機床格式，處理輸出機床數控系統所需NC程序。

圖 4 NX／Post結構[3]

3.2 華中系統四軸機床 UG 后處理設計

基于NX/Post Builder建立后處理，系統會產生3個文件。用戶可以利用Post Builder修改事件處理文件和事件定義文件，利用NX／Post Builder開發后處理器的流程如圖5所示。

根據已計算機床運動分析及編制的坐標系自動補償宏程序，開發坐標系補償宏程序調用事件，并根據機床結構、機床主要參數、華中系統特有指令。完成基于NX的后處理開發。

圖 5 NX／Post Builder 后處理器開發流程

首先進行機床基礎參數設置，設計機床的行程、機床結構、程序起始結束指令、G代碼指令和輔助指令等設置，如圖6所示。

圖 6 基礎參數設置

定制后處理事件，當產品加工坐標系設置在非轉臺中心時調用該事件，如圖7所示。

后處理器編輯完畢后在編程平臺中調用編輯好后處理事件驅動后處理對編輯好的刀具切削軌跡進行NC程序輸出。如圖8、圖9所示。

3.3 后處理的驗證

為保證后處理文件上機前的可行性和正確性，對后處理文件處理完成的數控程序進行基于VERICUT軟件的仿真驗證。數控程序在正式加工前，在仿真軟件中進行切削仿真驗證，可以有效檢驗后處理程序的正確性。后處理的NC數控程序經切削仿真驗證零件無過切及欠切等報警信息，驗證了后處理文件的正確性。零件產品圖及仿真效果圖分別如圖10、圖11所示。

圖 7 定制后處理事件

圖 8 調用后處理事件

4 結語

四軸機床在加工中坐標系的自動補償,可以減少工件在機床上的裝夾找正次數，實現機床無間斷加工，提升四軸數控機床的加工能力。本文通過轉臺中心原點、旋轉后加工坐標系與機床機械坐標系關系的研究，編制坐標系自動補償宏程序，將宏程序儲存至機床控制器，僅需編程時在NX編程平臺以事件驅動后處理文件，實現加工中坐標系的自動補償。簡化編程思路，提高程序質量，擴展了機床加工能力。

圖 9 NC 數控程序輸出

圖 10 加工零件

圖 11 VERICUT 仿真效果