数控镗铣床3+1轴加工自动补偿工件零点偏置的应用

陈建军

中国铁建重工集团股份有限公司 湖南长沙 410100

1 序言

四轴卧式镗铣床加工圆形阵列分布特征或多面体一般采用3+1轴定位方式加工。一般操作者会将工件调整至对称中心与工作台旋转中心重合，利用旋转、对称原理编程加工[1]。但这种常用的加工方法，一方面对工件的装夹、找正要求比较高，工件需通过反复打表校正圆心偏差，并通过反复调整使特征阵列分布圆中心与机床旋转中心重合，操作复杂、效率低；另一方面，当工件半径大于刀轴端面到机床旋转中心的距离时（虽工件尺寸未超过工作台尺寸），就无法实现同心装夹，需转移到更大的四轴机床实现同心装夹和旋转对称加工。如果不腾挪机床，工件就只能偏心装夹，每编程加工完一处特征后，需要旋转、重新找正工件，并重新对刀后调用原程序加工，这样虽可以保留用小机床加工，但是需反复旋转、找正和对刀，不仅操作困难，而且基准反复变化，无法保证加工精度[2]。

因此，亟待找出一种加工方法，既能够实现工件的偏心装夹，保证小四轴机床能够加工此类圆形阵列分布特征和多面体工件，又能够减少找正、对刀次数，能够将工件坐标系变动偏移值精确补偿到零点偏置中，保证加工的准确性。本文提出一种工作台旋转任意角度后工件坐标系零点偏置自动补偿的方法，能够实现此类圆形阵列分布特征和多面体工件的准确高效加工。

2 工件随回转工作台旋转后的分析

卧式数控镗铣床3+1轴定位加工如图1所示，工件为一段大直径圆弧板（见图2），需要加工多个呈圆形阵列分布的矩形腔。加工俯视图如图3所示，圆弧工件的半径R远大于工作台的回转半径，工件圆心与工作台旋转中心相距甚远，摆放角度任意。初始设定加工坐标系，需要求解工件随工作台旋转任意角度后相对初始设定坐标系的坐标值。

图1 3+1轴定位加工示意

图2 大直径圆弧板工件

图3 3+1轴定位加工俯视

旋转几何分析如图4所示，O为工作台旋转中心，O1为工件圆心初始位置，在原坐标①点（即G1点）设置初始加工坐标系，C1为待加工位置，∠G1O1C1=α。工作台旋转α角度才能使C1正对主轴，相当于工件绕工作台旋转中心旋转α角度，O1旋转至O2，A1旋转至A2，B1旋转至B2，以此类推，F1旋转至F2。将工作台旋转中心O点的机床坐标值XMCS设为参数R30，ZMCS设为参数R31，工件圆半径R、旋转角度α分别设为参数R1、R2。求解工件随工作台旋转任意角度后相对初始设定坐标系的坐标值，实际就是求②点的机床坐标值，将该值自动写入加工坐标系的零点偏置。

图4 旋转几何分析

由图4可知①点的坐标为XMCS1=B1D1+R30，ZMCS1=E1G1+R31，②点的坐标XMCS2=A2H2+R30，ZMCS2=J2C2+R31。求②点的机床坐标值实际为求解线段A2H2、J2C2的长度。推导过程如下。

O1C1=O2C2=O1G1=工件的圆半径R=R1

D1C1=O1C1sinα=Rsinα，设为参数R24

O1D1=Rcosα

D1G1=O1G1－O1D1=R－Rcosα，设为参数R26

从①点到②点即工作台旋转α角度，得到

根据全等三角形原理：D2F2=B2H2=D1F1，A2B2=A1B1

因此：A2H2=A2B2－B2H2=A1B1－D1F1

同理：

根据全等三角形原理：A2J2=OH2=E2F2

因此：J2C2=A2C2+A2J2=A2C2+E2F2

为了公式简便及参数化，再设①点的X向坐标为参数R81，Z向坐标为参数R83，即X=B1D1+R30=R81，Z=E1G1+R31=R83。设②点未旋转时原C1点X向坐标为参数R86，Z向坐标为参数R87，即R86=R81+R24，R87=R83+R26。则

因此②点的机床坐标值为

3 坐标验证

坐标验证如图5所示，工件有①～⑨共9个加工位置，相关尺寸已标出，现验证式（3）、式（4）。假设工作台旋转中心坐标为XMCS=5000，ZMCS=－1200。从中选出每90°的位置进行图示，工作台旋转位置变化如图6所示。

图5 坐标验证示意

图6 工作台旋转位置变化示意

经过推算与计算得到的机床坐标，与实际测量得到的机床坐标进行验证，具体见表1。从表1中的数据可看出，计算结果与实测数据一致，表明推算与计算方式正确。

表1 坐标验证

4 工件坐标系零点偏置自动补偿程序编制

根据前文推算的②点的坐标公式，以西门子840D/840Dsl系统的编写方式编写。

4.1 主程序

MSG，卧式机床回转工作台旋转任意角度后自动计算工件零点偏置。

;*参数数据设定与赋值*

R1=500 ;目标工件的回转R值，根据工件大小修改R1值

R2=45 ;B轴目标坐标系与源坐标系的差值

CJJ；程序段标记

R24=R1*SIN(R2) ;X轴目标坐标系与源坐标系的差值

R25=0 ;Y轴目标坐标系与源坐标系的差值

R26=R1*(COS(R2)-1) ;Z轴目标坐标系与源坐标系的差值

R54=1 ;源坐标系，1代表G54，2代表G55，3代表G56……

R55=2 ;目标坐标系，1代表G54，2代表G55，3代表G56……

R30=5000 ;回转工作台旋转中心X向机床坐标

R31=-1200 ;回转工作台旋转中心Z向机床坐标

G0G90G54

;*读取R54源WCS中X、Y、Z、B值至R参数*

R81=$P_UIFR[R54,X,TR]+$P_UIFR[R54,X,FI];X粗略坐标值+X精确坐标值

R82=$P_UIFR[R54,Y,TR]+$P_UIFR[R54,Y,FI]

R83=$P_UIFR[R54,Z,TR]+$P_UIFR[R54,Z,FI]

R96=$P_UIFR[R54,B,TR]+$P_UIFR[R54,B,FI]

;*计算R55目标WCS中X、Y、Z值*

R86=R81+R24

R87=R83+R26 ;R86、R87相当于②点未旋转时原C1点X、Z向的原坐标

R88=R30+(R86-R30)*COS(R2)-(R87-R31)*SIN(R2) ;X机床坐标

R89=R31+(R86-R30)*SIN(R2)+(R87-R31)*COS(R2) ;Z机床坐标

R90=R82+R25 ;Y机床坐标

;*写入R55目标WCS中X、Y、Z、B值至R参数*

$P_UIFR[R55,X,TR]=R88 ;X粗略坐标值

$P_UIFR[R55,X,FI]=0 ;X精确坐标值

$P_UIFR[R55,Y,TR]=R90

$P_UIFR[R55,Y,FI]=0

$P_UIFR[R55,Z,TR]=R89

$P_UIFR[R55,Z,FI]=0

$P_UIFR[R55,B,TR]=R96+R2

$P_UIFR[R55,B,FI]=0

G04 F2

MSG()

G0G90G55B0 ;选用目标坐标系R55并赋值B0

;TRANS Z=100 ;Z向偏移100（调试程序时用）

L1 ;调用子程序

R10=30 ;赋值旋转角度的增量值

R2=R2+R10 ;在原R2角度的基础上每次递增R10度

R3=135 ;循环终止角度

IF R2<=R3 GOTO CJJ

M30

4.2 子程序L1

;子程序命名为L1

T1D1 ;调用刀具、刀补，不同系统T指令表达形式略有差别

G0G90G17

M3S2000

R41=(40-10)/2 ;子程序中R变量不能与主程序里的冲突

R42=(60-10)/2

R43=0

R44=-12

N444

G0X0Y0

G1X=R41F2000

G0X0Y0

R43=R43-0.2

IF R43>=R44 GOTO N444

G0Z500

M17

5 加工应用

5.1 确定工作台旋转中心

（1）X向旋转中心的确定 工作台Z向大约中心处（X向随意）吸附一只千分表，主轴上装一个检验棒，设定此位置为工作台零度。移动机床使检验棒的侧母线与表针接触，移动Y轴找到最高点，记下X向机床坐标MX1。工作台转180°，同上步骤操作使表针读数与0°时保持一致，记下X向机床坐标MX2。那么X向旋转中心坐标即为R30=（MX1+MX2）/2。

（2）Z向旋转中心的确定 工作台Z向大约中心处（X向随意）装一试切工件，B轴设0°。以一把作为基准的刀（为方便后续加刀长补偿）精铣工件的一面，记下Z向机床坐标MZ1，工作台转180°精铣工件的另一面，记下Z向机床坐标MZ2，用千分尺测量试切工件的厚度W，那么Z向旋转中心坐标即为R31=（MZ1+MZ2－W）/2。

5.2 装夹、校正弧形工件

弧形工件按便于加工的任意位置放于工作台上，拉平弧形工件两端并设定B0，以两端和上下分中设定工件坐标系（此为源坐标系），同时检测弧形工件的圆弧是否正确或者是否变形。

5.3 Z向对刀

用测Z向旋转中心时所使用的作为基准的刀，在X0处圆弧最高点对刀Z0。

5.4 加工

调用编制的主程序和子程序进行试加工，检测各个位置是否有加工余量，Z向偏移安全距离后试运行程序。检测之后正式加工，后续用其他刀具加工时只能加刀长补偿，不能再进行对刀。加工过程及成品分别如图7、图8所示。

图7 实际加工过程

图8 加工成品

6 结束语

本文提出了一种工作台旋转任意角度后工件坐标系零点偏置自动补偿的方法，通过图形分析演算、坐标验证、程序编制以及试加工，成功验证其正确性。这种方法解决了工作台旋转后坐标系变化的加工技术难题，一方面能够实现工件的3+1轴自由装夹定位加工，降低对工件装夹、找正的要求，拓展机床的加工能力，优化车间排产；另一方面能够自动将精确的工件坐标系变动偏移值补偿到工件坐标系的零点偏置中，避免旋转工件后的反复找正、对刀，既保证了加工质量，又大大提升加工效率。