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四轴加工中心旋转工作台任意点位的坐标系跟踪 田东缙 柴新建 于宏昭 中国航发西安动力控制科技有限公司六〇分厂 西安 710077 60分厂 84675174 摘要：本文针对四轴卧式加工中心的零点跟随功能，以FANUC、SIMENS系统为研究对象，开发编制宏程序，通过加工中心极坐标编程功能，建立数学模型，基于转台中心自动计算极径、极角，并将数学模型转化为宏程序，进而实现FANUC、SIMENS系统中，工件坐标系与转台中心不重合时，任意位置点位坐标系跟踪功能。 关键词：旋转；建模；零点跟踪；宏程序； Abstract: This article in view of the four axis zero follow of the horizontal machining center, with FANUC、SIMENS system as the research object, the macro program is developed by processing center coordinates programming function, establish mathematical model, based on the turntable center automatic calculation diameter , polar angle , and the mathematical model into macro program , and then realize the FANUC、SIMENS system , work-piece coordinate system and the turntable center does not , at any position tracing point coordinate system。 Key Words: Rotation Modeling Zero tracking The macro program 一. 问题描述 采用四轴卧式加工中心加工零件时，如果工件坐标系与工作转台的回转中心[1]位置不重合，转台转动一定角度后，工件坐标系相对于机床坐标系的位置就会发生改变，由于FANUC18i、SIMENS840D系统没有零点系统跟踪指令，需要编程人员计算旋转后的工件坐标系或根据旋转后的情况重新建立工件坐标系[2]，计算过程复杂，容易出现错误。如图1所示，定位基准与转台中心不重合。 通常情况下，大多数采用设多个坐标系的方法，也可以通过计算机辅助作用找点的方法，但结合实际加工零件的特点，这种方法，耗时费力，而且跟工艺沟通不好，容易出错，这里重点介绍，一种基于数学模型的宏程序自动换算和转移工件坐标系的方法，可使CNC数控系统根据数控程式自动运算出结果，并通过偏移的方式建立新的坐标系统，因卧式加工中心机床Y方向的坐标值不会随着转台的旋转而发生变化，所以我们要换算的坐标实际上只有X、Z轴上的坐标。 file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps1.pngfile:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps2.pngfile:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps3.pngfile:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps4.pngfile:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps5.png 图1 定位基准与转台中心不重合 二. 实施过程 1. 建立数学模型 首先坐标系跟随我们要达到的目的，旋转后的某一点点位在工件坐标系中的直角坐标值，根据这个目的我们建立数学模型，如图2所示。 file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps6.jpg 图2 旋转后的坐标 O为转台中心，转位前的工件坐标为1点，在转台旋转一个角度A后（顺时针旋转A为正值，逆时针旋转为负值）1点在转台上的位置为2点（X2 ,Z2）通过数学关系我们可以求出X2和Z2的数值（X1,Z1）(X2,Z2)均是以转台中心为原点建立的直角坐标系中的坐标值。 建立几何模型，通过三角函数运算可得： X2=SQRT(X1×X1+Z1×Z1)×SIN［ATAN(X1/Z1)-A］ Z2=SQRT(X1×X1+Z1×Z1)×COS［ATAN(X1/Z1)-A］ 上式中X1 、Z1坐标我们可以通过1点和转台中心O点相对于机床坐标系零点的位置坐标求出，即通过这两点在机床坐标系（m）的坐标进行运算，方法如下： X1=X1m-X0m Z1=Z1m-Z0m 通过以上数学运算就可以求出，2点相对于转台的坐标。 FANUC系统宏程序的编制及应用方法 根据以上数学模型的运算，利用机床CNC的宏程序编程语言，将数学运算转换为数控程序，并将该程序固化在CNC存储器中，通过机床运行程序自动计算处转台旋转后的新坐标，并为新坐标的偏移实现跟踪，具体宏程序如下：（HX504机床转台中心在机床坐标系中的位置为固定的X=-381 Z=-919.957） file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps7.jpg 图3 坐标旋转示例 O999 #27=#24+381+#21 (求X1) #28=#26+919.957+#23 (求Z1) #29=SQRT［#27*#27+#28*#28］ (求出旋转半径) #30=ATAN［#27］/［#28］ (求初始角度) #31=#29*SIN［#30-#1］ (求X2) #32=#29*COS［#30-#1］ (求Z2) #15=#31-［#24+381］ (2点对1点X方向的矢量) #16=#32-［#26+919.957］ （2点对1点Z方向的矢量） G52 X#15 Z#16 （利用局部坐标偏移功能设置新工件坐标） M99（宏程序结束） 程序中“#”各变量是对应字母如下 #24-X #26-Z #21-U #23-W #1-A,分别代表前文中提到的X1m,Z1m。相对失量U,W和角度A，其它变量是为了便于计算而设的过度变量。 在具体应用时，只需要将原坐标点值及旋转角度赋值即可，适合于直角坐标系下任何象限的旋转变换，计算精确，调用方便，结果可靠。值得注意的是，如果工件坐标系X坐标设在了X轴向上，z1=0，使得三角函数运算中分母为零，此程序会产生报警，所以装夹夹具时要避免将零点设在X轴上。 调用时，只需在主程序中加入G65 P999 X_ Z_ U_ W_ A_。X Z 为旋转前的工件坐标系（X1m ,Z1m） u， w为坐标系如果需要转移的情况下的附加偏移量A为转台旋转的角度。 3、 SIEMENS系统宏程序的编制及应用方法 零点跟随功能的实现，通常情况下，操作者一般 将工件的初始零点输入到G54中，HELLER机床零点为X0Y0Z0,且与工作台回转中心重合。 参数应用范围：R100,R101对应X轴，R200,R201对应Z轴。 子程序 L1000; N10 R111=SQRT((R100+R101)*(R100+R101)+(R200+201)*(R200+201)) （求出工件坐标点与旋转中心的距离值） N20 R112=ATAN2((R100+R101),(R200+201)) (求出工件坐标点与在以旋转中心为原点的坐标系中的夹角) N30 IF(R100>=0)GOTON50 N40 R113=(180-R113) N50 R114=R111*SIN(R112-R113) （将零件加工坐标点在以旋转中心为原点的坐标在X方向上的矢量） N60 R115=(R300+R301) (Y向矢量叠加) N70 R500=R111*COS(R112-R113) （将零件加工坐标点在以旋转中心为原点的坐标在Z方向上的矢量） N80 $ [30] (X , R114 , Z , R500 , B , R113) （最终将系统所计算的点位直接赋值给G530坐标系） N90 RET; 说明：N30﹑N40需要判断角度的旋转方向是否与规定的旋转轴政府性一致，如果不一致取其补交。 三. 宏程序应用 如图4所示，加工20度斜油路孔时，工件坐标系零点与转台中心不重合，应用旋转工作台任意点位的坐标系跟踪功能可以进行数控程序的快速编制。 file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps8.jpg 图4 油路孔加工实例验证 1、FANUC宏程序应用实例： O0116 G40 G49 G80; G17 G59 T3M6S2000 F100; G0 B-20; (工作台旋转-20度) G65 P9999 X-187.827 Z-623.957 U6 W26 A-20; （调用宏程序9999，工件坐标系X-187.827 Z-623.957） G0 X0Y0 M13; (定义点位) G0 G43 Z30 H03 （Z向进给）; G98 G81 X0Y25 Z-2.5 R3; G0 Z200; G40 G49 G80; G52 X0 Y0 Z0; （取消坐标系偏置） 2、SIMENS宏程序应用实例： N10 G53G90Z500 N20 R101=-187.827 R201=-623.957 R301=400.235 R501=80.53 X Z (以上为夹具零点在机床坐标系找正值) N30 R100=6 R200=26 R300=25 R113=-20 X Z B (以上为图纸上的坐标矢量值) N40 L1000（宏调用，计算工作台转R113后新旧工件原点的偏差值，并且将新的零点赋值给G530，此时机床并未动作） N45 T01M06 N50 G530 G90 G0 Z400 N60 G530 G0 B=R113 N80 G0 X0 Y25 S2000 M3 N90 Z100 M08 N100 …正常编程… (\\\ 模块中Z值赋值为0 ) N110 G53G90 G0 Z400 M5 M9 N120 ……………… 四. 应用效果 在实际生产中，通过宏程序实现在数控机床旋转工作台上任意点位的坐标跟踪具有较强的实际意义，体现处以下优势： 1. 简化计算，简化编程 避免了在计算机辅助设计软件中旋转CAD模型以求得各点位的坐标，页省去了使用计算机辅助 制造软件编制CAM刀具路径，只需要手工编程的方式就可以达到目的，节省了投入和时间，大幅度提高编程效率。 2. 提高找正效率，降低工人劳动强度。 一次装夹只需一次找正一个基准面，在根据图纸尺寸关系和角度关系，即可准确定位刀具在其它点位饿坐标，避免了因不同加工面而采用不同的找正基准面的方式来加工，极大地减轻了人工劳动强度，同时大大减少了停机设定调试的时间。 3. 扩展数控系统功能，提升四轴机床的应用水平。 使用宏程序变换坐标旋转，并通过修改系统参数，设定为用户可以使用的G代码，在编制程序时简单快捷，在查阅程序时一目了然，丰富了用户功能代码，扩展了系统功能。 五．结束语 通过对FANUC、SIMENS宏程序的应用，实现了四轴卧式加工中心的零点跟随功能，扩大了数控机床的功能，利用宏程序较强的数学与逻辑运算能力，针对某一类相似零件编制出具有“柔性”的加工程序，准，快，好的完成生产加工，进而提升数控机床的应用水平，为以后的宏程序应用开拓了思路。 田东缙 （1980-）职称：高级工程师，行业：机械加工，研究方向：壳体类零件的加工技术。
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