1 引言

　　龍門(mén)鏜銑床采用滑枕主軸結(jié)構(gòu)，在滑枕端面配有拉爪機(jī)構(gòu)，可自動(dòng)更換各種附件銑頭，其中自由分度的直角銑頭是大多數(shù)機(jī)床的必選功能附件，可用于工件四周的斜面分度加工。運(yùn)用西門(mén)子三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換也即CYCLE800功能，不僅能實(shí)現(xiàn)斜面分度加工，還可實(shí)現(xiàn)尺寸鏈及精度的補(bǔ)償，以及各類加工和測(cè)量循環(huán)方面的應(yīng)用。

　　2 使用需求分析

　　為了加工工藝需要，數(shù)控機(jī)床通常會(huì)擴(kuò)展配備各種附件銑頭，滑枕通過(guò)附件拉緊機(jī)構(gòu)能自動(dòng)拉緊各種附件銑頭，同時(shí)通過(guò)內(nèi)置C軸自動(dòng)轉(zhuǎn)位裝置實(shí)現(xiàn)附件銑頭自動(dòng)分度。附件銑頭主要用于五軸定向加工,尤其是固定軸”3+2”銑削的應(yīng)用, 三維坐標(biāo)變換主要是解決五軸定向加工的難題,所謂五軸定向加工,是指五軸數(shù)控機(jī)床中的三個(gè)線性軸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),其余兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行定向。

　　此技術(shù)主要通過(guò)西門(mén)子的擺動(dòng)CYCLE800功能,將坐標(biāo)系平移、旋轉(zhuǎn)、再平移以及軸定位和軸復(fù)位等功能合理地結(jié)合為一個(gè)模塊,實(shí)現(xiàn)空間工件坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn),將工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)移到當(dāng)前需要加工的傾斜面上,軸回轉(zhuǎn)時(shí),生效的零點(diǎn)和刀具補(bǔ)償會(huì)自動(dòng)換算成適合回轉(zhuǎn)狀態(tài)的值,并形成新的坐標(biāo)系,有效地降低了五軸定向加工的編程難度。開(kāi)發(fā)此項(xiàng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能,可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜平面加工的快速編程,而不需要特別計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸的位置及尺寸.回轉(zhuǎn)平面后刀具與被加工表面始終保持垂直,便于直接使用平面加工中可用的所有鉆削、銑削及測(cè)量循環(huán).就算復(fù)位或掉電后也可保持回轉(zhuǎn)框架,便于從傾斜平面中沿刀軸方向回退刀具。

　　圖1

　　下面用圖1來(lái)進(jìn)行分析說(shuō)明：

　　加工分析：在工件的上表面，加工XY平面，即G17平面，使用立式銑頭，Z進(jìn)給;而在側(cè)面如圖所示位置，加工XZ平面，即G18平面，Y進(jìn)給，使用直角銑頭加工。

　　如果不使用空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換( CYCLE800 )功能，當(dāng)由上表面切換到加工側(cè)面時(shí)，需要重新對(duì)刀，程序需要修改如下：G17改為G18，Z向編程進(jìn)給改為Y向編程進(jìn)給，銑圓或銑面程序都需要按加工面重新修改，非常麻煩。

　　由此可知，改變加工平面后，所有的編程都隨之改變， 且所有的加工循環(huán)也都需要隨之修改，加工過(guò)程人為中斷， 無(wú)法達(dá)到全自動(dòng)無(wú)人化加工的目標(biāo)。

　　3 西門(mén)子系統(tǒng)CYCLE800應(yīng)用場(chǎng)合

　　按機(jī)床的結(jié)構(gòu)可歸納為以下三種類型，如圖2所示。

　　1. 類型T:擺動(dòng)刀具.兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致刀具朝向的變化(能改變另一軸所定義角度的軸為第一旋轉(zhuǎn)軸)

　　2.類型P:擺動(dòng)工作臺(tái).工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致刀具相對(duì)工件朝向的變化(能改變另一軸所定義角度的軸為第一旋轉(zhuǎn)軸)

3.類型M:擺動(dòng)刀具+擺動(dòng)工作臺(tái)(刀具軸為第一旋轉(zhuǎn)軸)使用CYCLE800時(shí)，程序與機(jī)床結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。但機(jī)床數(shù)據(jù)的設(shè)置與結(jié)構(gòu)相關(guān)。在本篇里，所講述的附件銑頭為立式加長(zhǎng)銑頭和直角銑頭，歸屬為第一種，屬于擺動(dòng)刀具類型T。

　　4 附件銑頭CYCLE800尺寸鏈配置

　　本文介紹的附件銑頭，以一臺(tái)龍門(mén)移動(dòng)式銑床上應(yīng)用的加長(zhǎng)銑頭1以及直角銑頭2為例，如圖所示，兩個(gè)銑頭裝于附件庫(kù)內(nèi)，此附件庫(kù)固定于工作臺(tái)行程的最遠(yuǎn)端，龍門(mén)可移動(dòng)至銑頭上方，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換附件銑頭。此臺(tái)龍門(mén)銑床還配備了雷尼紹RMP60工件測(cè)頭，RMP60是新一代無(wú)線電工件測(cè)量系統(tǒng)，非常適合大型加工中心或測(cè)頭與接收器之間的光信號(hào)傳輸被遮擋的場(chǎng)合，用于加工中心上的工件測(cè)量和工件找正。無(wú)線電傳輸無(wú)需光信號(hào)，可穿透極小的間隙和機(jī)床窗口，因此安裝簡(jiǎn)便，安裝在機(jī)床外罩的內(nèi)部和外部均可。使用RMI-Q集成接口/接收器(安裝固定在立柱上)在RMP60 測(cè)頭(放在刀庫(kù)里，需要的時(shí)候當(dāng)做一把刀具調(diào)用即可)和機(jī)床控制器之間進(jìn)行通訊。為了適用于立式和臥式測(cè)量，因此設(shè)計(jì)了三面可用于校準(zhǔn)的已知直徑的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)測(cè)量裝置， 可分別在XY、XZ、YZ平面進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)試試驗(yàn)，這個(gè)校準(zhǔn)要使用附件銑頭智能化自動(dòng)化加工，必須在數(shù)控系統(tǒng)里事先開(kāi)發(fā)好CYCLE800功能，本文對(duì)使用的加長(zhǎng)銑頭(TC1)和直角銑頭(TC2)為例，對(duì)附件銑頭進(jìn)行正確設(shè)置和尺寸輸入。首先需要測(cè)量出附件銑頭在坐標(biāo)系三個(gè)方向上的尺寸，立式銑頭只有Z向一個(gè)尺寸，而直角銑頭一般有兩個(gè)方向的尺寸。直角銑頭的尺寸經(jīng)過(guò)測(cè)量后如圖4所示。

圖2

　　圖3

裝置安裝在附件庫(kù)內(nèi)如圖3所示。

機(jī)床要使用附件銑頭才能進(jìn)行加工，為便于計(jì)算和設(shè)置，以刀架抓取立式加長(zhǎng)銑頭后的下端面為基準(zhǔn)加工面，立式加長(zhǎng)銑頭Z向的尺寸就設(shè)置為0，如圖5所示。直角銑頭有兩個(gè)方向的尺寸，需要轉(zhuǎn)位加工，除了實(shí)際的C軸，還需要虛擬一個(gè)B軸，在C處于0度方向位置時(shí)，相當(dāng)于B軸繞Y軸旋轉(zhuǎn)90度。直角銑頭的Z向(362.4mm)與立式加長(zhǎng)銑頭Z向　(362.0mm)的差值0.4mm填到offset i2的對(duì)應(yīng)Z里，Y向的尺寸255.28填到offset i3的對(duì)應(yīng)Z里，如圖6、圖7所示。

圖4

　　圖5

　　圖6

　　做好附件銑頭的配置后，就可以在NC加工程序里直接調(diào)用了，如圖8所示。

　　5 附件直角銑頭的轉(zhuǎn)位誤差補(bǔ)償

　　直角銑頭經(jīng)常會(huì)用到4X90度的4個(gè)方向的加工，而影響直角銑頭加工精度除了主軸端部的跳動(dòng)、主軸錐孔軸線對(duì)滑枕移動(dòng)的垂直度、平行度外，還需要檢查4X90度時(shí)銑頭主軸錐孔軸線的調(diào)頭精度，這些精度都是幾何精度，特別是調(diào)頭精度誤差很難通過(guò)機(jī)械調(diào)整的方法完全消除，因此需要通過(guò)電氣補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)予以彌補(bǔ)這一誤差。

　　圖7

　　理論上，直角銑頭的C軸的回轉(zhuǎn)中心軸線和滑枕主軸的回轉(zhuǎn)中心軸線是重合的，但是由于機(jī)械誤差，導(dǎo)致當(dāng)C軸轉(zhuǎn)位后，中心會(huì)在X、Y、Z坐標(biāo)方向上可能均有誤差，在此，可以通過(guò)CYCLE800的尺寸補(bǔ)償功能來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)誤差。首先需要工藝部門(mén)通過(guò)一定的工藝手段測(cè)量出直角銑頭在4X90度的四個(gè)方向上的誤差，將此誤差值填到自定義變量表里，如圖9 所示。

　　變量說(shuō)明：ZJXT_A0[0]代表直角銑頭在0度位置時(shí)，X偏量上的誤差，依此類推。

　　然后通過(guò)電氣執(zhí)行一段帶補(bǔ)償計(jì)算的宏程序TC_SE，自動(dòng)將此誤差分別設(shè)置到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換框圖里，宏程序TC_SE按0 度、90度、-90度、180度這4個(gè)轉(zhuǎn)位角度分別將誤差值寫(xiě)到系統(tǒng)變量$TC_CARR1[2]、$TC_CARR2[2]、$TC_CARR3[2]里，這3個(gè)系統(tǒng)變量分別對(duì)應(yīng)直角銑頭調(diào)頭后在X、Y、Z方向上的誤差。設(shè)計(jì)的補(bǔ)償宏程序TC_SE如下：

　　N10 STOPRE N20 G500 N30 D0

　　N40 CYCLE800()

　　N50 IF $A_IN[1]==1 GOTOF TC11 N60 IF $A_IN[2]==1 GOTOF TC21 N70 TC21:

　　圖8

　　圖9

　　N80 $TC_CARR1[2]=0.0 N90 $TC_CARR2[2]=0.0 N100 $TC_CARR3[2]=0.0

　　N110 IF (WZ[0]==180)OR(WZ[0]==-180) GOTOF APOS

　　N120 IF (WZ[0]==-90) GOTOF BPOS N130 IF (WZ[0]==90) GOTOF CPOS N140 IF (WZ[0]==0) GOTOF DPOS N150 TC11:

　　N160 $TC_CARR1[1]=0.0

　　N170 $TC_CARR2[1]=0.0 N180 $TC_CARR3[1]=0.0 N190 GOTOF ECPS

　　N200 APOS:IF $A_IN[1]==1 GOTOF TC1 N210 IF $A_IN[2]==1 GOTOF TC2

　　N220 GOTOF ECPS N230 TC2:

　　N240 $TC_CARR2[2]=ZJXT_A180[1] N250 $TC_CARR1[2]=ZJXT_A180[0] N260 $TC_CARR3[2]=ZJXT_A180[2] N270 GOTOF ECPS

　　N280 TC1:

　　N290 $TC_CARR1[1]=JCXT_A180[0] N300 $TC_CARR2[1]=JCXT_A180[1] N310 $TC_CARR3[1]=JCXT_A180[2] N320 GOTOF ECPS

　　N330 BPOS:IF $A_IN[1]==1 GOTOF BTC1 N340 IF $A_IN[2]==1 GOTOF BTC2 N350 GOTOF ECPS

　　N360 BTC2:

　　N370 $TC_CARR2[2]=ZJXT_A_90[1] N380 $TC_CARR1[2]=ZJXT_A_90[0] N390 $TC_CARR3[2]=ZJXT_A_90[2] N400 GOTOF ECPS

　　N410 BTC1:

　　N420 $TC_CARR1[1]=JCXT_A_90[0] N430 $TC_CARR2[1]=JCXT_A_90[1] N440 $TC_CARR3[1]=JCXT_A_90[2] N450 GOTOF ECPS

　　N460 CPOS:IF $A_IN[1]==1 GOTOF CTC1 N470 IF $A_IN[2]==1 GOTOF CTC2

　　N480 GOTOF ECPS N490 CTC2:

　　N500 $TC_CARR2[2]=ZJXT_A90[1] N510 $TC_CARR1[2]=ZJXT_A90[0]

　　N520 $TC_CARR3[2]=ZJXT_A90[2] N530 GOTOF ECPS

　　N540 CTC1:

　　N550 $TC_CARR1[1]=JCXT_A90[0] N560 $TC_CARR2[1]=JCXT_A90[1] N570 $TC_CARR3[1]=JCXT_A90[2] N580 GOTOF ECPS

　　N590 DPOS:IF $A_IN[1]==1 GOTOF DTC1 N600 IF $A_IN[2]==1 GOTOF DTC2

　　N610 GOTOF ECPS N620 DTC2:

　　N630 $TC_CARR2[2]=ZJXT_A0[1] N640 $TC_CARR1[2]=ZJXT_A0[0] N650 $TC_CARR3[2]=ZJXT_A0[2] N660 GOTOF ECPS

　　N670 DTC1:

　　N680 $TC_CARR1[1]=JCXT_A0[0] N690 $TC_CARR2[1]=JCXT_A0[1] N700 $TC_CARR3[1]=JCXT_A0[2] N710 GOTOF ECPS

　　N720 ECPS:M17

　　將此宏程序嵌入到直角銑頭的轉(zhuǎn)位宏程序ZW(n)里， 這樣，在每次轉(zhuǎn)位后自動(dòng)就將直角銑頭的調(diào)頭誤差值寫(xiě)到了系統(tǒng)變量里，在執(zhí)行CYCLE800指令后就會(huì)自動(dòng)生效該補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了這一補(bǔ)償原理。

　　6 CYCLE800應(yīng)用于測(cè)量循環(huán)

　　立式加長(zhǎng)銑頭用于常規(guī)的XY平面測(cè)量校準(zhǔn)，無(wú)須使用三維坐標(biāo)變換功能，直接調(diào)用雷尼紹的測(cè)量循環(huán)程序即可。而對(duì)于側(cè)面的XZ、YZ平面，則必須使用直角銑頭通過(guò)轉(zhuǎn)位后， 抓取位于刀庫(kù)里的工件測(cè)頭來(lái)進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)，如圖10所示。

　　沒(méi)有CYCLE800空間坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)功能之前，很多循環(huán)程序使用時(shí)，需要對(duì)每個(gè)平面的測(cè)量人為地修改，比如測(cè)量基于的平面：按實(shí)際情況G17需要改為G18或G19;測(cè)量的機(jī)床軸也要對(duì)應(yīng)平面進(jìn)行修改，包括刀具測(cè)量補(bǔ)償對(duì)應(yīng)的軸?？傊?，只要加工或測(cè)量的平面變了，所有與之相關(guān)的設(shè)置都要隨之更改，非常麻煩。而當(dāng)有了CYCLE800功能之后，只需在原有的循環(huán)程序前面加上一句CYCLE800的代碼，然后在循環(huán)程序里稍加修改輸出的對(duì)應(yīng)補(bǔ)償軸即可，所有的問(wèn)題就都迎刃而解了，不需要再像之前那樣修改很多參數(shù)和代碼。

　　圖 10

　　例如對(duì)圖所示YZ平面的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)測(cè)量?jī)?nèi)孔，測(cè)內(nèi)孔程序如下：

　　G54 T120

　　CYCLE800(0,"TC2",110000,27,0,0,0,-90,0,90,0,0,0,0, 100,1)

　　G01G90X0Y0Z0F1000 M68

　　L9800 R0=2R7=40R19=55 L9901

　　注：在使用測(cè)頭測(cè)量工件時(shí)，首先需要對(duì)測(cè)頭進(jìn)行標(biāo)定，也就是對(duì)測(cè)頭探針的半徑、偏心、長(zhǎng)度等做一個(gè)校準(zhǔn)。

　　7 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)西門(mén)子CYCLE800功能的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，對(duì)數(shù)控機(jī)床配備的附件銑頭進(jìn)行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換不僅實(shí)現(xiàn)了斜面加工、附件銑頭尺寸鏈及精度補(bǔ)償，保證了加工精度，也實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化智能化生產(chǎn)的要求。