王 宇 房小艷 黃嵩原

（上海機(jī)床廠有限公司 上海200093）

傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)變換比較簡(jiǎn)單，根據(jù)加工后工件的尺寸及當(dāng)前顯示的機(jī)械坐標(biāo)值得到偏差值，將機(jī)床坐標(biāo)系進(jìn)行相應(yīng)的平移得到用戶工件坐標(biāo)系。有些機(jī)床甚至不做任何變換，直接利用機(jī)床坐標(biāo)系的值，通過記錄特征位置的機(jī)床坐標(biāo)值，來實(shí)現(xiàn)數(shù)控NC程序編程。這樣做有兩個(gè)弊端，一方面，程序或加工過程可讀性弱，數(shù)控機(jī)床顯示的坐標(biāo)值與加工工件的徑向、軸向尺寸或位置沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系；另一方面，如遇到帶多刀具的復(fù)雜數(shù)控機(jī)床，使用過程中涉及到頻繁更換刀具或者同一刀具轉(zhuǎn)換角度，再尋找特征位置編輯數(shù)控程序不切實(shí)際。

合理地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)的自動(dòng)變換，對(duì)于機(jī)床制造商來說，是用戶編程軟件開發(fā)的基礎(chǔ)；對(duì)于用戶來說，界面顯示坐標(biāo)值直接反映工件加工信息，提高用戶操作安全性。

本文闡述了機(jī)床通過刀架回轉(zhuǎn)換刀，加工工件坐標(biāo)系變換原理；結(jié)合西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)，給出了坐標(biāo)變換的實(shí)現(xiàn)方法；最后通過試驗(yàn)臺(tái)模擬驗(yàn)證坐標(biāo)變換原理的準(zhǔn)確性和實(shí)現(xiàn)方法的可行性。

1 帶回轉(zhuǎn)刀架的數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)變換原理

高檔數(shù)控機(jī)床通常配置多把刀具，通過回轉(zhuǎn)刀架換刀，加工工件時(shí)，通過繞刀架中心回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)刀具的變換或?qū)崿F(xiàn)同一刀具回轉(zhuǎn)不同的角度，從而滿足加工的需要。

這里研究的數(shù)控機(jī)床，其回轉(zhuǎn)式刀架通過回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)刀具定位功能，不參與機(jī)床插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。機(jī)床坐標(biāo)系指示機(jī)床X軸、Z軸的位置，工件坐標(biāo)系指示刀具參考點(diǎn)相對(duì)工件的位置，工件坐標(biāo)系通過機(jī)床坐標(biāo)系做平移得到，機(jī)床坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系都建立在機(jī)床床身上，只是坐標(biāo)原點(diǎn)不同。當(dāng)?shù)毒呋剞D(zhuǎn)一定角度時(shí)，工作區(qū)域內(nèi)刀具的參考點(diǎn)相對(duì)于工件的位置發(fā)生變化，而X軸、Z軸的機(jī)床坐標(biāo)未變，需要改變坐標(biāo)變換的平移量，來準(zhǔn)確得到刀具參考點(diǎn)相對(duì)于工件的位置，即工件坐標(biāo)系中的位置。

任意刀具從初始位置T1逆時(shí)針回轉(zhuǎn)角度θ到達(dá) T2位置，如圖 1所示。 ZOX為工件坐標(biāo)系，WBU為建立在回轉(zhuǎn)刀架上的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)在刀架回轉(zhuǎn)中心上，兩個(gè)坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的軸平行。已知刀具初始位置 T1在兩個(gè)坐標(biāo)系中的位置信息，若要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的工件坐標(biāo)系變換，需要求得圖中位置T2在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。從圖1中可以看出，T2相對(duì)于T1點(diǎn)，在工件坐標(biāo)系ZOX中進(jìn)行了平移，相應(yīng)的平移量可以在 WBU坐標(biāo)系下通過坐標(biāo)回轉(zhuǎn)關(guān)系求得。

已知初始位置坐標(biāo)值、旋轉(zhuǎn)角度，可以計(jì)算出繞坐標(biāo)系原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)后點(diǎn)的坐標(biāo)值，如圖1所示，在WBU坐標(biāo)系下，初始位置坐標(biāo)值為T1（WT1，UT1），旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)值為T2（WT2，UT2），坐標(biāo)原點(diǎn)B（0，0），逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度θ，根據(jù)點(diǎn)繞坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)變換原理，有：

T2相對(duì)于T1坐標(biāo)變換量為：

已知初始位置坐標(biāo)值、X向的平移量、Z向的平移量，可以計(jì)算出平移后的坐標(biāo)值，在工件坐標(biāo)系下初始位置坐標(biāo)值為 T1（ZT1，XT1），平移后的坐標(biāo)值為T2（ZT2，XT2），Z向的平移量為?Z、X向的平移量為?X，根據(jù)點(diǎn)在坐標(biāo)平移的坐標(biāo)變換原理，有：

刀具參考點(diǎn)從T1到T2位置，工件坐標(biāo)系Z軸、X軸需平移-?Z、-?X，由上述關(guān)系可以得到，帶回轉(zhuǎn)刀架的數(shù)控機(jī)床工件坐標(biāo)系的變換量，與刀具參考點(diǎn)在回轉(zhuǎn)刀架上的初始位置及回轉(zhuǎn)的角度相關(guān)，與在工件坐標(biāo)系下的具體位置無關(guān)。

圖1 刀具繞固定點(diǎn)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)關(guān)系圖

2 坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)方法

2.1 應(yīng)用框架變量變換坐標(biāo)

不同的數(shù)控系統(tǒng)，坐標(biāo)變換的實(shí)現(xiàn)方法和途徑不同，本文以西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)為例具體說明，其坐標(biāo)系分為：機(jī)床坐標(biāo)系（MCS），基準(zhǔn)坐標(biāo)系（BCS），基準(zhǔn)零點(diǎn)坐標(biāo)系（BNS），可設(shè)定零點(diǎn)坐標(biāo)系（ENS），工件坐標(biāo)系（WCS）。機(jī)床坐標(biāo)系是由實(shí)際存在的機(jī)床軸構(gòu)成，基準(zhǔn)坐標(biāo)系是由三條互相垂直的幾何軸及其它沒有幾何關(guān)系的軸構(gòu)成，基準(zhǔn)零點(diǎn)坐標(biāo)系是由基準(zhǔn)坐標(biāo)系通過偏移后建立的坐標(biāo)系，可設(shè)定零點(diǎn)坐標(biāo)系是由基準(zhǔn)零點(diǎn)坐標(biāo)系設(shè)定零點(diǎn)偏移建立的坐標(biāo)系，工件坐標(biāo)系是給出工件幾何尺寸的直角坐標(biāo)系?；鶞?zhǔn)坐標(biāo)系（BCS）變換到基準(zhǔn)零點(diǎn)坐標(biāo)系（BNS）可以用系統(tǒng)變量$P_UBFR設(shè)置，基準(zhǔn)零點(diǎn)坐標(biāo)系（BNS）變換到可設(shè)定零點(diǎn)坐標(biāo)系（ENS）可以用系統(tǒng)變量$P_UIFR[]設(shè)置，可設(shè)定零點(diǎn)坐標(biāo)系（ENS）變換到工件坐標(biāo)系（WCS）可以用系統(tǒng)變量$P_PFRAME設(shè)置。在沒有運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，機(jī)床坐標(biāo)系與基準(zhǔn)坐標(biāo)系一致。坐標(biāo)系之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系關(guān)系

NC加工程序編寫以工件坐標(biāo)系為基準(zhǔn)框架，加工數(shù)據(jù)依據(jù)工件的加工圖紙基準(zhǔn)尺寸、尺寸公差、形狀公差，結(jié)合加工工藝文件和零件的實(shí)際狀況，合理編寫加工程序，由于工件中心孔存在加工公差等原因，造成縱向（Z軸方向）坐標(biāo)偏差，可用縱向定位儀，對(duì)參照端面進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算偏差值，寫入系統(tǒng)變量$P_UIFR[]，偏置坐標(biāo)系，對(duì)位置偏差進(jìn)行補(bǔ)償，消除工件安裝位置和標(biāo)準(zhǔn)工件安裝位置的偏差，增強(qiáng)加工程序的適應(yīng)性。同理，若徑向（X軸方向）存在坐標(biāo)偏差，可以采用同樣方法消除。

2.2 應(yīng)用刀具補(bǔ)償功能

西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)具有刀具補(bǔ)償?shù)墓δ?，使用刀具補(bǔ)償能夠?qū)崿F(xiàn)在NC編程時(shí)，根據(jù)加工圖紙直接編程工件尺寸，無需考慮刀具的幾何尺寸、刀沿位置參數(shù)。在編程時(shí)，先將刀具的長(zhǎng)度、半徑、刀沿位置、磨損量等信息一起輸入到控制系統(tǒng)的刀具補(bǔ)償存儲(chǔ)器中，可以用系統(tǒng)變量$TC_DP[]設(shè)置刀具類型參數(shù)、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償數(shù)據(jù)、刀具半徑補(bǔ)償數(shù)據(jù)、刀具磨損量參數(shù)、刀具適配器數(shù)據(jù)等，在相應(yīng)的加工程序段調(diào)用相應(yīng)刀具的補(bǔ)償值，在程序加工過程中，控制系統(tǒng)從刀具補(bǔ)償存儲(chǔ)器中調(diào)用刀具補(bǔ)償參數(shù)、結(jié)合加工輪廓和刀具運(yùn)動(dòng)路徑、刀具類型、修正不同的刀具軌跡。刀具系統(tǒng)變量編號(hào)的意義如表1所示。

表1 刀具系統(tǒng)變量意義

因?yàn)閾Q刀具或者同一刀具回轉(zhuǎn)某一角度，刀具回轉(zhuǎn)后造成刀具參考點(diǎn)的改變，根據(jù)坐標(biāo)變換原理的描述，需要改變由機(jī)床坐標(biāo)系到工件坐標(biāo)系的平移量，該需求可以通過西門子數(shù)控系統(tǒng)刀具補(bǔ)償功能間接實(shí)現(xiàn)。首先通過系統(tǒng)變量$TC_DP1選擇刀具類型，然后將根據(jù)坐標(biāo)變換原理計(jì)算出的X軸、Z軸坐標(biāo)差值取相反數(shù)寫入刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償存儲(chǔ)器$TC_DP3、$TC_DP4中，運(yùn)行程序加工時(shí)讀取對(duì)應(yīng)的刀具補(bǔ)償值，即可實(shí)現(xiàn)工件坐標(biāo)系的自動(dòng)補(bǔ)償變換。

3 試驗(yàn)臺(tái)模擬驗(yàn)證

刀架回轉(zhuǎn)后，刀具參考點(diǎn)相對(duì)位置改變，修改刀具補(bǔ)償功能的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償存儲(chǔ)器的值，其相關(guān)計(jì)算賦值子程序CAN.SPF如下：

子程序中，參數(shù)ATT為變換刀具的編號(hào)值，設(shè)刀架上有 3 把刀具，編號(hào)分別為“1#”、“2#”、“3#”；參數(shù) SUU、SWW 為所換刀具在基準(zhǔn)角度位置時(shí)，在WBU坐標(biāo)系下的U軸方向坐標(biāo)值和W軸方向坐標(biāo)值，即表征刀具參考點(diǎn)與刀架回轉(zhuǎn)中心的相對(duì)位置關(guān)系；SBB為所換刀具參考點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)角度位置逆時(shí)針回轉(zhuǎn)的角度值。

假設(shè)1#刀具T1從其基準(zhǔn)位置繞刀架回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)角度7°，2#刀具T2從其基準(zhǔn)位置繞刀架回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)角度 3°，坐標(biāo)變換主程序DIAOCAN.MPF如下：

在西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行上述主程序模擬驗(yàn)證，按模擬試驗(yàn)設(shè)定及坐標(biāo)變換原理，刀架旋轉(zhuǎn)前后相應(yīng)刀具參考點(diǎn)工件坐標(biāo)變換信息如表 2所示。圖 3、圖 4所示刀具的參考點(diǎn)坐標(biāo)。X軸坐標(biāo)反映工件徑向尺寸，選用直徑編程。

表2 模擬試驗(yàn)工件坐標(biāo)信息表

圖3 1#刀具T1參考點(diǎn)坐標(biāo)

圖4 2#刀具T2參考點(diǎn)坐標(biāo)

通過驗(yàn)證理論計(jì)算與實(shí)際程序運(yùn)行值一致，說明以上計(jì)算方法及程序正確，解決了坐標(biāo)變化的難題，達(dá)到了預(yù)期的目的。在后續(xù)的機(jī)床實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有更加豐富的實(shí)踐，將對(duì)帶回轉(zhuǎn)刀架的數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)變換有更加深入的理解。

4 結(jié)語

本文給出了帶回轉(zhuǎn)刀架數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)原理和方法，并通過特殊值代入法驗(yàn)證了結(jié)果，在西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上模擬了實(shí)現(xiàn)過程，解決了該類應(yīng)用下坐標(biāo)變換的難題，為這類機(jī)床提供了一個(gè)很好的解決方法和思路，加快了電氣調(diào)試的進(jìn)程，方便用戶更好地理解和使用機(jī)床，增加了加工程序的適應(yīng)性。

[1]SINUMERIK 840D sl/828D: 基礎(chǔ)部分:編程手冊(cè)[M].Siemens,2013.

[2]SINUMERIK 840D sl/828D:工作準(zhǔn)備部分:編程手冊(cè)[M].Siemens ,2013.

[3]SINUMERIK 840D sl / 828D: Fundamentals Programming Manual[M].Siemens ,2011.

[4]SINUMERIK 840D sl/828D :Job planning Programming Manual[M].Siemens ,2011.

[5]SINUMERIK 840D sl: System variable Parameter Manual[M].Siemens,2011.