基于四轴卧式加工中心的多零点自动设置

2022-09-11

一、前言

在加工中心、数控铣等类机床四轴卧式加工的零件中, 经常会遇到这样一类零件的加工情况, 就是;为了编程、调试、加工的方便, 通常会使每一个被加工的表面与机床主轴垂直时, 设置一个对应的加工坐标系。

如上图所示的多个被加工表面, 分别要确定多个对应的加工坐标系, 对应的零偏值分别被存入到相应的G54--G59零偏值定义中。

以上多个零点的确定与设置, 通常的办法就是用测量找正工具逐一进行确定与设置而得到。这种逐一确定与设置的方法是比较繁琐的, 且无法保证加工精度。

因此, 如何在零件重复装夹定位精度不高的情况下, 利用较简便的测量找正, 同时快速而准确地确定与设置各加工表面的坐标系原点即工件零点, 将是提高加工精度、提高加工效率的关键问题之一。

二、方案的确定

在数控机床的加工区域内, 我们可以看到如下图2所示的几个点:

——机床坐标系原点Mo;

——NC转台旋转中心Onc;

——工件坐标系原点 (即工件零点) W;

其中M、Onc为机床固定的坐标位置, 相应的机床均有其固定的常数值。在工件坐标系XWZ中, 其A、B、C、D、E、F、G诸点的相互位置也均为常数。所以, 只有工件坐标系原点W点因工件在机床工作台面上的摆放位置不同, 其在机床坐标系XMo Z中的坐标值是个变量值。

总的来说, 如果我们确定了工件上某一点 (如A点称为基准点) 在机床坐标系中的坐标位置, 那么通过坐标变换计算, 我们便可以得到其它相应被加工表面坐标原点的位置, 即零偏值。

整个零点偏值的确定与设置过程

1、首先已知NC转台中心在机床坐标系XMZ中的坐标位置Xnc、Znc;

2、确定工件上某一工件坐标系零点作为基准点,

3、通过测量与找正的方法将该基准点在机床坐标系XMZ中的坐标位置确定下来, 作为工件基准点的零偏值;该零偏值的确定方法有:

——工件重复装夹定位精度较高时, 可用任何一种测量与找正的方法和量具测得首件之基准点的零偏值。

——工件无准确定位时, 则必须每件确定一次基准点的零偏值, 因此, 最好使用机床的自动测量装置。

4、计算出工件其它被测各点相对于工件基准点的坐标数值;

5、根据已知的上述几种数值, 应用坐标转换公式计算出相应各被加工表面坐标系原点的在机床坐标系XMo Z中的坐标值;

6、将各被求得的零偏值存入零偏值存储器中, 以便加工相应表面时调用。

注:在确定的X、Y、Z、B四个坐标值中, 当基准点零的偏值被确定之后, 其它各点零偏值中只有X、Z坐标值发生坐标旋转, 而Y、B坐标值只发生坐标平移。

三、公式的推导

1、基本公式:

在平面几何坐标旋转计算中, 通常我们都是将其一轴与水平方向平行的坐标轴作为原始坐标系, 而把旋转后的坐标系称为新的坐标系。

但在数控加工中, 由于其X轴要始终与刀具所在轴垂直, 所以, 根据需要我们应把常规中旋转后新的坐标系, 看作一个原始坐标系 (X`OZ`) , 被计算点A在这一坐标系中的位置可看作已知 (X`1、Z`1) ;而把X轴与水平方向平行时的坐标系看作新的坐标系, 求A点在XOZ坐标系中的坐标位置。

已知:A点在X`OZ`坐标系中的坐标值X`1、Z`1, 将坐标系X`OZ`逆时针旋转至坐标系XOZ时, 求A点在坐标系XOZ中的坐标值X1、Z1。

如图3所示, 利用A点在各坐标轴上的投影, 我们便可直观地求得A点在坐标系XOZ中的坐标值。

如果坐标系按顺时针旋转一个角度时, 可得到:

又因θ角逆时针旋转为正值, 顺时针旋转为负值;且:

所以我们可以得到坐标系按任意方向旋转时的X1、Z1。

基本公式:

2、应用公式

因数控机床在多表面内容加工时, 均以其NC转台中心轴 (如B轴) 为其回转中心;工件在安装在工作台上后, 须首先确定工件上某一基准点相对于机床坐标系的坐标值, 该值可称为基准零偏值;而工件上其它各点的相对该基准点的坐标值固定不变;因此, 我们需要将工件上各坐标系的原点参照同一个中间坐标系作为基准, 由于NC转台中心的坐标值相对于机床坐标系为常数, 而工件上各被求坐标系原点均绕转台中心旋转, 于是我们可将NC转台中心为原点的坐标系Xo Z作为一个中介基准坐标系, 这样会使计算过程简化许多。

如图4所示, 根据各坐标系之间的相互关系及已知的坐标值, 我们可以求得在Xo Z坐标系中, 某被求点B的坐标值为:

根据ISO/841数控机床坐标系统标准之数控机床转轴的右手规则规定, B轴逆时针旋转为正, B轴顺时针旋转为负, 所以B轴坐标值与θ角方向相同且大小相等。考虑到确定的基准点的零偏值中的B轴坐标值存在有一个初始值Bo, 因此, 当以Bw (=θ) 作为被求点的角向偏转值时, 该被求点在机床坐标系中坐标值为:

所以, 将式2、Bw=θ代入公式1中, 得到某被求点B随NC转台旋转一个θ角后在Xonc Z坐标系中的新的坐标为:

利用坐标平移的方法可得到:点B随NC转台旋转一个Bw角后, 在机床坐标系 (XMo Z) 中坐标值为:

将公式1、式3、式4合并后得: