带回转刀架的数控机床坐标变换原理及实现方法*

2018-06-21 06:01房小艳黄嵩原

精密制造与自动化 2018年2期

王宇房小艳黄嵩原

（上海机床厂有限公司上海200093）

传统数控机床坐标变换比较简单，根据加工后工件的尺寸及当前显示的机械坐标值得到偏差值，将机床坐标系进行相应的平移得到用户工件坐标系。有些机床甚至不做任何变换，直接利用机床坐标系的值，通过记录特征位置的机床坐标值，来实现数控NC程序编程。这样做有两个弊端，一方面，程序或加工过程可读性弱，数控机床显示的坐标值与加工工件的径向、轴向尺寸或位置没有对应关系；另一方面，如遇到带多刀具的复杂数控机床，使用过程中涉及到频繁更换刀具或者同一刀具转换角度，再寻找特征位置编辑数控程序不切实际。

合理地实现复杂数控机床坐标系统的自动变换，对于机床制造商来说，是用户编程软件开发的基础；对于用户来说，界面显示坐标值直接反映工件加工信息，提高用户操作安全性。

本文阐述了机床通过刀架回转换刀，加工工件坐标系变换原理；结合西门子840Dsl数控系统，给出了坐标变换的实现方法；最后通过试验台模拟验证坐标变换原理的准确性和实现方法的可行性。

1 带回转刀架的数控机床坐标变换原理

高档数控机床通常配置多把刀具，通过回转刀架换刀，加工工件时，通过绕刀架中心回转实现刀具的变换或实现同一刀具回转不同的角度，从而满足加工的需要。

这里研究的数控机床，其回转式刀架通过回转实现刀具定位功能，不参与机床插补运动。机床坐标系指示机床X轴、Z轴的位置，工件坐标系指示刀具参考点相对工件的位置，工件坐标系通过机床坐标系做平移得到，机床坐标系和工件坐标系都建立在机床床身上，只是坐标原点不同。当刀具回转一定角度时，工作区域内刀具的参考点相对于工件的位置发生变化，而X轴、Z轴的机床坐标未变，需要改变坐标变换的平移量，来准确得到刀具参考点相对于工件的位置，即工件坐标系中的位置。

任意刀具从初始位置T1逆时针回转角度θ到达 T2位置，如图 1所示。 ZOX为工件坐标系，WBU为建立在回转刀架上的坐标系，坐标系原点在刀架回转中心上，两个坐标系对应的轴平行。已知刀具初始位置 T1在两个坐标系中的位置信息，若要实现准确的工件坐标系变换，需要求得图中位置T2在工件坐标系中的坐标值。从图1中可以看出，T2相对于T1点，在工件坐标系ZOX中进行了平移，相应的平移量可以在 WBU坐标系下通过坐标回转关系求得。

已知初始位置坐标值、旋转角度，可以计算出绕坐标系原点旋转后点的坐标值，如图1所示，在WBU坐标系下，初始位置坐标值为T1（WT1，UT1），旋转后坐标值为T2（WT2，UT2），坐标原点B（0，0），逆时针旋转角度θ，根据点绕坐标原点旋转的坐标变换原理，有：

T2相对于T1坐标变换量为：

已知初始位置坐标值、X向的平移量、Z向的平移量，可以计算出平移后的坐标值，在工件坐标系下初始位置坐标值为 T1（ZT1，XT1），平移后的坐标值为T2（ZT2，XT2），Z向的平移量为∆Z、X向的平移量为∆X，根据点在坐标平移的坐标变换原理，有：

刀具参考点从T1到T2位置，工件坐标系Z轴、X轴需平移-∆Z、-∆X，由上述关系可以得到，带回转刀架的数控机床工件坐标系的变换量，与刀具参考点在回转刀架上的初始位置及回转的角度相关，与在工件坐标系下的具体位置无关。

图1 刀具绕固定点回转坐标关系图

2 坐标变换实现方法

2.1 应用框架变量变换坐标

不同的数控系统，坐标变换的实现方法和途径不同，本文以西门子840Dsl数控系统为例具体说明，其坐标系分为：机床坐标系（MCS），基准坐标系（BCS），基准零点坐标系（BNS），可设定零点坐标系（ENS），工件坐标系（WCS）。机床坐标系是由实际存在的机床轴构成，基准坐标系是由三条互相垂直的几何轴及其它没有几何关系的轴构成，基准零点坐标系是由基准坐标系通过偏移后建立的坐标系，可设定零点坐标系是由基准零点坐标系设定零点偏移建立的坐标系，工件坐标系是给出工件几何尺寸的直角坐标系。基准坐标系（BCS）变换到基准零点坐标系（BNS）可以用系统变量$P_UBFR设置，基准零点坐标系（BNS）变换到可设定零点坐标系（ENS）可以用系统变量$P_UIFR[]设置，可设定零点坐标系（ENS）变换到工件坐标系（WCS）可以用系统变量$P_PFRAME设置。在没有运动转换时，机床坐标系与基准坐标系一致。坐标系之间的关系如图2所示。

图2 坐标系关系

NC加工程序编写以工件坐标系为基准框架，加工数据依据工件的加工图纸基准尺寸、尺寸公差、形状公差，结合加工工艺文件和零件的实际状况，合理编写加工程序，由于工件中心孔存在加工公差等原因，造成纵向（Z轴方向）坐标偏差，可用纵向定位仪，对参照端面进行测量，计算偏差值，写入系统变量$P_UIFR[]，偏置坐标系，对位置偏差进行补偿，消除工件安装位置和标准工件安装位置的偏差，增强加工程序的适应性。同理，若径向（X轴方向）存在坐标偏差，可以采用同样方法消除。

2.2 应用刀具补偿功能

西门子840Dsl数控系统具有刀具补偿的功能，使用刀具补偿能够实现在NC编程时，根据加工图纸直接编程工件尺寸，无需考虑刀具的几何尺寸、刀沿位置参数。在编程时，先将刀具的长度、半径、刀沿位置、磨损量等信息一起输入到控制系统的刀具补偿存储器中，可以用系统变量$TC_DP[]设置刀具类型参数、刀具长度补偿数据、刀具半径补偿数据、刀具磨损量参数、刀具适配器数据等，在相应的加工程序段调用相应刀具的补偿值，在程序加工过程中，控制系统从刀具补偿存储器中调用刀具补偿参数、结合加工轮廓和刀具运动路径、刀具类型、修正不同的刀具轨迹。刀具系统变量编号的意义如表1所示。

表1 刀具系统变量意义

因为换刀具或者同一刀具回转某一角度，刀具回转后造成刀具参考点的改变，根据坐标变换原理的描述，需要改变由机床坐标系到工件坐标系的平移量，该需求可以通过西门子数控系统刀具补偿功能间接实现。首先通过系统变量$TC_DP1选择刀具类型，然后将根据坐标变换原理计算出的X轴、Z轴坐标差值取相反数写入刀具长度补偿存储器$TC_DP3、$TC_DP4中，运行程序加工时读取对应的刀具补偿值，即可实现工件坐标系的自动补偿变换。

3 试验台模拟验证

刀架回转后，刀具参考点相对位置改变，修改刀具补偿功能的刀具长度补偿存储器的值，其相关计算赋值子程序CAN.SPF如下：

子程序中，参数ATT为变换刀具的编号值，设刀架上有 3 把刀具，编号分别为“1#”、“2#”、“3#”；参数 SUU、SWW 为所换刀具在基准角度位置时，在WBU坐标系下的U轴方向坐标值和W轴方向坐标值，即表征刀具参考点与刀架回转中心的相对位置关系；SBB为所换刀具参考点相对于基准角度位置逆时针回转的角度值。

假设1#刀具T1从其基准位置绕刀架回转中心旋转角度7°，2#刀具T2从其基准位置绕刀架回转中心旋转角度 3°，坐标变换主程序DIAOCAN.MPF如下：