1 引言

　　龍門鏜銑床采用滑枕主軸結構，在滑枕端面配有拉爪機構，可自動更換各種附件銑頭，其中自由分度的直角銑頭是大多數機床的必選功能附件，可用于工件四周的斜面分度加工。運用西門子三維坐標轉換也即CYCLE800功能，不僅能實現斜面分度加工，還可實現尺寸鏈及精度的補償，以及各類加工和測量循環方面的應用。

　　2 使用需求分析

　　為了加工工藝需要，數控機床通常會擴展配備各種附件銑頭，滑枕通過附件拉緊機構能自動拉緊各種附件銑頭，同時通過內置C軸自動轉位裝置實現附件銑頭自動分度。附件銑頭主要用于五軸定向加工,尤其是固定軸”3+2”銑削的應用, 三維坐標變換主要是解決五軸定向加工的難題,所謂五軸定向加工,是指五軸數控機床中的三個線性軸實現聯動,其余兩個旋轉軸進行定向。

　　此技術主要通過西門子的擺動CYCLE800功能,將坐標系平移、旋轉、再平移以及軸定位和軸復位等功能合理地結合為一個模塊,實現空間工件坐標系的旋轉,將工件坐標系轉移到當前需要加工的傾斜面上,軸回轉時,生效的零點和刀具補償會自動換算成適合回轉狀態的值,并形成新的坐標系,有效地降低了五軸定向加工的編程難度。開發此項坐標轉換功能,可以方便地實現對傾斜平面加工的快速編程,而不需要特別計算旋轉軸的位置及尺寸.回轉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、銑削及測量循環.就算復位或掉電后也可保持回轉框架,便于從傾斜平面中沿刀軸方向回退刀具。

　　圖1

　　下面用圖1來進行分析說明：

　　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進給;而在側面如圖所示位置，加工XZ平面，即G18平面，Y進給，使用直角銑頭加工。

　　如果不使用空間坐標轉換( CYCLE800 )功能，當由上表面切換到加工側面時，需要重新對刀，程序需要修改如下：G17改為G18，Z向編程進給改為Y向編程進給，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， 且所有的加工循環也都需要隨之修改，加工過程人為中斷， 無法達到全自動無人化加工的目標。

　　3 西門子系統CYCLE800應用場合

　　按機床的結構可歸納為以下三種類型，如圖2所示。

　　1. 類型T:擺動刀具.兩個旋轉軸的運動會導致刀具朝向的變化(能改變另一軸所定義角度的軸為第一旋轉軸)

　　2.類型P:擺動工作臺.工作臺的旋轉會導致刀具相對工件朝向的變化(能改變另一軸所定義角度的軸為第一旋轉軸)

3.類型M:擺動刀具+擺動工作臺(刀具軸為第一旋轉軸)使用CYCLE800時，程序與機床結構無關。但機床數據的設置與結構相關。在本篇里，所講述的附件銑頭為立式加長銑頭和直角銑頭，歸屬為第一種，屬于擺動刀具類型T。

　　4 附件銑頭CYCLE800尺寸鏈配置

　　本文介紹的附件銑頭，以一臺龍門移動式銑床上應用的加長銑頭1以及直角銑頭2為例，如圖所示，兩個銑頭裝于附件庫內，此附件庫固定于工作臺行程的最遠端，龍門可移動至銑頭上方，實現自動更換附件銑頭。此臺龍門銑床還配備了雷尼紹RMP60工件測頭，RMP60是新一代無線電工件測量系統，非常適合大型加工中心或測頭與接收器之間的光信號傳輸被遮擋的場合，用于加工中心上的工件測量和工件找正。無線電傳輸無需光信號，可穿透極小的間隙和機床窗口，因此安裝簡便，安裝在機床外罩的內部和外部均可。使用RMI-Q集成接口/接收器(安裝固定在立柱上)在RMP60 測頭(放在刀庫里，需要的時候當做一把刀具調用即可)和機床控制器之間進行通訊。為了適用于立式和臥式測量，因此設計了三面可用于校準的已知直徑的標準環規測量裝置， 可分別在XY、XZ、YZ平面進行校準和測試試驗，這個校準要使用附件銑頭智能化自動化加工，必須在數控系統里事先開發好CYCLE800功能，本文對使用的加長銑頭(TC1)和直角銑頭(TC2)為例，對附件銑頭進行正確設置和尺寸輸入。首先需要測量出附件銑頭在坐標系三個方向上的尺寸，立式銑頭只有Z向一個尺寸，而直角銑頭一般有兩個方向的尺寸。直角銑頭的尺寸經過測量后如圖4所示。

圖2

　　圖3

裝置安裝在附件庫內如圖3所示。

機床要使用附件銑頭才能進行加工，為便于計算和設置，以刀架抓取立式加長銑頭后的下端面為基準加工面，立式加長銑頭Z向的尺寸就設置為0，如圖5所示。直角銑頭有兩個方向的尺寸，需要轉位加工，除了實際的C軸，還需要虛擬一個B軸，在C處于0度方向位置時，相當于B軸繞Y軸旋轉90度。直角銑頭的Z向(362.4mm)與立式加長銑頭Z向　(362.0mm)的差值0.4mm填到offset i2的對應Z里，Y向的尺寸255.28填到offset i3的對應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加工程序里直接調用了，如圖8所示。

　　5 附件直角銑頭的轉位誤差補償

　　直角銑頭經常會用到4X90度的4個方向的加工，而影響直角銑頭加工精度除了主軸端部的跳動、主軸錐孔軸線對滑枕移動的垂直度、平行度外，還需要檢查4X90度時銑頭主軸錐孔軸線的調頭精度，這些精度都是幾何精度，特別是調頭精度誤差很難通過機械調整的方法完全消除，因此需要通過電氣補償的方法來予以彌補這一誤差。

　　圖7

　　理論上，直角銑頭的C軸的回轉中心軸線和滑枕主軸的回轉中心軸線是重合的，但是由于機械誤差，導致當C軸轉位后，中心會在X、Y、Z坐標方向上可能均有誤差，在此，可以通過CYCLE800的尺寸補償功能來彌補這個誤差。首先需要工藝部門通過一定的工藝手段測量出直角銑頭在4X90度的四個方向上的誤差，將此誤差值填到自定義變量表里，如圖9 所示。

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

　　然后通過電氣執行一段帶補償計算的宏程序TC_SE，自動將此誤差分別設置到坐標轉換框圖里，宏程序TC_SE按0 度、90度、-90度、180度這4個轉位角度分別將誤差值寫到系統變量$TC_CARR1[2]、$TC_CARR2[2]、$TC_CARR3[2]里，這3個系統變量分別對應直角銑頭調頭后在X、Y、Z方向上的誤差。設計的補償宏程序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位宏程序ZW(n)里， 這樣，在每次轉位后自動就將直角銑頭的調頭誤差值寫到了系統變量里，在執行CYCLE800指令后就會自動生效該補償，從而實現了這一補償原理。

　　6 CYCLE800應用于測量循環

　　立式加長銑頭用于常規的XY平面測量校準，無須使用三維坐標變換功能，直接調用雷尼紹的測量循環程序即可。而對于側面的XZ、YZ平面，則必須使用直角銑頭通過轉位后， 抓取位于刀庫里的工件測頭來進行測量校準，如圖10所示。

　　沒有CYCLE800空間坐標旋轉功能之前，很多循環程序使用時，需要對每個平面的測量人為地修改，比如測量基于的平面：按實際情況G17需要改為G18或G19;測量的機床軸也要對應平面進行修改，包括刀具測量補償對應的軸。總之，只要加工或測量的平面變了，所有與之相關的設置都要隨之更改，非常麻煩。而當有了CYCLE800功能之后，只需在原有的循環程序前面加上一句CYCLE800的代碼，然后在循環程序里稍加修改輸出的對應補償軸即可，所有的問題就都迎刃而解了，不需要再像之前那樣修改很多參數和代碼。

　　圖 10

　　例如對圖所示YZ平面的標準環測量內孔，測內孔程序如下：

　　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：在使用測頭測量工件時，首先需要對測頭進行標定，也就是對測頭探針的半徑、偏心、長度等做一個校準。

　　7 結語

　　通過對西門子CYCLE800功能的進一步開發，對數控機床配備的附件銑頭進行三維坐標轉換不僅實現了斜面加工、附件銑頭尺寸鏈及精度補償，保證了加工精度，也實現了全自動化智能化生產的要求。