西門子840D五軸聯(lián)動(dòng)刀具補(bǔ)償及應(yīng)用

1、西門子840D五軸聯(lián)動(dòng)刀具補(bǔ)償及應(yīng)用唐建明 卞進(jìn)澤(江蘇多棱數(shù)控機(jī)床股份有限公司，江蘇 常州 213012)摘要：通過對(duì)刀具軸、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)變換的分析研究，介紹了五軸聯(lián)動(dòng)刀具補(bǔ)償?shù)睦碚摷皯?yīng)用。關(guān)鍵詞：刀具軸、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)變換1 五軸聯(lián)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式及其轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)臺(tái)主從關(guān)系五軸聯(lián)動(dòng)對(duì)葉輪、蝸輪、桁架的加工可以做到一次成型，加工效率高。它改變了以往三軸機(jī)床的由點(diǎn)成面、由線成面的加工方法，而且被加工零件的表面質(zhì)量好、精度高。對(duì)復(fù)雜曲面只要指定刀具軸與零件曲面表面的位置關(guān)系，就可使復(fù)雜曲面的加工過渡光滑、不干涉、不過切，滿足曲面的要求。要能夠正常使用五軸聯(lián)動(dòng)就必須使五軸刀具補(bǔ)償生效。五軸聯(lián)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸是

2、根據(jù)所圍繞的線性軸而確定的。繞X軸旋轉(zhuǎn)的為A軸，繞Y軸旋轉(zhuǎn)的為B軸，繞Z軸旋轉(zhuǎn)的為C軸，其旋轉(zhuǎn)方向根據(jù)所對(duì)應(yīng)的線性軸的正方向按右手定則確定,當(dāng)然旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向也可不按右手定則而由系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)方向的參數(shù)設(shè)定。通常根據(jù)轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)臺(tái)的組成情況大致可把五軸聯(lián)動(dòng)分成三種結(jié)構(gòu)型式：（a）兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸；（b）兩個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)；（c）一個(gè)轉(zhuǎn)軸加一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。在確定了結(jié)構(gòu)型式后旋轉(zhuǎn)軸的主從關(guān)系也隨之確立，如表1所示：表1 五軸聯(lián)動(dòng)的三種旋轉(zhuǎn)類型2（Table 1. Three rotation options of 5-axis machining）結(jié)構(gòu)形式主從關(guān)系旋轉(zhuǎn)形式（a）第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸C（主）刀具軸旋轉(zhuǎn)第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸A

3、（從）（b）第二個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)B（從）工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)第一個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)C（主）（c）刀具軸旋轉(zhuǎn)A（主）混合旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)面旋轉(zhuǎn)C（從）表1中（a），（b），（c）的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（臺(tái)）的上下關(guān)系即為實(shí)際結(jié)構(gòu)中的上下順序,如圖1所示。（a） 刀具軸旋轉(zhuǎn) （ b）工作臺(tái)旋轉(zhuǎn) （c）混合旋轉(zhuǎn) 圖1 五軸聯(lián)動(dòng)的結(jié)構(gòu)順序（Fig.1 Structural consequence of 5-axis machining ）2 五軸聯(lián)動(dòng)刀具補(bǔ)償?shù)睦碚摲治龈鶕?jù) XH2725/5X-10橋式龍門五軸聯(lián)動(dòng)的刀具補(bǔ)償原理及參數(shù)設(shè)置進(jìn)行分析說明。該機(jī)床采用的是西門子840D系統(tǒng)，如圖1（a）所示的A、C軸萬能銑頭結(jié)構(gòu)，刀具軸心的起始位置在Z

4、軸上。在五軸聯(lián)動(dòng)的加工中，保持刀具中心位置不變是可以通過各線性軸的位置調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。從而編程時(shí)只要考慮刀具中心的運(yùn)動(dòng)和刀具軸的方向，解決了編程和實(shí)際運(yùn)行的統(tǒng)一。如何在只有A、C軸運(yùn)動(dòng)的情況下，保持刀具刀尖位置不變，分析如下：設(shè)當(dāng)A、C軸擺動(dòng)aA和aC后，X，Y，Z產(chǎn)生的移動(dòng)分別是NX，NY，NZ ，則由圖3可知NX =D sinaC , NY=D cosaC , NZ= RR cosaA 式中D=R sinaA ，（R為A軸旋轉(zhuǎn)中心到刀具端面的距離）圖2 刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) (Fig 2. Rotation of the cutter )aC=0aCaANZNZ （a） （b） （c）圖

5、3 各軸運(yùn)動(dòng)的相對(duì)變化關(guān)系（Fig 3. The relative relationship between the axis rotation）圖3（a）為機(jī)床坐標(biāo)系；（b）為C軸在零位，A軸擺動(dòng)角度aA時(shí)Z、Y軸的變化；（c）為A、C擺動(dòng)后的X、Y變化。 可見A、C軸擺動(dòng)后X、Y、Z軸產(chǎn)生的移動(dòng)分別為Nx、Ny、Nz。aA 、aC為A、C軸的實(shí)際角度，經(jīng)過上述推算在刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償生效時(shí)，設(shè)A、C軸移動(dòng)的角度為aA、aC，則X、Y、Z的移動(dòng)補(bǔ)償量為 Nx -Ny - NZ 。在西門子系統(tǒng)中將五軸刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償稱為位置變換（坐標(biāo)變換）即在激活補(bǔ)償?shù)那闆r下，使加工面垂直于刀具軸的方向，從而根據(jù)矩陣變

6、換方程計(jì)算出相應(yīng)的X、Y、Z軸的補(bǔ)償分量變換矩陣如下： 1 0 0 0 cosaC sinaC 0 0 0 cosaA sinaA 0 -sinaC cosaC 0 0Tx= 0 -sinaA cosaA 0 Tz= 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1注：Tx為繞x軸的旋轉(zhuǎn)距陣，Tz為繞z軸的旋轉(zhuǎn)距陣。To=0 0 R 1 刀具補(bǔ)償?shù)某跏挤至吭赯方向上。Tk= To * Tx * Tz =sinaA *sinaC *R -sinaA *cosaC *R cosaA *R 1Tm= To - Tk Tm為A、C軸擺動(dòng)后X、Y、Z軸產(chǎn)生的移動(dòng)量，即- Tm即為刀具的補(bǔ)償量。3、實(shí)際應(yīng)用

7、中數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定根據(jù)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)脑?，參考西門子的參數(shù)說明進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定。首先要選擇刀具補(bǔ)償?shù)念愋停ㄈ绫?）。表2 萬能銑頭補(bǔ)償類型選擇表2（Table 2 Compensation list of universal miller）第一旋轉(zhuǎn)軸第二旋轉(zhuǎn)軸補(bǔ)償類型刀具軸初始位置AACCCCAA129145132148XZXZ根據(jù)上述的說明結(jié)合XH2725/5X-10機(jī)床的結(jié)構(gòu)可知補(bǔ)償類型應(yīng)選擇148（該機(jī)床的結(jié)構(gòu)參數(shù)大致為：主軸端面至回轉(zhuǎn)中心的距離為285mm，A軸旋轉(zhuǎn)中心線與C軸旋轉(zhuǎn)中心線正交，A、C軸的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針）。由上述提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定，設(shè)定如下：補(bǔ)償類型：N241

8、00 $MC-TRAFO-TYPE-1=148。第一旋轉(zhuǎn)軸是C軸，C軸繞Z軸旋轉(zhuǎn)，C軸在X，Y軸方向的補(bǔ)償矢量是為0，N24570 $MC-TRAFOS-AXISI-12=1；第二旋轉(zhuǎn)軸是A軸，A軸繞X軸旋轉(zhuǎn)，A軸在Y，Z軸方向的補(bǔ)償矢量是0,N24572 $MC-TRAFOS-AXISI-10=1; 刀具的初始方向在Z軸方向， N24574 $MC-TRAFOS-BASE-ORIENT-12=1。其余參數(shù)如旋轉(zhuǎn)方向、刀具基體偏置等就不一一詳細(xì)列出。4、五軸刀補(bǔ)在加工中的應(yīng)用西門子840D系統(tǒng)中激活五軸刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)闹噶顬門RAORI，取消補(bǔ)償?shù)闹噶顬門RAFOOF。激活刀具補(bǔ)償后應(yīng)再調(diào)用一次

9、工件坐標(biāo)系，選擇G54-G57中的任意一個(gè)，否則系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為使用的是機(jī)床本身的機(jī)械坐標(biāo)從而導(dǎo)致出錯(cuò)。實(shí)際使用過程由于刀具的長(zhǎng)度補(bǔ)償對(duì)于加工零件的輪廓精度有較大的影響，分析如下（圖四）：DL 圖4 刀具補(bǔ)償對(duì)加工的影響 (Fig. 4 The influence from the cutter compensation to manufacturing)注：圖四中左圖表示刀具理論加工狀態(tài)；右圖實(shí)線表示刀具的測(cè)量值比左圖短去部分為L(zhǎng)，虛線表示刀具的實(shí)際加工狀態(tài)。若將刀具的實(shí)際長(zhǎng)度縮短L ,A軸的擺動(dòng)角度為aA，則知零件外形將變小，變化值為L(zhǎng)*sinaA。故實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)盡量保證刀具具有精確的長(zhǎng)度值。測(cè)

10、量刀具長(zhǎng)度一般有兩種方法：用對(duì)刀儀測(cè)量；用百分表測(cè)刀尖與主軸端面的距離。 對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)度補(bǔ)償，西門子840D還提供了五軸刀具半徑補(bǔ)償，由于大多數(shù)五軸加工程序是由CAD/CAM軟件制作生成的，因而五軸刀具半徑補(bǔ)償較少使用，僅舉一例以作說明。例：G00 G54 X0 Y0 Z0T1 D1 ISD=20 /調(diào)用刀具，在1號(hào)刀具的1號(hào)刀沿下設(shè)定刀具長(zhǎng)度和刀具半徑。TRAORI 1 /激活五軸長(zhǎng)度補(bǔ)償CUT3DC 1 /激活五軸半徑補(bǔ)償G1 G54 G42 X10 Y10 F2000X60A30 C10Y150G1 G40 X- Y- /撤消半徑補(bǔ)償TRAFOOF /撤消五軸長(zhǎng)度補(bǔ)償參考文獻(xiàn)：1SIEMEN

11、S. Programming Guide AdvancedM. Federal Republic of Germany: Siemens Automation Group,1998. 2 SIEMENS. Special Functions （Part 3）M. Federal Republic of Germany: Siemens Automation Group,1998.Theory and Application of Cutter Offset Compensation in 5-axis CNC machining Abstract: The article introduces the theory and application of cutter offset compensation in 5-axis machining, by analyzing the machine tool axes, cutt