CN103659460B - 在四轴卧式加工中心实现刀尖跟随加工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在四轴卧式加工中心实现刀尖跟随加工的方法，通过在普通四轴卧式数控机床的坐标轴上分别设置位置传感器，位置传感器将采集到的加工过程中工件坐标位置的实时值传输给计算装置，由计算装置根据工件坐标系零点与B轴中心的距离值与坐标位置的实时值对工件坐标补偿值进行实时计算，NC控制器根据计算装置提供的工件坐标补偿值控制机床实时调整加工余量对工件进行加工；本发明方法在兼容四轴卧式加工中心原有加工功能的同时，使刀尖跟随加工在四轴卧式加工中心得以实现，扩展了普通四轴卧式加工中心的加工领域，突破了刀尖跟随加工只能在进口五轴高端机床上实现的束缚，打破了国外进口五轴系列机床的技术垄断。

Description

在四轴卧式加工中心实现刀尖跟随加工的方法

技术领域

本发明属于卧式加工中心技术领域，具体涉及一种在四轴卧式加工中心实现刀尖跟随加工的方法。

背景技术

机床是装备制造业的龙头，是机械工业的基础。随着我国国民经济的飞速发展，极大地刺激了机床及模具市场需求的快速增长，同时振兴东北老工业基地与西部大开发战略给机床模具行业带来发展的新机遇。特别是近几年，我国当代军工技术的增强，对高新设备的需求日益增大，为摆脱对国外设备的依赖，需要本国机床厂家提供更好、更经济的加工方案。面对新的国际经济环境，中国机床模具行业将融入世界竞争大潮，同时，我国机床将向高档数控和更加满足用户工艺要求的多功能和成套技术发展，并带动为之配套的功能技术新的突破。如今，在现有的加工设备基础上融入或开发国际先进的加工技术和计算功能，扩展其加工对象和提升加工效果，越来越被各大机床厂家所重视。

市场对高档数控机床的需求是不争的事实，关键是国内制造企业能否开发和制造出满足用户需要的高端产品。开发满足用户需要的关键加工技术是高精机床的发展趋势。目前，传统材质的部件在现代设备中的应用越来越少，甚至某些铸铁、钢等部件已经在高新设备中消失，取而代之的是新兴的复合型材料，像铝、钛等合金，这些材质的合金具有质量轻、强度高、热变形小等优点，越来越受到装配业者的青睐，广泛运用于航天、船舶、汽车等关键技术领域。但铝、钛合金具有加工时易变形、粘性大、需要一次成型等特点，必须使用高速五轴机床才能完成对其的加工，在传统意义上的三轴、四轴机床上基本无法实现五轴加工。其中最关键的技术瓶颈在于普通机床无法实现对工件的刀尖跟随(即RTCP)加工，因为RTCP加工只适用于五轴以上的机床，这大大制约了普通机床的加工范围，限制了其在特殊行业的应用，使用户只能采购价格昂贵的五轴设备用于复杂模具的加工，由此带来成本提高、维修保养困难、加工编程复杂等一系列问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种在四轴卧式加工中心实现刀尖跟随加工的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：在四轴卧式加工中心实现刀尖跟随加工的方法，包括以下步骤：

1)在机床X轴上设置X轴位置传感器，在机床Y轴上设置Y轴位置传感器，在机床Z轴上设置Z轴位置传感器，在机床B轴上设置B轴位置传感器，并将所述的X轴位置传感器、Y轴位置传感器、Z轴位置传感器和B轴位置传感器分别通过信号传输电缆与计算装置相连；再将所述的计算装置通过数据传输电缆与NC控制器相连；

2)在四轴卧式加工中心工作台任意位置竖直放置一圆柱工件并用千分表打直，再在主轴端面架设一千分表并使其表针与所述的圆柱工件的表面贴合，然后把该主轴端面架设的千分表的读数调整为零，设置此时的机械坐标值为工件坐标系零点；

3)调整X轴、Y轴和Z轴行程，当X轴行至机械原点时，用千分表精确测出主轴中心至B轴工作台中心的距离，记为Po_x；当Y轴行至所述的机械原点时，用千分表精确测出主轴中心至B轴工作台中心的距离，记为Po_y；当Z轴行至所述的机械原点时，用千分表精确测出主轴中心至B轴工作台中心的距离，记为Po_z；将上述Po_x、Po_y和Po_z数据输入到所述的计算装置中；

4)使用工作台旋转程序将B轴旋转，对工件进行加工，所述的X轴位置传感器实时采集工件X轴坐标位置并传输给所述的计算装置，所述的Y轴位置传感器实时采集工件Y轴坐标位置并传输给所述的计算装置，所述的Z轴位置传感器实时采集工件Z轴坐标位置并传输给所述的计算装置，所述的B轴位置传感器实时采集工件B轴坐标位置并传输给所述的计算装置，由所述的计算装置根据Po_x、Po_y和Po_z数据以及工件加工过程中工件坐标位置的实时值对工件坐标补偿值进行实时计算，并将工件坐标补偿值的计算结果不断传输给所述的NC控制器，所述的NC控制器根据所述的计算装置提供的工件坐标补偿值控制机床对工件进行加工。

所述的计算装置为8051系列单片机。8051系列单片机结构简单，数据传输直接通过寄存器进行交换，运算速度符合数控加工要求，且价格便宜。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明以普通四轴卧式加工中心为平台，重新对四轴卧式机床数控系统进行功能改进设计，提供了一种在四轴卧式加工中心实现五轴刀尖跟随加工的方法。本发明方法在普通四轴卧式数控机床的X轴、Y轴、Z轴和B轴上分别设置位置传感器对加工过程中工件坐标位置的实时值进行采集，并将采集到的数据不断传输给计算装置，并且在计算装置中预先输入工件坐标系零点与B轴中心的距离值的数据，再由计算装置根据工件坐标系零点与B轴中心的距离值与加工过程中工件坐标位置的实时值对工件坐标补偿值进行实时计算，并将工件坐标补偿值的计算结果不断传输给NC控制器，NC控制器根据计算装置提供的工件坐标补偿值控制机床实时调整加工余量对工件进行加工。采用本发明方法在普通四轴卧式数控机床上加工工件时，工件坐标系零点与B轴中心的距离值的数据只需预先向计算装置输入一次，之后可放置任意形状的工件直接对刀确定其坐标系零点，加工时只控制一个坐标轴就能得到带动其他坐标轴插补的效果，各坐标轴能够自动进行坐标补偿，使加工过程中刀尖始终保持贴合于工件表面，从而在普通四轴卧式数控机床上实现了五轴刀尖跟随加工。本发明方法在兼容四轴卧式加工中心原有加工功能的同时，通过开发新的虚拟五轴功能和插补算法，基于四轴矢量空间进行运算，极大提升普通四轴卧式加工中心的档次，使刀尖跟随加工在四轴卧式加工中心得以实现，其加工对象进入高速五轴的范畴，实现四轴机床真正意义上的“四轴联动”，扩展了普通四轴卧式加工中心的加工领域，突破了刀尖跟随加工只能在进口五轴高端机床上实现的束缚，打破了国外进口五轴系列机床的技术垄断。本发明方法可大大降低用户的设备采购成本，采用本发明方法加工同样零件所需成本仅为现有加工成本的10％左右，同时使加工编程量和操作时间大大减少，使加工效率提高近3倍。

附图说明

图1为实施例中四轴卧式加工中心RTCP模型的正视图；

图2为实施例中四轴卧式加工中心RTCP模型的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

以西门子840D四轴卧式加工中心为例，使用本发明方法对工件进行刀尖跟随加工，具体步骤为：

1)在西门子840D机床X轴上设置X轴位置传感器，在机床Y轴上设置Y轴位置传感器，在机床Z轴上设置Z轴位置传感器，在机床B轴上设置B轴位置传感器，并将X轴位置传感器、Y轴位置传感器、Z轴位置传感器和B轴位置传感器分别通过信号传输电缆与8051系列单片机相连；再将8051系列单片机通过数据传输电缆与NC控制器相连；

2)在西门子840D卧式加工中心工作台任意位置竖直放置一圆柱工件并用千分表打直，再在主轴端面架设一千分表并使其表针与圆柱工件的表面贴合，然后把该主轴端面架设的千分表的读数调整为零，设置此时的机械坐标值为工件坐标系零点；

3)首先利用西门子五轴加工软件包和宁波海天集团制造的HTM-80H(X轴、Y轴、Z轴、B轴)实验设备建立本实施例的四轴卧式加工中心RTCP模型，该模型的正视图如图1所示、侧视图如图2所示；然后调整X轴、Y轴和Z轴行程，当X轴行至机械原点时，用千分表精确测出主轴中心至B轴工作台中心的距离，记为Po_x；当Y轴行至机械原点时，用千分表精确测出主轴中心至B轴工作台中心的距离，记为Po_y；当Z轴行至机械原点时，用千分表精确测出主轴中心至B轴工作台中心的距离，记为Po_z；将上述Po_x、Po_y和Po_z数据输入到8051系列单片机中；

4)设置工件旋转模式(而不是传统的刀尖旋转模式)，开启RTCP功能指令，使用工作台旋转程序将B轴旋转，对工件进行加工，加工过程中X轴位置传感器实时采集工件X轴坐标位置并传输给8051系列单片机，Y轴位置传感器实时采集工件Y轴坐标位置并传输给8051系列单片机，Z轴位置传感器实时采集工件Z轴坐标位置并传输给8051系列单片机，B轴位置传感器实时采集工件B轴坐标位置并传输给8051系列单片机，由8051系列单片机根据Po_x、Po_y和Po_z数据以及工件加工过程中工件坐标位置的实时值对工件坐标补偿值进行实时计算，并将工件坐标补偿值的计算结果不断传输给NC控制器，NC控制器根据8051系列单片机提供的工件坐标补偿值控制机床对工件进行加工。

在工件加工过程中可发现，B轴转动的同时，X、Y轴跟着联动，千分表读数几乎在零点不动，从而达到只控制一个坐标轴就能得到带动其他坐标轴插补的效果，并且加工过程中刀尖保持贴合于工件表面，从而在普通四轴卧式数控机床上实现了RTCP的功能。当然，加工时也可执行X轴、Y轴或Z轴的移动，另外三轴也会跟着联动，达到刀尖跟随的效果。

上述步骤3)中，建立RTCP模型时对系统参数进行如下设置：

N24100$MC_TRAFO_TYPE_1＝40；工件旋转模式

N24110$MC_TRAFO_AXES_IN_1[0]＝1；代表X轴

N24110$MC_TRAFO_AXES_IN_1[1]＝2；代表Y轴

N24110$MC_TRAFO_AXES_IN_1[2]＝3；代表Z轴

N24110$MC_TRAFO_AXES_IN_1[3]＝4；代表B轴

N24500$MC_TRAFO5_PART_OFFSET_1[0]＝635；代表Po_x

N24500$MC_TRAFO5_PART_OFFSET_1[1]＝-891.5；代表Po_y

N24500$MC_TRAFO5_PART_OFFSET_1[2]＝1120；代表Po_z

N24550$MC_TRAFO5_BASE_TOOL_1[0]＝-635；同上，符号取反

N24550$MC_TRAFO5_BASE_TOOL_1[1]＝891.5；同上，符号取反

N24550$MC_TRAFO5_BASE_TOOL_1[2]＝-1120；同上，符号取反

N24570$MC_TRAFO5_AXIS1_1[1]＝1；代表该旋转轴绕Y旋转

N24574$MC_TRAFO5_BASE_ORIENT_1[2]＝1；刀尖轴为Z轴

参数设置完成后，西门子840D四轴卧式加工中心的RTCP模型即已建立。可用圆柱检棒进行刀尖跟随检测程序进行检测，具体为：

G54T1D1

ROT Y xx；如果刀尖对刀时B轴不在机械原点，需要在xx项输入B轴的坐标值

G0G90X0Y0Z0

TRAORI；RTCP功能开启

ORIWKS；刀尖跟随于工件坐标系

G91B90

Claims (2)

1.在四轴卧式加工中心实现刀尖跟随加工的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在机床X轴上设置X轴位置传感器，在机床Y轴上设置Y轴位置传感器，在机床Z轴上设置Z轴位置传感器，在机床B轴上设置B轴位置传感器，并将所述的X轴位置传感器、Y轴位置传感器、Z轴位置传感器和B轴位置传感器分别通过信号传输电缆与计算装置相连；再将所述的计算装置通过数据传输电缆与NC控制器相连；

2)在四轴卧式加工中心工作台任意位置竖直放置一圆柱工件并用千分表打直，再在主轴端面架设一千分表并使其表针与所述的圆柱工件的表面贴合，然后把该主轴端面架设的千分表的读数调整为零，设置此时的机械坐标值为工件坐标系零点；

3)调整X轴、Y轴和Z轴行程，当X轴行至机械原点时，用千分表精确测出主轴中心至B轴工作台中心的距离，记为Po_x；当Y轴行至所述的机械原点时，用千分表精确测出主轴中心至B轴工作台中心的距离，记为Po_y；当Z轴行至所述的机械原点时，用千分表精确测出主轴中心至B轴工作台中心的距离，记为Po_z；将上述Po_x、Po_y和Po_z数据输入到所述的计算装置中；

4)使用工作台旋转程序将B轴旋转，对工件进行加工，所述的X轴位置传感器实时采集工件X轴坐标位置并传输给所述的计算装置，所述的Y轴位置传感器实时采集工件Y轴坐标位置并传输给所述的计算装置，所述的Z轴位置传感器实时采集工件Z轴坐标位置并传输给所述的计算装置，所述的B轴位置传感器实时采集工件B轴坐标位置并传输给所述的计算装置，由所述的计算装置根据Po_x、Po_y和Po_z数据以及工件加工过程中工件坐标位置的实时值对工件坐标补偿值进行实时计算，并将工件坐标补偿值的计算结果不断传输给所述的NC控制器，所述的NC控制器根据所述的计算装置提供的工件坐标补偿值控制机床对工件进行加工。

2.根据权利要求1所述的在四轴卧式加工中心实现刀尖跟随加工的方法，其特征在于所述的计算装置为8051系列单片机。