CN108655820A - 一种数控加工基坐标系的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种数控加工基坐标系的标定方法，只需一次性测量和采集机床数据后，通过数学计算，得到各类中心点、坐标值、轨迹等，通过坐标计算模型、产品坐标系计算公式、依图纸设计输入的被加工产品各坐标位置间的尺寸要求，在系统自动产生被加工产品任意角度定位坐标值和产品程序架构后，该产品程序含该机床、夹模等所有数据，调机时无需再进行手工输入操作或任何坐标系（值）寻找与反复纠正；最后，CNC技术员将产品程序传输到该机床中，进行刀具对刀加工，即可获得该产品的首件合格品，从而实现快速调机，首件为合格品为目标。

Description

一种数控加工基坐标系的标定方法

技术领域

本发明涉及一种数控加工基坐标系的标定方法。

背景技术

随着，卫浴五金行业“小批量、多机种、短交期”个性化、订单式生产模式的越来越明显，导致产品加工换产（CNC调机）变得非常频繁。再者，劳动密集型企业劳动力成本、设备稼动率等因素已成企业经营的主要问题之一。最终，只有落实“精益生产”、“快速换产”、“智能制造”才是未来传统劳动密集型企业升级转型的法宝。

在当今的数控系统中，宏程序的功能是非常强大的，利用宏程序来制作一些固定循环已经获得了广泛的应用。G54-G59是数控加工的工件坐标系零点偏置指令，该指令一经设定，机床坐标系中的工件坐标原点位置保持不变，与刀具的当前的位置无关。四轴数控机床是指除 X、 Y、 Z 三轴外，还有一旋转工作台，立式机床为绕 Z 轴旋转的 C 轴，卧式机床为绕Y 轴旋转的 B 轴。在这些数控机床上加工工件时，工件装在旋转工作台上，操作者找正工件上的基准，将找正数据输入到数控机床的坐标偏置寄存器中，就确定了一工件坐标系。 工件坐标系是随工件形状及装夹位置不同而需随机设定，即工件坐标系对不同的零件来说是可变的。在四轴数控机床加工工件过程中，由于加工的需要，当第四轴转过一定的角度时需要再重新找出工件坐标的零点，这个过程中如果每次都进行繁琐的手工计算或工件旋转后再次找正则比较费时，占据了大量的机床等待时间，效率比较低，而且容易出现错误。

目前，在卫浴五金行业中，采用数控机床配四轴转台一次装夹加工产品所有角度工序，每个角度均需找出工件坐标零点并分别设定为G54、G55、G56...，如图1所示，采用“试切法”进行调整，过程为：“手工找坐标--试切产品--检测—调整坐标—再试切—再检测—再调整坐标”，通过反复试错调整手段，以获得各角度正确的坐标值和合格产品。该试切调整法将产生大量找坐标、检测、误差纠正等多次重复辅助时间，直接影响设备稼动率与OEE指标；同时大幅度增加技术员的工作量和劳动强度。现有传统方法，均不适应现有行业“小批量、多机种、短交期”个性化、订单式生产模式所需；同时，与制造业现行的“精益生产”及未来“智能制造”不相符合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控加工基坐标系的标定方法，解决了在数控机床配四轴转台，一次装夹加工产品任意角度时，寻找调整坐标费时费力、效率低、设备稼动率不高、技术员工作量大和劳动强度高等问题。

本发明一种数控加工基坐标系的标定方法，数控机床装配有四轴转台，包括以下步骤：

步骤1、采集机床数据

（1）对四轴转台A轴起始角度进行零点校正，采集四轴转台A轴起始角度值A0；

（2）测量四轴旋转中心点及计算夹模安装中心轨迹

将测量工具安装在数控机床主轴上，将四轴转台旋转一周，通过测量工具采集若干个样点数据组，通过该样点数据组计算对应的基于机床坐标系的四轴旋转中心点坐标值LX11、LY11、LZ11，并将计算得到的所述的四轴旋转中心点坐标值输入电脑中作为旋转数据；

当四轴转台A轴起始角度A0=0时，四轴旋转中心点与夹模安装中心点之间直线距离为L1，与水平夹角为A1，则夹模安装中心点坐标值为LX21、LY21、LZ21,具体计算公式如下：

LX21=LX11

LY21=LY11-cos(A1+A0)*L1

LZ21=LZ11-sin(A1+A0)*L1

四轴转台A轴起始角度A0=0，转动角度后则为对应角度值，如四轴转台转30度，则A0=30，A1为常值，A0为变量值；

步骤2、构建坐标计算模型

将上述测量工具获得的数据输入电脑中，构建此数控机床的四轴转台与夹模安装中心的坐标计算模型，所述的数据包括四轴旋转中心坐标LX11、LY11、LZ11；夹模安装中心坐标LX21、LY21、LZ21，该夹模安装中心坐标值将围绕四轴旋转中心点，以L1为半径拟合为一圆弧轨迹；

步骤3、构建产品坐标系计算公式

以夹模安装中心为基准，夹模设计时将产品固定于夹模中，在此设产品加工坐标系分别为G54、G55、G56、G57、G58、G59、G54.1、G54.2……；

假设各坐标系对应坐标值为如下所示：

G54坐标系值为：X54、Y54、Z54

G55坐标系值为：X55、Y55、Z55

G56坐标系值为：X56、Y56、Z56

…

G54坐标系计算公式为：

X54 = LX21 + LX31；

Y54 = LY21 + LY31；

Z54 = LZ21 - LZ31；

其中，LX31为夹模安装中心X基面与产品X向中心间距离，LX31、LY31、LZ31均以夹模安装中心为基准，依笛卡儿坐标系判断数值的正负；

则G56坐标系计算公式为：

X56=(X1-LX31)+LX21；

Y56=（LY31-Y1）+LY21；

Z56=（Z1-LZ31）+LZ21；

其中，X1、Y1、Z1为G56相对于产品基准坐标G54的距离数值，依笛卡儿坐标系判断数值的正负；

依此类推，可获得其他G55、G57、G58、G59……的坐标系计算公式；

步骤4、产品参数输入

依夹模设计工艺尺寸及依图纸设计的产品各坐标系间尺寸所组成的产品参数，包括夹模安装中心与产品基准坐标G54的参数组（LX31、LY31、LZ31），各坐标系间尺寸参数（X1、Y1、Z1；X2、Y2、Z2；……）及角度参数（A0、A1）；

基于步骤2的坐标计算模型，应用步骤3的产品坐标系计算公式，通过输入上述产品参数，计算出该产品的所有坐标系的数值，即X54、Y54、Z54；X55、Y55、Z55；X56、Y56、Z56；……；同时，系统自动生成该产品加工标准程序架构；然后，用户在此标准程序架构中完善该产品的加工工艺程序，从而形成待加工产品完整的产品程序；

步骤5、程序传输加工

将所述待加工产品完整的产品程序传输到机床中，夹模以夹模安装中心点为定位基准安装在四轴转台；然后，将产品放入夹模中夹紧；最后，进行刀具对刀与补偿输入,启动机床运行程序加工产品。

本发明在计算机中依产品、夹模、机床模型及尺寸数值等要求，输入坐标处理器中对应的参数值，系统将自动计算基于指定机床相配套夹模的产品所有角度坐标值、角度值及位置度等要求，同时将自动生成该产品加工标准程序架构；然后，CNC技术员在此标准程序架构中完善该产品加工工艺程序，从而形成该产品完整的产品程序，含该机床、夹模等所有数据，调机时无需再进行任何坐标系（值）寻找与反复纠正；最后，CNC技术员将产品程序传输到该机床中，进行刀具对刀加工，即可获得该产品的首件合格品，从而实现快速调机，首件为合格品为目标。

附图说明

图1为传统的坐标值寻找的流程示意图；

图2为本发明的流程示意图；

图3A为本发明测量四轴旋转中心及夹模安装中心值示意图；

图3B为图3A测量球测量四轴旋转中心点的示意图；

图4为本发明被加工产品坐标系G54、G55、G56位置关系图；

图5为本发明中产品坐标系与夹模安装中心位置关系图；

图6为本发明中数控机床与四轴旋转中心位置关系图；

图7为本发明中旋转一定角度后产品坐标系位置关系图。

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

具体实施方式

结合图2至图7以立式数控机床配四轴转台为例进行具体实施详述。

本发明一种数控加工基坐标系的标定方法，数控机床装配有四轴转台，具体包括以下步骤：

步骤1、采集机床数据

（1）采用百分表校正夹模安装架的水平位置，对四轴转台A轴起始角度进行零点校正，采集四轴转台A轴起始角度值A0；

（2）测量四轴旋转中心点及计算夹模安装中心轨迹

如图3A所示，将测量工具安装在数控机床主轴上，测量球安装在夹模安装中心孔位置；通过测量工具采集四轴转台A轴有起始角度A0时，如图3B所示采集样点数组1（P01、P02、P03、P04）；然后，转动四轴转台分别为30度、60度、90度、…、270度时所采集的共12组的样点数据；如图6所示，计算获得基于机床坐标系的四轴旋转中心点坐标值LX11、LY11、LZ11，并输入电脑中作为旋转数据；

如图6所示，当四轴转台A轴起始角度A0=0时，四轴旋转中心点与夹模安装中心点之间直线距离为L1，与水平夹角为A1，则夹模安装中心点坐标值为LX21、LY21、LZ21,具体计算公式如下：

LX21=LX11(此公式以立式数控机床为例，X值为常值)

LY21=LY11-cos(A1+A0)*L1

LZ21=LZ11-sin(A1+A0)*L1

四轴转台A轴起始角度A0=0，转动角度后则为对应角度值，如四轴转台转30度，则A0=30，A1为常值，A0为变量值；

步骤2、构建坐标计算模型

将上述测量工具获得的数据输入电脑中，构建此数控机床的四轴转台与夹模安装中心的坐标计算模型，所述的数据包括四轴旋转中心坐标LX11、LY11、LZ11；夹模安装中心坐标LX21、LY21、LZ21，该夹模安装中心坐标值将围绕四轴旋转中心点，以L1为半径拟合为一圆弧轨迹；

步骤3、构建产品坐标系计算公式

如图5所示，以夹模安装中心为基准，夹模设计时将产品固定于夹模中，在此设产品加工坐标系分别为G54、G55、G56、G57、G58、G59、G54.1、G54.2……（不限制，以各品牌机床坐标系数量为准），假设各坐标系对应坐标值为如下所示：

G54坐标系值为：X54、Y54、Z54

G55坐标系值为：X55、Y55、Z55

G56坐标系值为：X56、Y56、Z56

…

如图5、图6所示，则G54坐标系计算公式为：

X54 = LX21 + LX31；

Y54 = LY21 + LY31；

Z54 = LZ21 - LZ31；

其中，LX31为夹模安装中心X基面与产品X向中心间距离，LX31、LY31、LZ31均以夹模安装中心为基准，依笛卡儿坐标系判断数值的正负；

如图4、图6、图7所示，G56坐标系计算公式为：

X56=(X1-LX31)+LX21；

Y56=（LY31-Y1）+LY21；

Z56=（Z1-LZ31）+LZ21；

其中，X1、Y1、Z1为G56相对于产品基准坐标G54的距离数值，依笛卡儿坐标系判断数值的正负；

依此类推，可获得其他G55、G57、G58、G59……坐标系计算公式；

步骤4、产品参数输入

如图4、图5所示，依夹模设计工艺尺寸及依图纸设计的产品各坐标系间尺寸所组成的产品参数，包括夹模安装中心与产品基准坐标G54的参数（LX31、LY31、LZ31），各坐标系间尺寸参数（X1、Y1、Z1；X2、Y2、Z2；……）及角度参数（A0、A1）；

基于步骤2的坐标计算模型，应用步骤3的产品坐标系计算公式，通过输入上述产品参数，计算出该产品的所有坐标系的数值，即X54、Y54、Z54；X55、Y55、Z55；X56、Y56、Z56；……；同时，系统自动生成该产品加工标准程序架构；然后，用户在此标准程序架构中完善该产品的加工工艺程序，从而形成待加工产品完整的产品程序；

步骤5、程序传输加工

将所述待加工产品完整的产品程序传输到机床中，夹模以夹模安装中心点为定位基准，安装在四轴转台；然后，将产品放入夹模中夹紧；最后，进行刀具对刀与补偿输入,启动机床运行程序加工产品。（注：对刀为数控加工必需环节，此处不再阐述）

本发明只需一次性测量和采集机床数据后，通过数学计算，得到各类中心点、坐标值、轨迹等，通过坐标计算模型、产品坐标系计算公式、被加工产品各坐标位置间的尺寸要求（位置度，在电脑中通过参数输入；也就是依图纸设计输入相应参数），在系统自动产生被加工产品任意角度定位坐标值和产品程序架构后，无需在机床进行任何手工输入操作或修正。

本发明的夹模安装如图3A、图5所示，采用以夹模安装中心点精定位安装，夹模设计以此中心点为基准，通过电脑，依如图4、图5所示输入被加工产品参数和基准坐标G54与夹模安装中心坐标之间参数；通过坐标处理器将自动计算被加工产品所有坐标系的数值，并生成程序架构，通过对产品加工艺路径编程后，直接输入机床中，无需将产品的各坐标系G54、G55、G56……等数值通过手动定义赋值到机床中，无需手工寻找各坐标系偏置及赋值等。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种数控加工基坐标系的标定方法，数控机床装配有四轴转台，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、采集机床数据

（1）对四轴转台A轴起始角度进行零点校正，采集四轴转台A轴起始角度值A0；

（2）测量四轴旋转中心点及计算夹模安装中心轨迹

将测量工具安装在数控机床主轴上，将四轴转台旋转一周，通过测量工具采集若干个样点数据组，通过该样点数据组计算对应的基于机床坐标系的四轴旋转中心点坐标值LX11、LY11、LZ11，并将计算得到的所述的四轴旋转中心点坐标值输入电脑中作为旋转数据；

当四轴转台A轴起始角度A0=0时，四轴旋转中心点与夹模安装中心点之间直线距离为L1，与水平夹角为A1，则夹模安装中心点坐标值为LX21、LY21、LZ21,具体计算公式如下：

LX21=LX11

LY21=LY11-cos(A1+A0)*L1

LZ21=LZ11-sin(A1+A0)*L1

四轴转台A轴起始角度A0=0，转动角度后则为对应角度值，如四轴转台转30度，则A0=30，A1为常值，A0为变量值；

步骤2、构建坐标计算模型

将上述测量工具获得的数据输入电脑中，构建此数控机床的四轴转台与夹模安装中心的坐标计算模型，所述的数据包括四轴旋转中心坐标LX11、LY11、LZ11；夹模安装中心坐标LX21、LY21、LZ21，该夹模安装中心坐标值将围绕四轴旋转中心点，以L1为半径拟合为一圆弧轨迹；

步骤3、构建产品坐标系计算公式

以夹模安装中心为基准，夹模设计时将产品固定于夹模中，在此设产品加工坐标系分别为G54、G55、G56、G57、G58、G59、G54.1、G54.2……；

假设各坐标系对应坐标值为如下所示：

G54坐标系值为：X54、Y54、Z54

G55坐标系值为：X55、Y55、Z55

G56坐标系值为：X56、Y56、Z56

…

G54坐标系计算公式为：

X54 = LX21 + LX31；

Y54 = LY21 + LY31；

Z54 = LZ21 - LZ31；

其中，LX31为夹模安装中心X基面与产品X向中心间距离，LX31、LY31、LZ31均以夹模安装中心为基准，依笛卡儿坐标系判断数值的正负；

则G56坐标系计算公式为：

X56=(X1-LX31)+LX21；

Y56=（LY31-Y1）+LY21；

Z56=（Z1-LZ31）+LZ21；

其中，X1、Y1、Z1为G56相对于产品基准坐标G54的距离数值，依笛卡儿坐标系判断数值的正负；

依此类推，可获得其他G55、G57、G58、G59……的坐标系计算公式；

步骤4、产品参数输入

依夹模设计工艺尺寸及依图纸设计的产品各坐标系间尺寸所组成的产品参数，包括夹模安装中心与产品基准坐标G54的参数组（LX31、LY31、LZ31），各坐标系间尺寸参数（X1、Y1、Z1；X2、Y2、Z2；……）及角度参数（A0、A1）；

基于步骤2的坐标计算模型，应用步骤3的产品坐标系计算公式，通过输入上述产品参数，计算出该产品的所有坐标系的数值，即X54、Y54、Z54；X55、Y55、Z55；X56、Y56、Z56；……；同时，系统自动生成该产品加工标准程序架构；然后，用户在此标准程序架构中完善该产品的加工工艺程序，从而形成待加工产品完整的产品程序；

步骤5、程序传输加工

将所述待加工产品完整的产品程序传输到机床中，夹模以夹模安装中心点为定位基准安装在四轴转台；然后，将产品放入夹模中夹紧；最后，进行刀具对刀与补偿输入,启动机床运行程序加工产品。