数控机床附件铣头坐标转换和CYCLE800的应用

数控机床铣头附件坐标转换和 CYCLE800 的应用 一一 课题的提出和要求课题的提出和要求 随我公司三轴联动龙门式数控机床产品技术的发展及用户工艺 加工要求的提高和扩大 现有的数控机床铣头附件控制功能已不能 满足用户的使用要求 主要问题是 自动化更换机床铣头附件中 未能实现被加工工件参考坐标系的连续性转换 每次更换机床铣头 附件后 只能中断加工程序进行手动重新设置加工工件参考坐标系 的零点位置 且无法实现倾斜面的加工 此问题影响到数控机床连 续加工性 加工精度和加工效率 因此已有不少购买我公司数控机 床产的用户要求 数控机床更换铣头附件后自动实现加工工件参考 坐标系的零点位置的自动设置 几何轴的旋转角度和当前加工坐标 系平面的刀具补偿 数控系统针对数控机床技术的发展的现状和用 户要求 我们提出了建立在 SEIMENS840D 数控系统下的 数控机床 铣头附件坐标转换和 CYCLE800 的应用 的研发课题 本课题首先是 用来解决铣头附件坐标转换问题 提高我公司 数控机床自动性能 扩大加工使用范围 以适应市场的需求 满足 用户要求 其二是 进一步掌握数控机床的复杂的坐标转换技术 为在其他种类的数控机床和数控系统 例如 五轴联动数控机床 带附件铣头和旋转工作台数控镗铣加工中心和 FANUC FIDIA 数控系 统等 上 的坐标转换技术应用打下基础 为今后的数控机床产品发展做好技 术准备 该课题的要求是 1 数控机床直角铣头 万能铣头和加长铣头附件的 相对固 定 的 Z 轴滑枕上的坐标参考点的坐标平移和旋转 坐标转 换 2 坐标转换后 刀具方向可根据坐标转换前所的加工平面 G17 G18 G19 定义新的刀具方向 以进行刀具长度和 半径补偿 3 能铣头坐标转换的几何轴回转具有三种模式 既逐轴 投 影片角和立体角模式 4 铣头附件的转动 手动和自动 5 实现可编成的坐标转换下的铣头附件绝对的坐标转换 二 课题国内现状简析二 课题国内现状简析 虽然目前国内所使用的带附件铣头数控机床数量不少 但尚未发 现使用数控机床铣头附件坐标转换功能 使用万能附件铣头 回 转 C 和 B 摆来确定刀具定向时 仅是回转几何同过手动来确定工 件具有坐标系零点 除五联动数控机床 TPCR 刀具定向 具有结 构动态补偿 功外 部分进口带附件铣头数控机床具有铣头附件 坐 标转换功能 而此功能是制造商用可编成几何坐标加工指令做成 使用受一定条件的限制 鉴于国内数控机床前景及铣头附件坐标 转换功能的重要性 已有厂家开始研发此项功能 借此提高数控 机床的产品性能 以得到好的市场回报 就数控系统发展而言 NC 的功能性在逐渐提高 如在结构补 偿中增加了附件坐标转换功能 FIDIA 数控系统是这样 在三轴联 动数控机床功能上设定虚拟轴来实现附件坐标转换功能 SEIMENS840D 数控系统才用的是静态的框架结构补偿 各数控系统 在逐渐增加框架结构补偿功能性 因此数控机床铣头附件坐标转换 作为 NC 的功能 其使用更加灵活和可靠 三 解决方案三 解决方案 通过对 SEIMENS840D 系统功能研究 有如下三种方案进行比较 1 1 方案一 方案一 使用可编程的坐标转换 坐标旋转简便 但平移计 算复杂 控制程序庞大而复杂 实现较为困难 2 2 方案二 方案二 使用 NC 附件坐标转换功能 主要由两个部分 一 是绝对式的附件坐标转换功能 TCOABS 用于实现附件坐标转换平 移补偿 转换后的工件和刀具坐标没有被旋转 仅刀具长度沿附件 旋转角度定向 坐标可过工件坐标旋转 PAROT 和刀具坐标旋转 TOROT 功能进行转动 TOROT 功能按被附件坐标转换激活的角度 定向刀具 同时覆写系统工件坐标变量 P TOOLFR 使工件坐标发生 旋转 其二是相对于可编程的坐标旋转的附件坐标转换 TCOFR 用于实现附件坐标转换按可编程坐标旋转角度进行 刀具补偿是根 据变换前所在的平面 G17 G18G 或 19 被定位于新的坐标系中 坐标旋转较为灵活 有逐轴 投影和立体角等 转换方式 可根据附 件的姿态和加工件灵活使用 不足的是 没有介面支持 配置困难 使用灵活性差 3 3 方案三 方案三 使用 CYCLE800 功能循环程序 由 CYCLE800 功能循 环程序参数编辑界面 配置界面和 CYCLE800 程序 CYCLE800 SFP TOOLCARR SFP 组成 使用和设置灵活方便 功 能方面 主要是可编程的坐标旋转的附件坐标转换 TCOFR 自动 功能方式 CYCLE800 功能循环程序按铣头附件的摆动角 C 和 B 角 先做工件坐标变量 P WPFRAME P WPFR 角度设置进行坐标旋转 再进行可编程的坐标旋转的附件坐标转换 TCOFR TCOFRY TCOFRX 但无法使用绝对式的附件坐标转换功 能 TCOABS 功能 CYCLE800 功能循环程序中仅用做第二旋转轴为斜 轴时的角度计算 4 4 方案四方案四 使用方案三结合方二案中的绝对式的附件坐标转换 功能 我们经对我公司数控机床铣头附件和用户的要求实验分析及上 述方案比较 认为采用方案四是合理的 四 方案分析四 方案分析 1 1 绝对式的附件坐标转换功能绝对式的附件坐标转换功能 绝对式的附件坐标转换功能 TCOABS 使得工件坐标产生平移 刀具长度沿附件旋转角度定向 转换矢量见图 1 附件参考点是被设定在滑枕的断面上 是所有铣头附件的参考 点 L1 附件参考点至第一旋转轴的轴线矢量 L2 第一旋转轴的轴线至第二旋转轴的轴线矢量 L3 在第二旋转轴上的摆的长度矢量 V1 和 V2 旋转轴线的角度矢量 系统变量 TC CARR13 m 第一旋转轴的角度 TC CARR14 m 第二旋转轴的角度 TC CARR21 m C 第一旋转轴的轴符 TC CARR22 m B 第二旋转轴的轴符 TC CARR23 m T 定义刀具旋转 TC CARR30 m TC CARR31 m 第一旋转轴的正负 角度限制 TC CARR32 m TC CARR33 m 第二旋转轴的正负 角度限制 TC CARR1 m TC CARRm12m TC CARR15 m TC CARR17 m 是根据铣头附件的结构来设置 L1 L2 L3 V1 V2 矢量 这些参数可通过 CYCLE800 程序的配置界面进行设定 V1 或 V2 旋转轴线的角度矢量在非平行于任何机床坐标轴 刀 具方向相对于转换前的坐标的角度 通过 PAROT 功能后的系统坐标 变量 P PARTFRAME 来确定 当 TC CARR13 m 和 TC CARR14 m 均为零时 附件坐标 转换按 TC CARR21 m 和 TC CARR22 m C 和 B 轴 设定 轴的实际位置角度计算 自动方式下 C 和 B 轴 模态方式 旋转角度有一定的范围 需设置 TC CARR30 33 参数 NC 在附件坐标转换功能中计算旋 转方向和角度 由变量 P TCSOL 读出计算状态 1 是输入角度正 确 2 是存在第二解析 输入角度要通过读变量 P TCANG 3 和 P TCA NG 4 来修正 3 是入角度超出限制 绝对式的附件坐标转换功能按图 2 配置 图 2 中 附件参考点 与第一旋转轴的轴线上的旋转点重合 矢量合为零 不包括刀具长 度 转换后的附件补偿量在 WCS 中位移量为零 其类似 三轴到五 轴转换功能 中的工件坐标的补偿矢量 Po 作用 区别是 前者为静 态而后者为动态 2 2 CYCLE800CYCLE800 功能循环程序功能循环程序 图 2 中 附件坐标转换后 工件坐标的 Z 轴垂直于被加工的平 面 这是典型的倾斜加工方式 CYCLE800 功能循环如是 根据所使用的铣头附件结构 用 CYCLE800 功能循环程序配置 界 图 3 图 4 面功能 设置图 2 或图 1 中矢量参数 铣头附件号 回缩方式 刀 尖跟踪方式等 界面编辑见图 3 4 附件坐标转形式 设置变量 TC CARR23 m T 刀具旋转 P 工作台旋转 M 刀具和工作台旋转 矢量参数 设置变量 TC CARR1 m TC CARRm12m TC CARR15 m TC CARR17 m 铣头附件号 TC CARRn m 中的值 回缩方式 附件坐标转换前铣头附件沿 Z 轴 或 X Y 回退 刀尖跟踪方式 使用 三轴到五轴转换功能 TRAORI TRAORI 功能启动后 WCS 中的坐标值是刀尖的位置 故 CYCLE800 功 能循环程序形式参数 X0 Y0 Z0 X1 Y1 Z1不起作用 坐标旋转仅为逐 轴方式 说明的是 使用 TRAORI 后再用附件坐标转换不方便 用 RPY angle Euler angle 和 Direction vector 方式之一是合理的 旋转角度限制轴的选择 DirectionDirection 根据 CYCLE800 功能循环 中参数旋转轴的方向 是用于第一旋转轴或第二旋转 与 CYC LE800 程序形式参 DIR 结合使用 自动或手动方式 ModeMode C 和 B 轴的手动转动和自动转动 旋转角度限制 AngleAngle areaarea 旋转角度的范围 旋转记录 附件坐标转换后 产生一文件 TC LOG MPF 记录坐 标转换数据 使用附件坐标转换要进一步对 CYCLE800 功能循环中参数设定 见图 5 图 5 铣头附件名 配置界面设定的铣头名称 回退轴 RetractRetract 附件坐标转换前铣头附件沿 Z 轴 或 X Y Z 和不回退 回退 转换后的再旋转 SCHWENKENSCHWENKEN 老的坐标转换在附件坐标转换 后进行 Yes Yes 是对老的坐标平面 swivel plane 起作用 附件坐标转换计算角度 老的坐标平面角度 可编程坐标平 面角度 A B C 角度 坐标转换角度 老的坐标平面角度 可编程坐标平面角度 坐标平面 swivel plane 新的 附件坐标转换前老的附件坐标 转换被删除及不存在可编程坐标转换 老的 建立在老的附件 坐标转换及可编程坐标转换的附件坐标转换 附件坐标转换计算角度和坐标转换角度 老的坐标平面角 度 可编程坐标平面角度 A B C 角度 旋转前参考点 Ret Ret pointpoint X0 Y0 Z0 X0 Y0 Z0 附件坐标转换前的 WCS 零点 旋转方式 swivel mode 有逐轴 投影角和立体角三种 旋转轴 Rrot around 一 二旋转轴绕几何坐标轴 X Y Z 的定义 第三几何坐标轴未定义 立体角方式下此参数的定义 无意义 旋转角度 A B C A B C 铣头附件旋转角度 旋转后参考点 Zero Zero pointpoint X1 Y1 Z1 X1 Y1 Z1 附件坐标转换后的 WCS 零 点 轴的旋转方向 direction 自动方式下 有正 负和最短距离方 式 刀尖跟踪方式 Tracking TL 在配置界面中设定 CYCLE800 功能按旋转方式输入角度 进行可编程的坐标旋转设 置和变换 立体角坐标旋转 刀具在 Z 轴方向和手动旋转方式 其 主要转换程序段如下 N100 G17 选择加工平面 N200 WPFR CTRANS X X0 Y Y0 Z Z0 CROT C C 轴的输入角度 CROT B B 轴的输入角度 CTRANS X X1 Y Y1 Z Z1 立体角和平移量输入到中间坐标变量 WPFR 为程序中定义 的坐标系变量 N200 WPFRAME P WPFRAME WPFR 激活工件坐标旋转和参考点平移 P WPFRAME 为系统被激活 的基本工件坐标系变量 如果坐标平面 swivel plane 为老的 则 P WPFRAME 的内容是上次附件坐标转换的数据 坐标平面 swivel plane 为新的 坐标系变量 P WPFRAME 的内容为零值 N400 P WPFR P WPFRAME 用 54 G500 激活的基本工件坐标系变量 执行 54 G500 第八 G 代码组中任意一 G 功能 时 P WPFR 值 复写 P WPFRAME N500 G 8 NV akt 选择 G54 G54 G500 G599 激活参考零点 同时按 P WPFR 值覆写 P WPFRAME N600 CUT2DF TCOFR Z Y X TCARR M 激活刀具坐标旋转 其计算坐标旋转角度是参照 P WPFRAME 中的旋转分量 TCOFR 对应 G17 TCOFRY 对应 G18 TCOFRX 对应 G19 CUT2DF 激活在坐标旋转后的刀具补偿功能 N700 PAROT 工件坐标按所计算坐标旋转角度旋转 执行 N500 程序段后 附件坐标转换被激活 旋转角度仍然在 P WPFRAME 中 PAROT 后 按附件坐标转换 激活的角度 去覆写 P PARTFRAME 坐 标变量旋转分量 执行 M 0 的 CYCLE800 以完成 PAROTOF 对附 件坐标转换的复位 关键是 激活的角度 TCOFR 功能是针 对 P WPFRAME 的变换 因此 激活的角度 为零 所以本程 序段是对 P PARTFRAME 坐标变量旋转分量清零 若附件坐标 转换未被激活 PAROT 指令仅对 P PARTFRAME 坐标变量旋转 分量的清零 对可编程的坐标转换无影响 N800 IF P TCSOL 2 判断是否有第二解析 有第二解析 则根据度限制轴的选择 DirectionDirection 和 和轴的旋转方向 direction 的设置 重新执行附件 坐标转换 N900 D P TOOL 因刀具补偿在 N700 后 仍在坐标旋转前的坐标系 所以要再 次激活刀刃数据以确认在新坐标系下的刀具补偿 N1000 IF LOG ON 1 OR LOG ON 2 记录文件的处理 在 CYCLE800 功能循环中立体角是逐轴旋转方式的一种形式 轴 旋转 再做新的坐标系上 Y 轴旋转 这种旋转方式适合我们公司数 控机床铣头附件结构 即 C 轴带动 B 轴旋转 如万能铣头 直角铣 头也可按此设定 不设定第二旋转轴 B 角度仅输入 C L1 L2 和 L3 按图 2 或图 3 矢量设定 要根据加工件的编程和习 惯 区别是 在图 2 中工件零点在附件坐标转换后的参考点上 在 图 3 中附件坐标转换前的坐标上迭加附件坐标转换的偏移量 旋转角度限制 AngleAngle areaarea 非为零的设置 输入角度不在旋转 角度区域内 输入角度的计算存在第二解析 P TCSOL 2 旋转 角度限制轴的选择 DirectionDirection 和 和轴的旋转方向 direction 来决定旋转 轴的方向和角度 第二解析值 因存在第二解析 第一解析被废 弃 所以要重新执行N500程序段 以第二解析角度进行附件坐标转 换 P TCANG 1 2 与 P TCANG 3 4 交换 旋转记录文件 TC LOG MPF 记录了两个解析以供分析 万能铣头的B轴存在旋转角 度限制 度限制轴的选择为第二轴 轴的旋转方向任意选择 但不 需要进行第二解析角度进行件坐标转换 故在 P TCSOL 2时 报 警提示 CYCLE800功能循环程序调用TOOLCARR SFP子程序回退和自动功能 自动旋转功能下 配置界面设置旋转轴符与 通道的轴符一直 通过主轴电动机驱动的铣头附件 如直角和万能铣头 的自动旋转 在TOOLCARR SFP程序 M40处嵌入附件旋转的宏指令 PROG E VENT SPF是NC系一定条件下 如程序的开始 启动 RESET和 PO WERUP 启动异步程序 因MD 20108 PROG EVENT MASK 0 在CYCLE800功能循环程序中没有调用 PROG EVENT SPF程序 所以无须加载到NC和编辑 要说明的是 CYCLE800 功能循环中比较多地使用系统坐标变量 要设置 MM SYSTEM FRAME MASK 的 bit 2 1 bit3 1 bit 4 1 要是 bit 2 0 使用 TOCARR BASE FRAME NUMBER 参 数 指定 NC 通道坐标变量 则需要修改 CYCLE800 功能循环程序 开放 较多的NC通道坐标变量 NC系统有 TRAFO TYPE 768 H300 kine matics 功能生效 CYCLE800功能循环后 此功能将被取消 五 试验 1 试验设备 XK2140 100 龙门数控铣床 铣头附件 直角 万能和加长铣 头 2 参数配置 铣头附件结构见图 6 7 8 直角铣头 图 6 进入图 3 界面 参数配置如下 附件坐标转形式 T 铣头附件名称 RAHEAD 铣头附件号 1 回缩方式及距离 Z L1X 0 000 L1Y 342 658 L1Z 589 983 V1X 0 000 V1Y 0 000 V1Z 1 000 L2X 0 000 L2Y 342 658 L2Z 589 983 V2X 0 000 V2Y 0 000 V2Z 0 000 L3X 0 000 L3Y 0 000 L3Z 0 000 图 6直角铣头 图 7 万能铣头 图 8 加长铣头 坐标旋转方式 Solid angles 旋转角度限制轴的选择 1 进入图 4 界面 参数配置如下 铣头附件号 1 第一旋转轴符 C 第一旋转轴自动或手动方式 ModeMode JOG 第一旋转轴旋转角度限制 AngleAngle areaarea 0 0 第二旋转轴符 NO 第二旋转轴自动或手动方式 ModeMode NO 第二旋转轴旋转角度限制 AngleAngle areaarea NO 旋转记录 1 刀具变化 NO 万能铣头 图 7 进入图 3 界面 参数配置如下 附件坐标转形式 T 铣头附件名称 万能 UNHEAD 铣头附件号 2 回缩方式及距离 Z L1X 0 000 L1Y 320 000 L1Z 883 900 V1X 0 000 V1Y 0 000 V1Z 1 000 L2X 0 000 L2Y 320 000 L2Z 563 689 V2X 0 000 V2Y 1 00 V2Z 0 000 L3X 0 000 L3Y 0 000 L3Z 320 211 坐标旋转方式 Solid angles 旋转角度限制轴的选择 2 进入图 4 界面 参数配置如下 铣头附件号 2 第一旋转轴符 C 第一旋转轴自动或手动方式 ModeMode JOG 第一旋转轴旋转角度限制 AngleAngle areaarea 0 0 第二旋转轴符 B 第二旋转轴自动或手动方式 ModeMode JOG 第二旋转轴旋转角度限制 AngleAngle areaarea 0 0 旋转记录 1 刀具变化 NO 加长铣头 图 8 进入图 3 界面 参数配置如下 附件坐标转形式 T 铣头附件名称 ADLOHEAD 铣头附件号 3 回缩方式及距离 Z L1X 0 000 L1Y 0 000 L1Z 875 346 V1X 0 000 V1Y 0 000 V1Z 1 000 L2X 0 000 L2Y 0 000 L2Z 875 346 V2X 0 000 V2Y 0 000 V2Z 0 000 L3X 0 000 L3Y 0 000 L3Z 0 000 坐标旋转方式 Solid angles 旋转角度限制轴的选择 1 1 进入图 4 界面 参数配置如下 铣头附件号 3 第一旋转轴符 C 第一旋转轴自动或手动方式 ModeMode JOG 第一旋转轴旋转角度限制 AngleAngle areaarea 0 0 第二旋转轴符 NO 第二旋转轴自动或手动方式 ModeMode NO 第二旋转轴旋转角度限制 AngleAngle areaarea NO 旋转记录 1 刀具变化 NO 3 实验程序 绝对式的附件坐标转换功能绝对式的附件坐标转换功能 以以直角 万能铣头为例 程序一 按图 1 中矢量转换 N1000 M0 手动调整万能铣头 C 轴 30 度 B 轴 40 度 N1100 TC CARR13 2 30 N1200 TC CARR14 2 40 N1300 G54 X0 Y0 Z0 A0 G1F2000 N1400 TCARR 2 T1D1 TCOABS N1500 X0 Y0 Z0 A0 G1F2000 N1600 M30 程序二 按图2中矢量转换 N1000 M0 手动调整万能铣头 C 轴 0 度 B 轴 45 度 N1100 TC CARR13 2 0 N1200 TC CARR14 2 60 N1300 G54G17X0 Y0 Z0 A0 G1F2000 N1400 ROT Z45 N1400 CUT2DF TCARR 2 T1D1 TCOABS N1500 TOROT PAROT N1600N1600 X0X0 Y0Y0 Z0Z0 A0A0 G1G1 F2000F2000 N1700N1700 M30M30 CYCLE800CYCLE800 功能循环程序功能循环程序 在编辑状态下打开图 5 界面 输入 CYCLE800 功能循环 形式 参数 铣头附件名 UNHEAD 回退轴 Z 转换后的再旋转 NO 坐标平面 NEW 旋转前参考点 X0 0 Y0 0 Z0 0 旋转方式 Solid angles 旋转轴 第一旋转轴绕 Z 轴旋转 C 第二旋转轴绕 Y 轴旋 转 B 旋转角度 C 45 B 60 旋转后参考 X1 0 Y1 0 Z1 0 轴的旋转方向 direction Minus 刀尖跟踪方式 Tracking TL NO 按确定软键 在编辑界面形成 CYC