单转台单摆头五轴机床工件坐标系建立及编程

1、单转台单摆头五轴机床工件坐标系建立及编程摘 要：以单转台单摆头五轴联动数控机床为例，详 细介绍了五轴机床工件坐标系的建立过程，尤其针对五轴机 床转台旋转中心的确定及主轴刀具摆长的测定、计算及输入 进行了详细讲解，并且以 SKY 五轴机床为例介绍了多轴编程 的基本格式。关键词：单转台单摆头；工件坐标系；编程引言五轴机床一般为在普通三轴机床的基础上附加了两个 旋转轴。又称为 3+2 轴。按照旋转轴的类型，五轴机床可以 分为三类：双转台五轴、双摆头五轴、单转台单摆头五轴。 旋转轴分为两种：使主轴方向旋转的旋转轴称为摆头，使装 夹工件的工作台旋转的旋转轴称为转台。单转台单摆头五轴机床以旋转轴B为摆头，

2、旋转平面为 ZX平面；旋转轴C为转台，旋转平面为XY平面。其特点为： 加工过程中工作台只旋转不摆动，主轴只在一个旋转平面内 摆动，加工特点介于双转台和双摆头之间，其旋转轴结构如 图 1 所示。图 1 单转台单摆头五轴机床机构工件坐标系的建立就是将 CAM 软件的三维图形中的加 工坐标系与实际机床上的加工坐标系统一起来。工件原点 （加工坐标系原点）位置是由编程人员设定的。机床上工件 的原点反映的是工件与机床原点之间的位置关系。工件原点 一旦确定一般不再改变。而转台加摆头的五轴机床在装夹工 件之前要先测出转台中心，装夹工件时校正工件或测量出工 件位置偏差，还要测定摆轴的有效摆长，有效摆长等于摆轴

3、长加基准刀具长度之和。1 建立工件坐标系 单转台单摆头五轴机床，一般将加工原点取在旋转工作 台（C轴）的旋转轴线上，因此对刀时必须找到转台的中心， 加工原点的X、Y轴坐标由转台中心位置确定，但Z轴坐标 根据工件上的基准而定，与转台中心无关。1.1 校正摆轴，使主轴垂直于工作台（对刀 B 轴原点） 方法一：如图2所示，在主轴上装一标准芯棒（或刀杆）； 移动B轴，使主轴大概垂直于工作台平面；将千分表吸在工 作台面上，调整表针位置，让表针接触刀杆或芯棒；低速转 动主轴，或用手拨动刀杆或芯棒使主轴转动，若千分表读数 随主轴旋转而变化，则重新安装芯棒，直至千分表读数不随 主轴转动而变化或读数在允许的范围

4、之内；上下运动Z轴, 观察千分表读数变化，调整B轴，使千分表读数不随Z轴上 下移动而变化或其变化在允许的范围之内，此时主轴与工作 台垂直。把这时机床坐标 B 轴的数值输入到 G55 对话框中的B 框中，并按“确定”按钮保存。方法二：将千分表吸到刀柄上，并能保证表随着刀柄在 360 度范围内自由转动时不受任何阻碍。如图 3 所示：调整 表的高度使表头接触到工作台面，然后旋转刀柄让表头在工 作台面上划一个整圆，调整 B 轴的角度，使千分表在这个圆 的任意位置上读数基本相等，把此时B轴机床坐标的数值输 入到 G55 对话框中的 B 框中，并按“确定”按钮保存。图 3 摆轴校正方法二 两种方法相比较，

5、方法二比方法一更加精确、可靠，所 以操作机床时建议使用方法二。一般情况下， B 轴的零位在新机床出厂调试时已经校正， 即 B 轴机床坐标为零时，主轴垂直于工作台，但为了确保精 度，加工前应复检一次。1.2 转工作台的旋转中心（对刀 X、Y 轴原点）如图 4，把表吸到刀柄上，并保证表和刀柄 360 度范围 内自由转动时不受任何阻碍；调整机床 X、Y、Z 轴和千分表 位置，使得千分表在随刀柄旋转一周时，表针基本能接触到 旋转工作台的内孔壁；进一步调整 X、Y 轴的位置，直到千 分表的读数在内壁任意位置基本相等；把此时 X、Y 轴的机 床坐标值输入到 G55 对话框的 X、Y 框中，并按“确定”按

6、钮保存。1.3 装夹工件和刀具把工件固定在旋转台上，加工时所需要的第一把刀具装 夹到主轴上。1.4选定C轴的基准边（对刀C轴原点）通常在需要进行多轴加工的工件上取一基准边，把这个 基准边与X （或Y）轴成一特定角度或平行时的C轴位置作 为C轴的零位。把此时C轴的机床坐标值输入到G55对话框 的 C 框中，并按“确定”按钮保存。对 Z 轴的加工原点操作人员要知道编程人员把 Z 坐标原点设置到了工件上 的哪个位置，这里的对刀点就对到哪个位置。将B轴转到零 位（即主轴垂直于工作台），让刀尖接触工件上的基准点， 将这点的机床坐标值输入到 G55 对话框的 Z 框中，并按“确 定”按钮保存。找出旋转台的

7、中心和工件中心的偏差按照三轴操作去找工件的原点，把工件原点的X、Y坐 标值分别输入到G54对话框的X、Y框中，并按“确定”按 钮保存。比较G54和G55坐标参数中X、Y轴的数值，按照 如下公式计算：？驻 X=XG55-XG54？驻 Y=YG55-YG54将计算出的数值保存，作为后续编程使用数据。测定摆长如图5所示：使用标准量块，置于工作台面，在B轴零 度（主轴垂直于工作台面）时，把刀尖移动到垫块的上表面， 再把刀具抬高一个刀具半径，记录下此时机床坐标 Z 坐标值， 设为P1,让B轴摆动到“90度”或“-90度”，再让刀具移 动到垫块上表面，记下此时机床坐标的数值，为 P2， |P1|-|P2|

8、二P （摆长）。图 5 测量摆长把“-P”输入到机床坐标系设定对话框的Z框中，并保 存（加工程序中要用到 G 指令来调用这个摆长值）。将系统中刀长补正值清零在 F1 自动方式下按“5 刀具”，弹出如图 6 所示的刀具 定义对话框，在刀具长度补偿中填入“0”，点“更改”。图6 刀具定义对话框以上为第一把刀具对刀的全过程，我们称为基准刀具对 刀（或称初始刀具）；当主轴上刀具更换之后，所使用的刀 具就不是基准刀具了，称为当前刀具。当前刀具也需要建立 工件坐标系，但只需要测量其与初始刀具的长度差值，将这 个差值输入到如图 7 的刀具长度补偿中，点“更改”保存即 可。当前刀具长于初始刀具的补偿值为正值；

9、反之，补偿值 为负值。2 多轴编程规则及程序格式五轴加工就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断 变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个角 度，利用铣刀的侧刃或底刃切削来完成加工。五轴加工的关 键是如何合理控制刀轴矢量(刀具轴的轴线矢量)的变化。 加工不同的曲面，为了实现加工需要，刀轴矢量的改变方式 是不同的；刀轴矢量的变化是通过工作台摆动或主轴的摆动 来实现的，不同结构类型的五轴机床其运动学关系是不同的 合理的控制刀轴矢量既要满足曲面加工的需要，又要使刀轴 矢量变化范围在所使用的机床可实现的范围内。因此，五轴 机床编程的基础是理解刀轴矢量的变化会在实际机床加工 中产生何种效果。多轴机床主要依靠计算机及软件完成自动编程，所用到 的编程代码比较单一。随着科技的发展，多轴机床的普及程度会越来越高，那 么对于编程及操作人员的要求也就越来越严格，只有掌握机 床结构、运动形式及编程规则，才能够熟练操作多轴机床进 行加工。参考文献石皋莲，季业益多轴数控编程与加工案例教程