西門子840D五軸聯(lián)動刀具補償及應用

1、西門子840D五軸聯(lián)動刀具補償及應用唐建明 卞進澤(江蘇多棱數(shù)控機床股份有限公司，江蘇 常州 213012)摘要：通過對刀具軸、刀具補償、坐標變換的分析研究，介紹了五軸聯(lián)動刀具補償?shù)睦碚摷皯?。關鍵詞：刀具軸、刀具補償、坐標變換1 五軸聯(lián)動的結構形式及其轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)臺主從關系五軸聯(lián)動對葉輪、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床的由點成面、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。對復雜曲面只要指定刀具軸與零件曲面表面的位置關系，就可使復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)動就必須使五軸刀具補償生效。五軸聯(lián)動的旋轉(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)所對應的線性軸的正方向按右手定則確定,當然旋轉(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)設定。通常根據(jù)轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)臺的組成情況大致可把五軸聯(lián)動分成三種結構型式：（a）兩個旋轉(zhuǎn)軸；（b）兩個轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)；（c）一個轉(zhuǎn)軸加一個轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。在確定了結構型式后旋轉(zhuǎn)軸的主從關系也隨之確立，如表1所示：表1 五軸聯(lián)動的三種旋轉(zhuǎn)類型2（Table 1. Three rotation options of 5-axis machining）結構形式主從關系旋轉(zhuǎn)形式（a）第一個旋轉(zhuǎn)軸C（主）刀具軸旋轉(zhuǎn)第二個旋轉(zhuǎn)軸A

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

4、軸上。在五軸聯(lián)動的加工中，保持刀具中心位置不變是可以通過各線性軸的位置調(diào)整來實現(xiàn)，如圖2所示。從而編程時只要考慮刀具中心的運動和刀具軸的方向，解決了編程和實際運行的統(tǒng)一。如何在只有A、C軸運動的情況下，保持刀具刀尖位置不變，分析如下：設當A、C軸擺動aA和aC后，X，Y，Z產(chǎn)生的移動分別是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)運動 (Fig 2. Rotation of the cutter )aC=0aCaANZNZ （a） （b） （c）圖

5、3 各軸運動的相對變化關系（Fig 3. The relative relationship between the axis rotation）圖3（a）為機床坐標系；（b）為C軸在零位，A軸擺動角度aA時Z、Y軸的變化；（c）為A、C擺動后的X、Y變化。 可見A、C軸擺動后X、Y、Z軸產(chǎn)生的移動分別為Nx、Ny、Nz。aA 、aC為A、C軸的實際角度，經(jīng)過上述推算在刀具長度補償生效時，設A、C軸移動的角度為aA、aC，則X、Y、Z的移動補償量為 Nx -Ny - NZ 。在西門子系統(tǒng)中將五軸刀具長度補償稱為位置變換（坐標變換）即在激活補償?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、換方程計算出相應的X、Y、Z軸的補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軸擺動后X、Y、Z軸產(chǎn)生的移動量，即- Tm即為刀具的補償量。3、實際應用

7、中數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設定根據(jù)刀具長度補償?shù)脑?，參考西門子的參數(shù)說明進行相關參數(shù)設定。首先要選擇刀具補償?shù)念愋停ㄈ绫?）。表2 萬能銑頭補償類型選擇表2（Table 2 Compensation list of universal miller）第一旋轉(zhuǎn)軸第二旋轉(zhuǎn)軸補償類型刀具軸初始位置AACCCCAA129145132148XZXZ根據(jù)上述的說明結合XH2725/5X-10機床的結構可知補償類型應選擇148（該機床的結構參數(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)方向為順時針）。由上述提供的數(shù)據(jù)進行相關參數(shù)設定，設定如下：補償類型：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列出。4、五軸刀補在加工中的應用西門子840D系統(tǒng)中激活五軸刀具長度補償?shù)闹噶顬門RAORI，取消補償?shù)闹噶顬門RAFOOF。激活刀具補償后應再調(diào)用一次

9、工件坐標系，選擇G54-G57中的任意一個，否則系統(tǒng)會認為使用的是機床本身的機械坐標從而導致出錯。實際使用過程由于刀具的長度補償對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 刀具補償對加工的影響 (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)；右圖實線表示刀具的測量值比左圖短去部分為L，虛線表示刀具的實際加工狀態(tài)。若將刀具的實際長度縮短L ,A軸的擺動角度為aA，則知零件外形將變小，變化值為L*sinaA。故實際應用時應盡量保證刀具具有精確的長度值。測

10、量刀具長度一般有兩種方法：用對刀儀測量；用百分表測刀尖與主軸端面的距離。 對應于長度補償，西門子840D還提供了五軸刀具半徑補償，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號刀具的1號刀沿下設定刀具長度和刀具半徑。TRAORI 1 /激活五軸長度補償CUT3DC 1 /激活五軸半徑補償G1 G54 G42 X10 Y10 F2000X60A30 C10Y150G1 G40 X- Y- /撤消半徑補償TRAFOOF /撤消五軸長度補償參考文獻：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