一种双旋转工作台五轴机床旋转刀具刀尖控制方法

摘要

本发明公开了一种双旋转工作台五轴机床旋转刀具刀尖控制方法，在标准带有RTCP功能的数控系统的基础上，根据五轴数控机床的结构形式，编写后处理。所谓后处理就是把刀具位置源文件转化为机床控制系统识别的数控程序的过程。本发明的控制系统上带有RTCP选项功能，坐标变换由控制器来计算，加工程序可以保持不变，对于同一批零件，不会因为装夹位置变化而总是改变程序。只需要将相应坐标位置写入参数中即可。同时也带来了以下几点好处：加工工件多样性；加工效率提高；加工精度高。

说明书

技术领域

本发明属于五轴机床加工技术领域，尤其涉及五轴机床刀具中心刀尖定位误差控制技术。 

背景技术

数控机床按照坐标系中轴的数量，分为三轴数控机床，四轴和多轴数控机床（含五轴及五轴以上）。理论上，有3个线性轴和2个回转轴的数控机床，五轴联动可以实现复杂曲面的连续加工，一般称为五轴五联动数控机床；若可五轴定位但不联动，可以加工空间任意方位点，一般称为五轴定位数控机床。五轴数控机床按结构形式，分为双工作台摆动型，双主轴铣头摆动型，工作台旋转和主轴头摆动型等。数控机床控制器按功能特点分，分为不带RTCP(旋转刀具中心点，刀尖保持)功能型和带RTCP功能型，早期的数控系统一般不带RTCP功能，进行五轴五联动加工时，要求加工程序计算出工件的加工点，在机床转动后的实际坐标值，还要考虑刀具补偿等问题。如果是带主轴头摆动的机床，这个问题尤为突出，一旦在换新刀的情况下，刀具长度发生了变化，原来的程序值都不正确了，需要重新进行后处理，这给实际使用带来了很大麻烦。并且加工效率低。 

发明内容

为了克服上述存在的技术问题，本发明提供了一种双旋转工作台五轴机床旋转刀具刀尖控制方法，该方法有效对刀具长度误差进行补偿，提高了五轴机床的加工效率。 

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种双旋转工作台五轴机床旋转刀具刀尖控制方法，所述五轴机床加工点定位坐标系包括3个线性轴和2个旋转轴，其中3个线性轴构成三维坐标系，一个旋转轴围绕三维坐标系中X轴旋转并设定为A轴，另一旋转轴围绕三维坐标系中的Y轴旋转并设定为C轴，包括以下步骤： 

步骤一、基本参数设定，按下表对各参数进行定义和设定值： 

参数号码 设定值 参数含义 pr3001 2 五轴机构类型:双旋转工作台 pr3002 3 刀具万向:z轴 pr3003 0 刀具倾斜角度 pr3004 0 刀具倾斜角度 pr3005 1 lst旋转轴:A轴 pr3006 3 2nd旋转轴:C轴 pr3007 2 lst旋转轴万向:左于定则 pr3008 2 2nd旋转轴万向:左于定则 Pr3009 250000 lst旋转轴角度起点:250度 pr3010 15000 lst旋转轴角度终点:15度 Pr3011 0 2nd旋转轴角度起点:0度 pr3012 0 2nd旋转轴角度终点:0度 pr3013 0 刀座长度 pr3031 0 由A轴往C轴在X万向之偏移量 Pr3032 实际量测值Yca 由A轴往C轴在Y万向之偏移量 pr3033 实际量测值Zca 由A轴往C轴在z万向之偏移量 Pr3034 实际量测值XO A轴轴X轴心机械坐标 pr3035 实际量测值YO A轴轴Y轴心机械坐标 pr3036 实际量测值 A轴轴心之z轴机械座标

表中，Pr3009～3012、Pr3032～Pr3036的单位为BLU； 

步骤二、C轴轴心位置量测 

首先将千分表架设在机床主轴上，使千分表探针降至中心孔内，移动探针使其触碰工作台内侧的远端，并左右移动X轴确认Y方向上的最远端后，固定X轴；然后移动Y轴使千分表探针计数归零，记录此时Y轴坐标值为Y1； 

接着，将A轴旋转至-90°位置后，移动千分表探针触碰工作台面使千分表探针计数归零，并记录此时Y轴坐标值为Y2； 

接着，移动千分表探针使其触碰工作台中心孔下缘，使得千分表计数归零，并记录此时Z轴坐标值为Z2； 

接着，将A轴旋转至0°位置后，移动千分表探针触碰工作台面，使千分表计数归零，并记录此时Z轴坐标值Z1； 

最后通过以下方法计算获取各参数值： 

a、假设C轴在A轴的负Y方向，并通过公式（1）和（2）得到Pr3032和Pr3033的输入值： 

$\mathrm{Yca}=\frac{|Y1-Y2|-|Z1-Z2|}{2}---\left(1\right)$

$\mathrm{Zca}=\frac{|Y1-Y2|+|Z1-Z2|}{2}-R---\left(2\right)$

其中，R为工作台中心孔的半径；当Yca为正数时，Zca即为Pr3033的值，而Pr3032的值则为-Yca；当Yca为负数时，，Zca即为Pr3033的值，而Pr3032的值则为Yca； 

步骤三、A轴轴心位置量测 

首先，将千分表固定在主轴鼻端确保千分表能随主轴旋转，然后移动Z轴使千分表探针处于能触碰到工作台中心孔内缘的高度，接着移动X轴和Y轴使千分表探针触碰到工作台中心孔内缘； 

接着，缓慢转动主轴，并逐步调整X轴和Y轴，直到千分表计数不再变动为止，此时主轴对准工作台中心孔的中心，并记录下此时X轴和Y轴的坐标值分别为XO和Y0；并将XO输入Pr3034，而Y0-Pr3032作为Pr3035的输入值； 

接着，将A轴旋转至0°，并在工作台上放置高度设定器，并下调Z轴使主轴鼻端触碰高度设定器，并使计数归零，记录此时Z轴坐标值为Z0；并将Z0-(高度设定器高度)-Pr3033作为Pr3036的输入值； 

步骤四、RTCP功能测试 

首先，引入2个Rbit，分别为R518和R519，当移动直线轴时，R518和R519不同情形时的设定值和含义定义如下表： 

然后，测量刀具外露长度，并作为刀长补偿；所有参数设定完成后，将R519设定为1，此时手动操作旋转轴回转为刀尖点控制，并在MDI模式下达G43.4H指令，执行加工处理； 

最后，切换到手轮模式，移动线性轴使刀具刀尖移动到方便识别的位置，再转动旋转轴，此时刀具刀尖点与工作台之间的相对位置固定不变。 

对上述技术方案改进，步骤二之前需对旋转轴进行定位，消除误差。 

进一步改进，步骤二之前，对A轴水平度按以下方法进行检验：A轴旋转回到原点，并将千分表固定在主轴上，下降Z轴使千分表探针触碰到工作台；然后固定X轴，移动Y轴并观察千分表指针，若指针无变化则表示工作台已水平，若指针有变化，则调整A轴至到指针不在变化，并记录此时A轴调整的角度值。 

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过对双旋转工作台五轴机床进行刀长误差补偿实现RTCP功能，控制系统上带有RTCP选项功能，坐标变换由控制器来计算，加工程序可以保持不变，对于同一批零件，不会因为装夹位置变化而总是改变程序，只需要将相应坐标位置写入参数中即可。同时也带来了以下几点好处：1：加工工件多样性。2：加工效率提高.3:加工精度高。4：提高刀具刚性。 

附图说明

图1为本发明所述未开启RTCP功能时刀具刀尖的行走路径示意图； 

图2为本发明所述开启RTCP功能时刀具刀尖的行走路径示意图； 

图3为本发明所述计算C轴轴心位置时，Yca值为正数时各参数关系示意图； 

图4为本发明所述技术C轴轴心位置时，Yca值为负数时各参数关系示意图； 

图5为本发明所述五轴机床的五轴坐标系示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 

本发明所述双旋转工作台五轴机床的刀具刀尖控制方法， 

具体实施方法分以下几个步骤: 

1.机台简介 

五轴机台类型：双旋转工作台机床；旋转轴为围绕X轴旋转的A轴：行程（-110～～15度）；围绕Z轴旋转的C轴：360度。五轴所用数控系统名称：五轴机床-AC轴设定；版本为SKYCNC2014；通过MDI（manual data input）模式，并通过输入简短指令，启动并执行相关命令。 

2.准备工作 

2.1轴定位 

旋转加工时和旋转轴有关的误差，原因除了轴心偏移之外，也可能是旋转轴定位不佳造成，所以若能先进行旋转轴定位，则当误差出现时，就可以先将可能的误差来源范围缩小。旋转轴的定位误差补偿方式，跟直线轴的节距补偿一样，只要将各位置的误差填入补偿表即可（Pr8001～10000）。进行旋转轴定位需使用精密仪器，一般机械厂几乎都没有此类设备，所以旋转轴定位准确是五轴机床的一大难题。若厂内没有量测设备，此步骤只能直接略过，后续若有误差出现，就假设为轴心偏移造成，并以此来进行调整。 

A轴水平度检验 

检验步骤： 

1.A轴完成回原点 

2.将千分表固定在主轴上 

3.下降Z轴让千分表探针能碰到工作台 

4.固定X轴，移动Y轴，看指针有无变化 

5.若指针无变化，代表工作台已水平 

6.若指针有变化，则根据倾斜方向来调整A轴，直到指针不再变化，并记录调整的角度值 

7.将调整的角度值输入A轴的原点偏移量（Pr88X），假如是往正方向调整 0.1度，则输入＋100，若是往负方向调整，则输入－100。 

注意事项：Pr88X的单位是BLU，不是度，需注意设定值的位数，偏移量若是1度，则设定值为1000。 

3.五轴机系统基本参数设定 

3.1系统基本参数设定 

参数号码 设定值 附注 pr3001 2 五轴机构类型:双旋转工作台 Pr3002 3 刀具万向:z轴 Pr3003 0 刀具倾斜角度 pr3004 0 刀具倾斜角度 Pr3005 1 lst旋转轴:A轴 pr3006 3 2nd旋转轴:C轴 Pr3007 2 lst旋转轴万向:左于定则 Pr3008 2 2nd旋转轴万向:左于定则 Pr3009 250000 *lst旋转轴角度起点:250度 pr3010 15000 *lst旋转轴角度终点:15度 Pr3011 0 *2nd旋转轴角度起点:0度 pr3012 0 *2nd旋转轴角度终点:0度 Pr3013 0 *刀座长度

注意事项：Pr3009～3012的单位是BLU，不是度，需注意设定值的位数，若角度是15度，则设定为15000。角度设定范围为0～360度，不能输入负值。旋转轴可转360度时，起点、终点可以都设定为0。附注前有"*"代表此参数设定值会随机台不同而变化。 

3.2C轴轴心位置量测 

参数号码 设定值 附注 Pr3031 0 由A轴往C轴在X万向之偏移量 Pr3032 需实际量测由A轴往C轴在Y万向之偏移量 pr3033 需实际量测 由A轴往C轴在z万向之偏移量

量测步骤：首先将千分表架设在主轴上，接着以下操作： 

1.将探针降到中心孔内，移动探针去碰离使用者较远的那端，然后 

2.左右移动X轴，找出Y方向上最远的那点 

3.移动Y轴让探针计数归零，记录此时Y轴机械座标为Y1。（找到Y方向上离最远的那点后，后续步骤都不要移动X轴）。 

4.将A轴转到-90度，注意不要撞到千分表。 

5.移动探针去碰工作台面，让计数归零，记录此时Y轴机械座表为Y2。 

6.移动探针去碰中心孔下缘，并让计数归零，记录此时Z轴机械座标为Z2 

7.将A轴转回0度，注意不要撞到千分表 

8.移动探针去碰工作台面，并让计数归零，记录此时Z轴机械座标Z1。 

9.请先参考下图，假设C轴在A轴的负Y方向，当我们从机台左侧，也就是往正X轴方向看去时，Y1、Y2、Z1、Z2的关系可整理如下图，R则是中心孔的半径（25mm），根据这些关系，可得算式如下： 

∣Y1－Y2∣＝P 

∣Z1－Z2∣＝Q 

Yca＝（Q－P）/2 

Zca＝（P＋Q）/2－R 

10.Yca应为正值，Zca可直接输入Pr3033，Yca则需加个负号，然后输入Pr3032。 

11.若Yca为负数，代表假设错误，请跳至下个步骤。 

12.若步骤9.的Yca出現负值，代表假设错误，也就是说，C轴实际上是在A轴的正Y方向，这时候关系圆就变为下圆，算式则变成： 

∣Y1－Y2∣＝P 

∣Z1－Z2∣＝Q 

Yca＝（P－Q）/2 

Zca＝（P＋Q）/2－R 

13.Zca可直接输入Pr3033，Yca可直接输入Pr3032。 

其中，Pr3032、3033的单位是BLU，不是mm，需注意设定值的位数，若Yca是10，则设定为10000。 

3.3A轴位置量测 

参数号码 设值 附注 Pr3034 需实际量测 A轴轴X轴心机械坐标 Pr3035 需实际量测 A轴轴Y轴心机械坐标

量测步骤 

1.将千分表装在主轴鼻端，让千分表可以随着主轴旋转，移动Z轴， 

2.探针到达可量测中心孔内缘的高度，然后移动X、Y轴让探针碰到中心孔内缘， 

3.用手缓慢转动主轴，逐步调整X、Y轴，直到千分表让数不变为止，此时主轴对准中心孔的中心，机械座标值为X0、Y0 

4.将X0输入Pr3034 

5.Y方向上必须把A轴、C轴的偏差量考虑进去，因此Y0必须减掉Pr3032后，才可以输入Pr3035。假设Y0等于150，而Pr3032为20，则Pr3035设定为149980 

其中，Pr3034、3035的单位是BLU，不是mm，需注意设定值的位数，若座标值是10，则设定为10000。 

参数号码 设定值 附注 Pr3036 需实际量测 A轴轴心之z轴机械座标

量测步骤： 

1.A轴转至0度，主轴上不装刀具 

2.将高度设定器放在工作台上 

3.下降Z轴，用主轴鼻端的最低点去碰高度设定器，并使让数归零，记录此时Z轴机械座标Z0 

4.Pr3036等于Z0－（高度设定器高度）－（Pr3033）。Pr3036的单位是BLU，不是mm，需注意设定值的位数，若座标值是10，则设定为10000。 

4.RTCP功能测试 

4.1RTCP手动功能设置 

在Ladder档案中加入R518以及R519两个R bit。 

R518设定值：0、1、2（移动直线轴时，分别对应机械座标、程式座标、刀 具座标）；R519设定值：0、1（RTCP功能关与开，0：关，1：开） 

4.2刀长量测 

五轴功能使用的刀长补偿为正刀长，也就是实际的刀具外露长度，量测方式为先用主轴鼻端去碰一个参考点，记录机械座标，然后装好刀具，用刀尖去碰同个参考点，记录第二个机械座标，两个座标值相减，然后取绝对值就是正刀长，算出刀长后将数值填入刀长补偿表。 

4.3RTCP手动功能测试 

测试步骤：请确定参数设定完成 

将R519设定为1，此时手动操作旋转轴，会转为刀尖点控制；在MDI模式下达G43.4H_（H引数对应的是刀具号码）；MDI执行加工；切换到手轮模式移动线性轴，将刀尖移到方便识别的地方，Z方向离工作台大概50mm，XY方向则离工作台中心约100mm；转动旋转轴，此时刀尖点与工作台的相对位置会固定不变。 

4.4在程式中如下使用： 

程序加工指令格式：G43.4H_; 

G49; 

G43.4:开启RTCP功能 

G49:取消RTCP功能 

H:刀具号码 

使用限制：1.G41G42刀半径补偿功能不可一起使用 

2.G43G44刀具长度补偿功能不可一起使用 

3.刀长设定需为正刀长 

4.使用G53G28G29G30前，要下达G49取消RTCP模式，避免机台出现不正常的动作。以下通过使用范例具体介绍详细步骤： 

下列两段程式指令可说明RTCP有无开启时，机台动作的不同，第一段指令没有加入G43.4指令，第二段则在第一行将RTCP功能开启。 

未开启RTCP的程式： 

G00X0Z0B0C0 

G01X50.Y0Z0B-45.C0 

图1为未开启RTCP时，机台动作的方式。开启RTCP的程式： 

G43.4H1 

G00X0Y0Z0B0C0 

G01X50.Y0Z0B-45.C0 

图2为开启RTCP后，机台的动作的方式。