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        摘要：當(dāng)臥式加工中心加工非正交平面時(shí)，工件坐標(biāo)系的建立是個(gè)難題。本文介紹了利用FANUC 系統(tǒng)的宏編程技術(shù)，針對(duì)非正交平面，開(kāi)發(fā)工件偏置自動(dòng)創(chuàng)建宏程序的過(guò)程。該宏程序能夠自動(dòng)讀取已知數(shù)據(jù)，計(jì)算工件偏置，向數(shù)控系統(tǒng)輸入計(jì)算結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建立工件坐標(biāo)系的功能。

      臥式加工中心是指機(jī)床主軸處于水平狀態(tài)的加工中心，這類機(jī)床通常配置一個(gè)繞固定軸線360 度旋轉(zhuǎn)的分度工作臺(tái)，X、Y、Z 三個(gè)直線坐標(biāo)軸加一個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，適合箱體類零件的加工，工件一次裝夾，除了安裝底面和頂面之外，可以完成至少四個(gè)側(cè)面的加工。

      臥式加工中心加工零件時(shí)，每個(gè)角度平面都要建立工件坐標(biāo)系。在0°、90°、180°、270°這四個(gè)正交平面上，操作工可以方便的通過(guò)量棒或探頭等工具，測(cè)量工件偏置值，建立工件坐標(biāo)系。但是，當(dāng)加工非正交平面（如30°平面）時(shí)，測(cè)量工件偏置是個(gè)繁瑣但必需要解決的問(wèn)題。

      確定非正交平面工件偏置的方法有多種，其中最常用的方法是，技術(shù)人員通過(guò)手工計(jì)算或者電腦繪圖確定。在計(jì)算之前，需要收集機(jī)床數(shù)據(jù)、零件數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)三個(gè)方面的信息，如表所示。其中機(jī)床數(shù)據(jù)和零件數(shù)據(jù)對(duì)于特定機(jī)床和零件是固定的，而現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)需要零件在機(jī)床上裝夾、定位后才能測(cè)量，因此，出現(xiàn)了技術(shù)員等待操作工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，而操作工等待技術(shù)員計(jì)算結(jié)果的現(xiàn)象，造成機(jī)床停機(jī)，降低了機(jī)床有效作業(yè)率。為了解決非正交平面加工基準(zhǔn)點(diǎn)工件偏置的計(jì)算問(wèn)題，我們利用數(shù)控系統(tǒng)的宏編程功能，開(kāi)發(fā)了針對(duì)多種數(shù)控系統(tǒng)的宏程序，作為固定循環(huán)植入數(shù)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)任意角度平面工件偏置的自動(dòng)創(chuàng)建功能，徹底解決了現(xiàn)場(chǎng)人工計(jì)算工件偏置的環(huán)節(jié)。下面以FANUC 系統(tǒng)為例，介紹宏程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程和具體應(yīng)用。

      當(dāng)臥式加工中心加工非正交平面時(shí)，工件坐標(biāo)系的建立是個(gè)難題。本文介紹了利用FANUC 系統(tǒng)的宏編程技術(shù)，針對(duì)非正交平面，開(kāi)發(fā)工件偏置自動(dòng)創(chuàng)建宏程序的過(guò)程。該宏程序能夠自動(dòng)讀取已知數(shù)據(jù)，計(jì)算工件偏置，向數(shù)控系統(tǒng)輸入計(jì)算結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建立工件坐標(biāo)系的功能。

                                 表 人工計(jì)算工件偏置需要收集的數(shù)據(jù)信息

       一、推導(dǎo)工件偏置的數(shù)學(xué)計(jì)算模型

      開(kāi)發(fā)宏程序的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)在于根據(jù)已知條件，推導(dǎo)正確的工件偏置計(jì)算公式。為此，我們建立以下命題，如圖1 所示，工件在擺正（0°）的情況下，已知工件上一個(gè)參考基準(zhǔn)點(diǎn), 該點(diǎn)相對(duì)于機(jī)床零點(diǎn)的坐標(biāo)為（XG54，YG54，ZG54），機(jī)床工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心相對(duì)于機(jī)床零點(diǎn)的坐標(biāo)為（X 回，Z 回），已知工件上任意一點(diǎn)A，該點(diǎn)相對(duì)于參考基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值為（I，J，K）。如圖2 所示，當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)任意角度β°后，點(diǎn)A 轉(zhuǎn)到點(diǎn)B，求點(diǎn)B 相對(duì)于機(jī)床零點(diǎn)的坐標(biāo)值（X 偏，Y 偏,Z 偏）。

      推導(dǎo)過(guò)程：

     如圖3 所示，在Z-X 坐標(biāo)系下。
 
     Z偏=Z+Z回=R×cos（α-β）+Z回=R×（cosαcosβ+sinαsinβ）+Z 回=R×cosαcosβ+R×sinαsinβ+Z 回X偏=X+X回=R×sin（α-β）+X回=R×（sinαcosβ-cosαsinβ）+X 回=R×sinαcosβ+R×cosαsinβ+X 回綜合圖1、圖2 的數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。R×cosα=ZG54+K-Z 回

           圖1 工件偏置計(jì)算命題的已知條件

           圖2 工件偏置計(jì)算命題的求解目標(biāo)
 

  
          圖3 工件偏置推導(dǎo)關(guān)鍵三角形示意圖

        圖4 工件偏置關(guān)鍵三角形直角邊計(jì)算公式

      因?yàn)閅 軸方向的工件偏置和工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，所以，根據(jù)已知條件，最終點(diǎn)B 的工件偏置計(jì)算公式如下，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，公式準(zhǔn)確無(wú)誤。工件偏置計(jì)算公式：

     程序正文
 
O7010(CW+ CCW-)
#4=0
#6=500
IF[[#1GE1]AND[#1LE48]]GOTO10
IF[[#1GE54]AND[#1LE59]]GOTO20
N10 #20=#[7001+[#1-1]*20]
#21=#[7002+[#1-1]*20]
#22=#[7003+[#1-1]*20]
GOTO 30
N20 #20=#[5221+[#1-54]*20]
#21=#[5222+[#1-54]*20]
#22=#[5223+[#1-54]*20]
N30 #7=#20+#24-#4
#9=#22+#26-#6
#17=#7*COS[#2]-#9*SIN[#2]+#4
#18=#21+#25
19=#9*COS[#2]+#7*SIN[#2]+#6
IF[[#11GE1]AND[#11LE48]]GOTO 100
IF[[#11GE54]AND[#11LE59]]GOTO 200
N100 #8=#11
G90 G10 L20 P#8 X#17 Y#18 Z#19
GOTO 99
N200 #8=#11-53
G90 G10 L2 P#8 X#17 Y#18 Z#19
N99 M99

注釋說(shuō)明

→程序名
→工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心相對(duì)機(jī)床零點(diǎn)的X 值
→工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心相對(duì)機(jī)床零點(diǎn)的Z 值
→判斷，滿足條件跳到N10 程序段
→判斷，滿足條件跳到N20 程序段
→提取G54.1 P1-P48 X 坐標(biāo)值
→提取G54.1 P1-P48 Y 坐標(biāo)值
→提取G54.1 P1-P48 Z 坐標(biāo)值
→跳到N30 程序段
→提取G54-G59 X 坐標(biāo)值
→提取G54-G59 Y 坐標(biāo)值
→提取G54-G59 Z 坐標(biāo)值
→數(shù)據(jù)計(jì)算
→數(shù)據(jù)計(jì)算
→計(jì)算工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后工件偏置的X 坐標(biāo)
→計(jì)算工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后工件偏置的Y 坐標(biāo)
→計(jì)算工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后工件偏置的Z 坐標(biāo)
→判斷，滿足條件跳到N100 程序段
→判斷，滿足條件跳到N200 程序段
→變量賦值
→將計(jì)算結(jié)果輸入到指定的G54.1 P1-P48
→跳到N99 程序段
→變量賦值
→將計(jì)算結(jié)果輸入到指定的G54-G59
→程序結(jié)束

     二、FANUC 系統(tǒng)宏程序的編制
 

     要實(shí)現(xiàn)“工件偏置”自動(dòng)創(chuàng)建功能，需要利用數(shù)控系統(tǒng)的宏編程平臺(tái)，開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠根據(jù)已知條件，自動(dòng)讀取參考基準(zhǔn)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算工件偏置數(shù)據(jù)并寫入數(shù)控系統(tǒng)的宏程序，然后將該宏程序存儲(chǔ)到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存中，作為機(jī)床定制固定循環(huán)使用，通過(guò)零件加工主程序中編制宏調(diào)用指令調(diào)用，實(shí)現(xiàn)各種非正交平面工件坐標(biāo)系的自動(dòng)創(chuàng)建。

      按照上述思路，我們根據(jù)上面推導(dǎo)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，針對(duì)FANUC 系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了能夠根據(jù)已知數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“工件偏置”自動(dòng)計(jì)算和輸入的宏程序，宏程序結(jié)構(gòu)及注釋如下。
    

      三、宏調(diào)用指令及使用說(shuō)明

     根據(jù)編制的宏程序，我們確定FANUC 系統(tǒng)的宏調(diào)用指令格式如下。

     G65 P_ A_ X_ Y_ Z_ B_ H_

    注釋：

     G65 （宏調(diào)用指令）
     P_ （調(diào)用的宏程序號(hào)，如P7010）
     A_ （參考基準(zhǔn)點(diǎn)的工件偏置號(hào)，1-48 或54-59，對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系G54.1 P1-P48 和G54-G59）
     X_（非正交平面坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)于參考基準(zhǔn)點(diǎn)的X 坐標(biāo)值，有+/- 之別）
     Y_（非正交平面坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)于參考基準(zhǔn)點(diǎn)的Y 坐標(biāo)值，有+/- 之別）
     Z_（非正交平面坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)于參考基準(zhǔn)點(diǎn)的Z 坐標(biāo)值，有+/- 之別）
     B_（旋轉(zhuǎn)角度）
     H_（建立非正交平面坐標(biāo)系的工件偏置號(hào)，1-48 或54-59，對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系G54.1 P1-P48 和G54-G59，注意和A_ 中的不要相同）

      四、宏程序特點(diǎn)及注意事項(xiàng)

     （1）該宏程序僅適用于工作臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正的機(jī)床，否則，需要適當(dāng)調(diào)整。

     （2）針對(duì)不同的臥式加工中心，因回轉(zhuǎn)中心的機(jī)床坐標(biāo)不同，需要查閱機(jī)床手冊(cè)或者根據(jù)實(shí)際校調(diào)數(shù)據(jù)，對(duì)宏程序中 #4 和#6 的變量值進(jìn)行調(diào)整，其中#4 對(duì)應(yīng)X，#6 對(duì)應(yīng)Z。

     （3）使用前，必需在零件“擺正”狀態(tài)下，建議為0°，測(cè)量參考基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)偏置值，輸入宏調(diào)用指令參數(shù)A 指定的偏置中，如G54，建立計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)，供宏程序內(nèi)部計(jì)算調(diào)用。
 

     （4）宏調(diào)用指令中，由參數(shù)A 和H 指定參考點(diǎn)偏置號(hào)和建立非正交平面工件零點(diǎn)偏置號(hào)，可以根據(jù)程序中非正交平面的數(shù)量，選擇G54-G59，或者G54.1 P1-P48，二者不能相同。

     （5）宏調(diào)用指令中，參數(shù)A 和H 要正確輸入，超出取值范圍的賦值將會(huì)觸發(fā)報(bào)警。

     （6）宏調(diào)用指令一般放在主程序的開(kāi)始，零件有幾個(gè)非正交平面，就需要幾行宏調(diào)用指令，主程序執(zhí)行時(shí)，工件偏置自動(dòng)計(jì)算，并寫入數(shù)控系統(tǒng)指定的工件偏置設(shè)定區(qū)，建立工件坐標(biāo)系，供主程序調(diào)用。
 

      五、效果驗(yàn)證

      宏程序編制完成后，為了驗(yàn)證工件偏置自動(dòng)創(chuàng)建功能的有效性，計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，我們?cè)O(shè)計(jì)了5 組不同數(shù)據(jù)，在公司兩臺(tái)配置FANUC 310i 系統(tǒng)的臥式加工中心上進(jìn)行驗(yàn)證，采用的方法是分別在兩臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行不同旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)值驗(yàn)證，并將計(jì)算結(jié)果與CAD 軟件繪圖采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，二者計(jì)算結(jié)果完全一致。

      六、結(jié)語(yǔ)

     利用FANUC 系統(tǒng)的宏編程技術(shù)，開(kāi)發(fā)的臥式加工中心工件偏置自動(dòng)創(chuàng)建功能，解決了臥式加工中心在加工非正交平面時(shí)，工件坐標(biāo)系的建立難題，消除了人工重復(fù)計(jì)算工件偏置的環(huán)節(jié)，降低了技術(shù)人員的工作量和出錯(cuò)率，減少了機(jī)床停機(jī)等待時(shí)間。