数控机床附件铣头坐标转换和CYCLE800的应用.docx
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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.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
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
通过对SEIMENS840D系统功能研究，有如下三种方案进行比较。
1．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．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$P_TOOLFR,使工件坐标发生旋转。
其二是相对于可编程的坐标旋转的附件坐标转换（TCOFR），用于实现附件坐标转换按可编程坐标旋转角度进行。
刀具补偿是根据变换前所在的平面（G17、G18G或19）被定位于新的坐标系中。
坐标旋转较为灵活，有逐轴、投影和立体角等转换方式，可根据附件的姿态和加工件灵活使用。
不足的是，没有介面支持，配置困难使用灵活性差。
3．方案三，使用CYCLE800功能循环程序。
由CYCLE800功能循环程序参数编辑界面、配置界面和CYCLE800程序（CYCLE800.SFP、TOOLCARR.SFP）组成，使用和设置灵活方便。
功能方面，主要是可编程的坐标旋转的附件坐标转换（TCOFR）、自动功能方式。
CYCLE800功能循环程序按铣头附件的摆动角（C和B角）先做工件坐标变量$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.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
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（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_TCANG[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.CYCLE800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：
$TC_CARRn[m]中的值。
回缩方式：
附件坐标转换前铣头附件沿Z轴（或X、Y）回退。
刀尖跟踪方式：
使用“三轴到五轴转换功能”（TRAORI）。
TRAORI功能启动后，WCS中的坐标值是刀尖的位置，故CYCLE800功能循环程序形式参数X0、Y0、Z0、X1、Y1、Z1不起作用。
坐标旋转仅为逐轴方式。
说明的是，使用TRAORI后再用附件坐标转换不方便，用RPYangle、Eulerangle和Directionvector方式之一是合理的。
旋转角度限制轴的选择（Direction）：
根据CYCLE800功能循环
中参数旋转轴的方向，是用于第一旋转轴或第二旋转，与CYC
LE800程序形式参_DIR结合使用。
自动或手动方式（Mode）：
C和B轴的手动转动和自动转动。
旋转角度限制（Anglearea）：
旋转角度的范围。
旋转记录：
附件坐标转换后，产生一文件TC_LOG.MPF,记录坐
标转换数据。
使用附件坐标转换要进一步对CYCLE800功能循环中参数设定，
见图5。
图5
铣头附件名：
配置界面设定的铣头名称。
回退轴（Retract）：
附件坐标转换前铣头附件沿Z轴（或X、Y、Z和不回退）回退。
转换后的再旋转（SCHWENKEN）：
老的坐标转换在附件坐标转换后进行。
“Yes”是对老的坐标平面（swivelplane）起作用。
附件坐标转换计算角度=老的坐标平面角度+可编程坐标平面角度+A、B（C）角度。
坐标转换角度=老的坐标平面角度+可编程坐标平面角度。
坐标平面（swivelplane）：
新的--附件坐标转换前老的附件坐标转换被删除及不存在可编程坐标转换。
老的—建立在老的附件坐标转换及可编程坐标转换的附件坐标转换。
附件坐标转换计算角度和坐标转换角度=老的坐标平面角度+可编程坐标平面角度+A、B（C）角度。
旋转前参考点（RetpointX0\Y0\Z0）：
附件坐标转换前的WCS零点。
旋转方式（swivelmode）：
有逐轴、投影角和立体角三种。
旋转轴（Rrotaround）：
一、二旋转轴绕几何坐标轴（X、Y、Z）的定义。
第三几何坐标轴未定义。
立体角方式下此参数的定义无意义。
旋转角度（A\B\C）：
铣头附件旋转角度。
旋转后参考点（ZeropointX1\Y1\Z1）：
附件坐标转换后的WCS零点。
轴的旋转方向（direction）：
自动方式下，有正、负和最短距离方式。
刀尖跟踪方式（TrackingTL）：
在配置界面中设定。
CYCLE800功能按旋转方式输入角度，进行可编程的坐标旋转设置和变换。
立体角坐标旋转、刀具在Z轴方向和手动旋转方式，其主要转换程序段如下：
N100G17；
选择加工平面。
N200_WPFR=CTRANS（X,X0,Y,Y0,Z,Z0）:
CROT（C,“C轴的输入角度”）：
CROT（B,“B轴的输入角度”）:
CTRANS（X,X1,Y,Y1,Z,Z1）;立体角和平移量输入到中间坐标变量。
_WPFR为程序中定义的坐标系变量。
N200$WPFRAME=$P_WPFRAME:
_WPFR;
激活工件坐标旋转和参考点平移。
$P_WPFRAME为系统被激活的基本工件坐标系变量。
如果坐标平面（swivelplane）为老的，则$P_WPFRAME的内容是上次附件坐标转换的数据。
坐标平面（swivelplane）为新的，坐标系变量$P_WPFRAME的内容为零值。
N400$P_WPFR=$P_WPFRAME;
用Ｇ54~G500激活的基本工件坐标系变量。
执行Ｇ54~G500（第八G代码组中任意一G功能）时，$P_WPFR值复写$P_WPFRAME。
N500G[8]=_NV_akt;
选择G54~G54（G500~G599），激活参考零点，
同时按$P_WPFR值覆写$P_WPFRAME。
N600CUT2DFTCOFR（Z/Y/X）TCARR=“M”;
激活刀具坐标旋转，其计算坐标旋转角度是参照$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。
N700PAROT；
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$P_PARTFRAME坐标变量旋转分量的清零，对可编程的坐标转换无影响。
N800IF$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（Direction）和轴的旋转方向（direction）的设置，重新执行附件坐标转换。
N900D=$P_TOOL;
因刀具补偿在N700后，仍在坐标旋转前的坐标系，所以要再次激活刀刃数据以确认在新坐标系下的刀具补偿。
N1000IF（_LOG_ON=1）OR（_LOG_ON=2）;
……;
记录文件的处理。
在CYCLE800功能循环中立体角是逐轴旋转方式的一种形式，轴
旋转，再做新的坐标系上Y轴旋转。
这种旋转方式适合我们公司数控机床铣头附件结构，即C轴带动B轴旋转（如万能铣头）。
直角铣头也可按此设定，不设定第二旋转轴（B），角度仅输入C。
L1、L2和L3按图2或图3矢量设定，要根据加工件的编程和习惯。
区别是，在图2中工件零点在附件坐标转换后的参考点上，在图3中附件坐标转换前的坐标上迭加附件坐标转换的偏移量。
旋转角度限制（Anglearea）非为零的设置，输入角度不在旋转角度区域内，输入角度的计算存在第二解析，$P_TCSOL=2。
旋转角度限制轴的选择（Direction）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$P_TCSOL=2时，报警提示。
CYCLE800功能循环程序调用TOOLCARR.SFP子程序回退和自动功能
。
自动旋转功能下，配置界面设置旋转轴符与ＮＣ通道的轴符一直。
通过主轴电动机驱动的铣头附件（如直角和万能铣头）的自动旋转，在TOOLCARR.SFP程序_M40处嵌入附件旋转的宏指令。
PROG_E-
VENT.SPF是NC系一定条件下（如程序的开始、启动，RESET和PO-
WERUP）启动异步程序。
因MD20108:
PROG_EVENT_MASK=0，在CYCLE800功能循环程序中没有调用PROG_EVENT.SPF程序，所以无须加载到NC和编辑。
要说明的是，CYCLE800功能循环中比较多地使用系统坐标变量，
要设置MM_SYSTEM_FRAME_MASK的bit2=1、bit3=1、bit4
=1。
要是bit2=0，使用TOCARR_BASE_FRAME_NUMBER.参数
指定NC通道坐标变量，则需要修改CYCLE800功能循环程序，开放
较多的NC通道坐标变量。
NC系统有TRAFO_TYPE=768（H300）kine-
matics功能生效，CYCLE800功能循环后，此功能将被取消。
五．试验
1．试验设备
XK2140*100龙门数控铣床。
铣头附件：
直角、万能和加长铣头。
2．参数配置
铣头附件结构见图6、7、8。
⑴直角铣头（图6）
进入图3界面，参数配置如下。
附件坐标转形式：
T
铣头附件名称：
RAHEAD
铣头附件号：
1
回缩方式及距离：
Z
L1X=0.000L1Y=-342.658L1Z=-589.983
V1X=0.000V1Y=0.000V1Z=1.000
L2X=0.000L2Y=342.658L2Z==589.983
V2X=0.000V2Y=0.000V2Z=0.000
L3X=0.000L3Y=0.000L3Z=0.000
图6直角铣头
图7万能铣头
图8加长铣头
坐标旋转方式：
Solidangles
旋转角度限制轴的选择：
1
进入图4界面，参数配置如下：
铣头附件号：
1
第一旋转轴符：
C
第一旋转轴自动或手动方式（Mode）：
JOG
第一旋转轴旋转角度限制（Anglearea）：
0～0
第二旋转轴符：
NO
第二旋转轴自动或手动方式（Mode）：
NO
第二旋转轴旋转角度限制（Anglearea）：
NO
旋转记录：
1
刀具变化：
NO
⑵万能铣头（图7）
进入图3界面，参数配置如下。
附件坐标转形式：
T
铣头附件名称：
万能UNHEAD
铣头附件号：
2
回缩方式及距离：
Z
L1X=0.000L1Y=-320.000L1Z=-883.900
V1X=0.000V1Y=0.000V1Z=1.000
L2X=0.000L2Y=320.000L2Z=563.689
V2X=0.000V2Y=1.00V2Z=0.000
L3X=0.000L3Y=0.000L3Z=320.211
坐标旋转方式：
Solidangles
旋转角度限制轴的选择：
2
进入图4界面，参数配置如下,
铣头附件号：
2
第一旋转轴符：
C
第一旋转轴自动或手动方式（Mode）：
JOG
第一旋转轴旋转角度限制（Anglearea）：
0～0
第二旋转轴符：
B
第二旋转轴自动或手动方式（Mode）：
JOG
第二旋转轴旋转角度限制（Anglearea）：
0～0
旋转记录：
1
刀具变化：
NO
⑶加长铣头（图8）
进入图3界面，参数配置如下。
附件坐标转形式：
T
铣头附件名称：
ADLOHEAD
铣头附件号：
3
回缩方式及距离：
Z
L1X=0.000L1Y=0.000L1Z=-875.346
V1X==0.000V1Y=0.000V1Z==1.000
L2X==0.000L2Y=0.000L2Z=875.346
V2X==0.000V2Y=0.000V2Z=0.000
L3X=0.000L3Y=0.000L3Z=0.000
坐标旋转方式：
Solidangles
旋转角度限制轴的选择：
1
进入图4界面，参数配置如下：
铣头附件号：
3
第一旋转轴符：
C
第一旋转轴自动或手动方式（Mode）：
JOG
第一旋转轴旋转角度限制（Anglearea）：
0～0
第二旋转轴符：
NO
第二旋转轴自动或手动方式（Mode）：
NO
第二旋转轴旋转角度限制（Anglearea）：
NO
旋转记录：
1
刀具变化：
NO
3．实验程序
⑴绝对式的附件坐标转换功能（以直角、万能铣头为例）
程序一，按图1中矢量转换：
……
N1000M0；手动调整万能铣头C轴30度、B轴40度。
N1100$TC_CARR13[2]=30;
N1200$TC_CARR14[2]=40;
N1300G54X0Y0Z0A0G1F2000
N1400TCARR=2T1D1TCOABS
N1500X0Y0Z0A0G1F2000
N1600M30
程序二，按图2中矢量转换：
……
N1000M0；手动调整万能铣头C轴0度、B轴45度。
N1100$TC_CARR13[2]=0;
N1200$TC_CARR14[2]=60;
N1300G54G17X0Y0Z0A0G1F2000
N1400ROTZ45
N1400CUT2DFTCARR=2T1D1TCOABS
N1500TOROT；（PAROT）
N1600X0Y0Z0A0G1F2000
N1700M30
⑵CYCLE800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:
Solidangles。
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（TrackingTL）：
NO。
按确定软键，在编辑界面形成CYCLE800语句段：
CYCLE800（1，UNHEAD，0，01001011，，，，45，60，，，，-1，1）。
程序三：
N100G54G17
N200T1D1
N300CYCLE800（1，UNHEAD，0，01001011，，，，45，60，，，，-1，1）
……
M30
4.结果
执行程序一，工件坐标往Z正向准确偏置，刀具长度沿C、B的旋转角度所定的方向产生补偿。
执行程序二，工件坐标产生准确偏置、旋转，刀具沿新Z负向产生补偿。
要说明的是，ROTZ45工件坐标第一次旋转；TOROT在上次旋转后工件坐标上进行第二次旋转，这次旋转为平分角度旋转方式。
这样是在第二次旋转后，三个加工平面和第一次旋转加工平面非重合。
加工中要求固定的加工平面则要采用固定加工平面旋转方式。
执行程序三，工件坐标产生准确偏置、旋转，刀具沿新Z负向产生补偿，和执行程序二的结果一样。
五．结论
数控机床铣头附件控制功能方案选择合理，能够实现多铣头附件连续更换的坐标转换；铣头附件配置灵活、使用方便、适用于我公司三轴联动龙门式数控机床产品，数控机床铣头附件控制功能已满足用户的使用要求。
六．参加人员
七.完成日期
二00六年四月二十日。
附录1．参考资料
1．SINUMERIK840D/840Di/810D（03.04Edition）
ProgrammingGuideFundamentals
2．SINUMERIK840D/840Di/810D（03.04Edition）
ProgrammingGuideAdvanced
3．SINUMERIK840D/840Di/810D（03.04Edition）
ProgrammingGuideCycles
4．SINUMERIK840D/840Di/810D（03.04Edition）
DescriptionofFunctionsBasicMachine（Part1）
5．SINUMERIK84
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