西门子840D系统五轴转换及系统参数配置

2012-10-23韩亚洲

制造技术与机床 2012年10期

韩亚洲

（中航工业哈尔滨东安发动机集团公司制造工程部，黑龙江哈尔滨 150066）

随着制造水平的日益提高，高端精密数控设备——五轴加工中心数量日益增多。五轴加工中心能够进行整体叶轮、叶片等工件复杂型面的一次装夹加工。不同于普通三、四轴加工中心的是，五轴加工中心具有极其复杂的坐标系转换功能，需要通过数控系统中特定的转换软件来实现。

五轴转换加工软件的设计是源于复杂型面的加工需求，在硬件方面，五轴转换要求加工中心至少具有3个直线轴如X、Y、Z;2个旋转轴，如A、B或C等。所谓五轴转换就是使一个轴对称刀具被定向在工件坐标系中任意期望的角向位置，这需要有一定的数学矩阵转换理论作为支持;从走刀路径和速度方面来讲五轴机床与三轴机床没有不同，不同之处在于其刀具的方向需要在另外的附加运动模块中进行计算，与平移运动的计算结果合成最后的运动轨迹，实现五轴联动。

不同运动形式的机床需要进行不同的坐标变换，其相关参数和配置也有所不同。在程序编制过程中，可以用TRAORI（n）指令来启动五轴联动原点跟随功能、用CYCLE800固定循环进行复杂的坐标系转换。当然这样的运动变换需要机床运动信息配置的支持;换句话说，就是在机床参数中或者在运动信息表格中对一些运动转换所需的必要几何参数进行配置。

不同的数控系统在设计理念上会有不同，对于五轴联动的控制也有所差异。下面以SIEMENS 840D数控系统为例，对五轴转换的内容从维修调试的角度逐步进行深入分析。

1 五轴坐标变换基本原理介绍

1.1 机床的三种基本几何结构形式

图1清晰地展示了数控机床的三种基本几何结构形式，具体如下:

（1）第一种机床形式如图1a所示。

两个旋转轴均在刀具侧，使得刀具可以在两个旋转自由度范围内进行角度的确定，俗称刀具定向。而工作台至多只能进行三个方向的直线运动，不能参与旋转。

（2）第二种机床形式如图1b所示。

两个旋转轴均在工作台侧，使得工件可以在两个旋转自由度范围内进行角度的确定，也就是工件的定向。而刀具至多则只能进行三个方向自由度的直线运动。

（3）第三种机床形式如图1c所示。

一个旋转轴在刀具侧，另一个旋转轴在工件侧。刀具只能进行一个自由度的旋转运动，同样工件也只能进行一个自由度的旋转运动。刀具和工件加在一起可进行至多三个自由度的直线运动。

1.2 旋转轴符号的定义

在五轴加工中心上我们可以看到两个旋转轴的名称并不相同。有的是A和B，有的是C和A，为什么呢?五轴加工中心旋转轴符号的定义具体如下:A轴旋转中心线平行于直线轴X;B轴旋转中心线平行于直线轴Y;C轴旋转中心线平行于直线轴Z。

1.3 五轴加工中心旋转轴顺序号的定义

对于第一、二种形式的机床，其运动能够改变另一个旋转轴位置的旋转轴作为五轴转换的第4轴;而将其运动不能改变另一个旋转轴位置的旋转轴作为五轴转换中的第5轴。同时前者称为第1旋转轴，而后者称为第2旋转轴。

对于第三种形式的机床，则将能够摆动刀具的旋转轴称为第1个旋转轴，也成为五轴转换的第4轴;将能够转动工件的第2旋转轴作为五轴转换的第5轴。

1.4 机床的配置信息

为了确保五轴转换能够正确地将程序中设定的值转换成相应的轴运动，一定的配置信息需要在机床参数中进行定义。配置信息包括:①机床的几何形式;②轴的分配;③几何信息。

1.4.1 机床的几何形式

上面所提到的机床3种几何形式在机床参数24100$MC_TRAFO_TYPE_1到24460$MC_TRAFO_TYPE_8中进行设置，表1中给出了适合五轴转换的机床形式列表。标记×的内容代表此种形式没有意义，因为C轴旋转方向与主轴刀具旋转方向相同。表1中轴的顺序按照以下原则定义:

五轴机床的几何形式定义中，不只有五轴的转换形式定义，三/四轴的几何形式转换也会出现，其他的特殊几何形式如柱面等几何形式也会出现。这些形式都是五轴转换的特殊形式。例如参数24100值设定为512，参数24200中值则设定为513，24300中则设定为56，24400中设定为256;可见五轴加工中心的几何类型可以很多，每一种类型对应一种特定的几何转换。变换由指令TRAORI（n）来触发，其中n代表第n种转换形式。

表1 五轴转换机床形式对应信息

（1）五轴转换与参数的对应关系。表2中列出了n与参数的对应关系。

表2 n与参数对应关系

（2）三、四轴的几何转换。表3中列出了常见的几种三、四轴转换的形式对应信息。

表3 三、四轴转换机床形式对应信息

（3）特殊的几何形式。表4所示为常见的两种特殊转换对应信息。

Transmit功能表示在旋转工件的端面上进行孔加工和轮廓加工，如图2所示。这种转换包含一个旋转轴、一个与旋转轴轴线垂直的进给轴以及一个平行于旋转轴轴线的纵轴，同时进给轴和纵轴也是互相垂直的。

表4 特殊转换对应信息

Tracyl功能，可以进行柱面物体的纵向、横向和任意形式的沟槽加工，如图3所示。基于加工的要求，机床一般有两种配置，X－C－Z（TRAFO_TYPE_n=512）和X－Y－Z－C（TRAFO_TYPE_n=513）。X－C－Z形式有一个旋转轴C，一个与旋转轴轴线垂直的进给轴X，一个平行于旋转轴轴线的纵轴Z，X和Z相互垂直。而513形式比512形式多了一个Y轴，加工的沟槽可以更复杂。

1.4.2 轴的分配

五轴转换的轴分配定义了五轴转换中各个轴与通道轴的对应关系。该种关系在参数 $MC_TRAFO_AXES_IN_1… $MC_TRAFO_AXES_IN_8中定义。一般来讲，该参数是转换轴与通道轴的顺序对应。例如

但事实上由于机床的结构不同，有很多情况下不是顺序对应的，例如当工作台具有两个旋转轴A、B，同时B轴的运动可带动A轴运动，而A轴旋转对B轴没有影响，则定义B轴为五轴转换的第4轴，A轴为第5轴。从24110参数中可以看出，

1.4.3 几何信息

机床各轴之间几何关系信息的确定十分必要，因为通过几何关系的确定可以准确地计算出五轴转换时轴的坐标值。这个信息存储在以下几个关键参数中:

（1）$MC_TRAFO5_PART_OFFSET_1（工件方向偏移量）

机床形式1（两摆头旋转轴）:从机床原点到工作台零点的向量。

机床形式2（两工作台旋转轴）:从第5轴的连接点到工作台零点的向量。

机床形式3（一个摆头旋转轴，一个工作台旋转轴）:从旋转工作台的连接点到工作台零点的向量。

（2）MD:$MC_TRAFO5_JOINT_OFFSET_1

机床形式1和2:从第1个节点到第2个节点的向量。

机床形式3:从机床零点到工作台连接点的向量。

（3）MD:$MC_TRAFO5_BASE_TOOL_1

机床形式1:从主轴端面到第2旋转轴回转中心的向量。

机床形式2:从机床零点到第1旋转轴回转中心的向量。

机床形式3:从主轴端面到第1旋转轴回转中心的向量。

图4所示为第2种机床形式的各向量的关系图，图5所示为第3种机床形式的各向量关系图。其中p0、t0、j0等向量的意义如下:

2 五轴转换高级形式

工作台或刀具可旋转的机床形式既可以被看成真正的五轴机床，也可作为常规的可定向刀具机床形式。两种情况下机床运动学数据是一样的;而之前两种情况形式不同，不得不进行不同形式的输入。定向刀具系统需要通过系统变量输入，五轴转换通过机床数据配置。当SIEMENS 840D数控系统的软件版本高于SW6.4时，不再需要对不同的机床形式进行不同的机床参数设定。无论是摆头形式还是旋转工作台形式，都可以通过统一的变量调用来实现，在程序中加入相关变量的定义。

表5 五轴转换参数与变量的对应关系

例如:定义刀具T1

五轴转换参数与变量的对应关系如表5所示。

参数MD 24100:TRAFO_TYPE_1或MD 24200:TRAFO_TYPE_2可以被用来定义一个转换形式为72（表6）的五轴转换，运动学数据可以从定向刀具的数据变量中读出，也可以通过swivel cycle数据表中的相应设定参数获得。数据表的号码分别由机床参数MD24582和MD24682给出。

MD 24582:TRAFO5_TCARR_NO_1，对应第一转换。

MD 24682:TRAFO5_TCARR_NO_2，对应第二转换。

转换形式可以通过参数$TC_CARR23得到。转换只有当相关定向刀具定义好了，同时$TC_CARR23中包含一个有效的输入数据才能生效，例如T、P、M（大小写均可）。