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数控车床基本坐标关系及几种对刀方法比较
上海工程技术大学工程实训中心 罗治平
在数控车床的操作与编程过程中，弄清楚基本坐标关系和对刀原理是两个非常重要的环节。这对我们更好地理解机床的加工原理，以及在处理加工过程中修改尺寸偏差有很大的帮助。
一、基本坐标关系
一般来讲，通常使用的有两个坐标系：一个是机械坐标系 ；另外一个是工件坐标系，也叫做程序坐标系。两者之间的关系可用图1来表示。
图1 机械坐标系与工件坐标系的关系
在机床的机械坐标系中设有一个固定的参考点(假设为(X，Z))。这个参考点的作用主要是用来给机床本身一个定位。因为每次开机后无论刀架停留在哪个位置，系统都把当前位置设定为(0，0)，这样势必造成基准的不统一，所以每次开机的第一步操作为参考点回归(有的称为回零点)，也就是通过确定(X，Z)来确定原点(0，0)。
为了计算和编程方便，我们通常将程序原点设定在工件右端面的回转中心上，尽量使编程基准与设计、装配基准重合。机械坐标系是机床唯一的基准，所以必须要弄清楚程序原点在机械坐标系中的位置。这通常在接下来的对刀过程中完成。
二、对刀方法
1. 试切法对刀
试切法对刀是实际中应用的最多的一种对刀方法。下面以采用MITSUBISHI 50L数控系统的RFCZ12车床为例，来介绍具体操作方法。
工件和刀具装夹完毕，驱动主轴旋转，移动刀架至工件试切一段外圆。然后保持X坐标不变移动刀具远离工件，测量出该段外圆的直径。将其输入到相应的刀具参数中的刀长中，系统会自动用刀具当前X坐标减去试切出的那段外圆直径，即得到工件坐标系X原点的位置。再移动刀具试切工件一端端面，在相应刀具参数中的刀宽中输入Z0，系统会自动将此时刀具的Z坐标减去刚才输入的数值，即得工件坐标系Z原点的位置，参见图2。
例如，2#刀刀架在X为150.0车出的外圆直径为25.0，那么使用该把刀具切削时的程序原点X值为150.0-25.0=125.0；刀架在Z为180.0时切的端面为0，那么使用该把刀具切削时的程序原点Z值为180.0-0=180.0。分别将(125.0，180.0)存入到2#刀具参数刀长中的X与Z中，在程序中使用T0202就可以成功建立出工件坐标系。
事实上，找工件原点在机械坐标系中的位置并不是求该点的实际位置，而是找刀尖点到达(0，0)时刀架的位置。采用这种方法对刀一般不使用标准刀，在加工之前需要将所要用刀的刀具全部都对好。
图2试切法对刀
2. 对刀仪自动对刀
现在很多车床上都装备了对刀仪，使用对刀仪对刀可免去测量时产生的误差，大大提高对刀精度。由于使用对刀仪可以自动计算各把刀的刀长与刀宽的差值，并将其存入系统中，在加工另外的零件的时候就只需要对标准刀，这样就大大节约了时间。需要注意的是使用对刀仪对刀一般都设有标准刀具，在对刀的时候先对标准刀。
下面以采用FANUC 0T系统的日本WASINO LJ-10MC车削中心为例介绍对刀仪工作原理及使用方法。对刀仪工作原理如图3所示。刀尖随刀架向已设定好位置的对刀仪位置检测点移动并与之接触，直到内部电路接通发出电信号(通常我们可以听到嘀嘀声并且有指示灯显示)。在2#刀尖接触到a点时将刀具所在点的X坐标存入到图2所示G02的X中，将刀尖接触到b点时刀具所在点的Z坐标存入到G02的Z中。其他刀具的对刀按照相同的方法操作。
图3 对刀仪工作原理
事实上，在上一步的操作中只对好了X的零点以及该刀具相对于标准刀在X方向与Z方向的差值，在更换工件加工时再对Z零点即可。由于对刀仪在机械坐标系中的位置总是一定的，所以在更换工件后，只需要用标准刀对Z坐标原点就可以了。操作时提起Z轴功能测量按钮“Z-axis shift measure”，CRT出现如图4所示的界面。
图4 对刀数值界面
手动移动刀架的X、Z轴，使标准刀具接近工件Z向的右端面，试切工件端面，按下“POSITION RECORDER”按钮，系统会自动记录刀具切削点在工件坐标系中Z向的位置，并将其他刀具与标准刀在Z方向的差值与这个值相加从而得到相应刀具的Z原点，其数值显示在WORK SHIFT工作画面上，如图5所示。
图5 WORK SHIFT工作界面
三、小结
以上根据笔者在多年的数控机床编程与操作中积累的一些经验与体会，介绍了在数控[U]
车床操作
[/U]中容易犯错的几个地方，所述内容皆经过笔者的实际操作验证。
数控加工后置处理技术
摘要:
本文分析了数控加工后置处理技术的特征、面临的问题和当前的发展趋势，介绍了应用通用后置处理器开发定制专用后置处理器的实践。
关键词:
自动编程工具 刀具路径文件 数控代码 后置处理器 数控加工程序
数控编程是CAM的重要组成部分。它包括加工刀具路径文件的生成和机床数控代码指令集的生成。加工刀具路径文件可利用CAD/CAM软件，根据加工对象的结构特征、加工环境特征（其中包括机床-夹具-刀具-工件所组成的具体工序加工系统的特征）以及加工工艺设计的具体特征来生成描述加工过程的刀具路径文件。通过后置处理器读取由CAM系统生成的刀具路径文件，从中提取相关的加工信息，并根据指定数控机床的特点及NC程序格式要求进行分析、判断和处理，最终生成数控机床所能直接识别的NC程序，就是数控加工的后置处理数控加工后置处理是CAD/CAM集成系统非常重要的组成部分，它直接影响CAD/CAM软件的使用效果及零件的加工质量。目前国内许多CAD/CAM软件用户对软件的应用只停留在CAD模块上，对CAM模块的应用效率不高，其中一个非常关键的原因就是没有配备专用的后置处理器，或只配备了通用后置处理器而没有根据数控机床特点进行必要的二次开发，由此生成的代码还需人工做大量的修改，严重影响了CAM模块的应用效果。
目前，从技术上讲，由于CAD/CAM系统硬件和软件的发展，对加工对象、加工系统建立三维模型、运用图形交互的方法实现刀具路径的生成、加工过程仿真和干涉碰撞检查已经是可行的。北京市机电研究院在工程实践中已付诸实施，并取得了良好效果。而要使生成的刀具路径文件转换成数控NC程序，驱动和控制机床实施加工，还必须以相应的后置处理器开发为条件。
对于使用多种CAD/CAM系统，配备多种机床各种类型数控系统的情况就更为复杂，这是因为后置处理面临如下纷繁的情况：
1.刀具路径文件格式的多样性
刀具路径文件采用APT语言格式，这种语言接近于英语自然语言，它描述当前的机床状态及刀尖的运动轨迹。它的内容和格式不受机床结构、数控系统类型的影响。
但不同的CAD/CAM软件生成的刀具路径文件的格式均有所不同,如：“调用n号刀具，长度补偿选用a寄存器中的值”，表示这一功能的指令在不同的CAM系统表述格式不同。例如几种CAD/CAM系统的表述格式如表1所示。
表1 CAD/CAM系统的表述格式
CAD/CAM系统 表 述 格 式
ug-II LOAD/TOOL，n，ADJUST，a
SDRC Master LOADTL/n，l，h
Pro/ENGINEER LOADTL/n，OSETNO，a
CV CADDS LOAD/TOOL，n，OSETNO，a
2.NC程序格式的多样性
NC程序由一系列程序段组成，通常每一程序段包含了加工操作的一个单步命令。程序段通常是由N、G、X、Y、Z、F、S、T、M．．．．．地址字和相应的数字值组成的。
(1) ISO-1056-1975标准对其中的部分准备代码功能、辅助功能代码的功能作了统一的规定，如：G00快速点位运动、G01直线插补、G02顺时针圆弧插补、G03逆时针圆弧插补、G04驻留。但还有大量的未作统一规定的‘不指定代码’，其中不指定的‘G’代码由数控系统厂家根据需要自行制定其代码功能，如表2所示。
表 2 根据需要自行制定的‘G’代码功能
G码 FANUC-15MA系统 TOSNUC 800-M
G10 数据设置 撤消坐标转换
G11 取消数据设置模式 坐标转换
G15 取消极坐标命令
G16 极坐标命令
未做统一规定的‘M’代码由数控机床制造厂根据其机床所具有的附属设备功能制定其代码功能。如日本日立精机公司制造的柔性加工单元HG500，带有16个托盘（PPL），托盘可自动交换，实现无人加工。为了控制托盘自动进入主机，它用M87～M89代码控制A.P.C门的开关：
M87 A.P.C door right open A.P.C右侧门打开
M88 A.P.C door left open A.P.C左侧门打开
M89 A.P.C door close A.P.C门关闭
(2)有些数控系统对部分G代码的功能并不严守ISO-1056标准的规定，而是自行定义，如表3所示。
表 3 东芝数控系统自行定义的G码功能
G码 TOSNUC 800-M ISO
G20 参考点返回检查 英制
G21 第2、3、4参考点返回检查 公制
G44 取消长度补偿 刀具偏置-负
G93 局部坐标系设定 时间倒数进给率
(3)个别数控系统的NC程序采用了比较特殊的代码格式，如HEIDENHAIN TNC 426系统，右补偿直线插补语句格式： FL X+10 Y+10 RL，对应于标准代码 ：G01 G42 X10 Y10。
3.技术需求的多样性
随着技术的发展和应用的进展，现在的后置处理技术已不能停留在仅仅是对刀具路径文件的代码转换，而是增加了从具体的加工需求特征、具体的数控机床和数控系统的特征出发，赋予后置处理器以更多的功能要求。
高速数控加工的出现不仅对机床结构和数控系统提出了新的要求，对于加工工艺的策划、工艺参数的设置和加工约束的设置也提出了新的要求。于是有的厂商开发了专门支持高速加工的后置处理器。这种后置处理器对于配备有高速加工控制器的机床，可借助该后置处理器所配置的专家系统工具，描述自己的高速加工需求特征，后置处理器可生成相应的代码，激活/撤消相应的高速加工操作指令，可根据使用需求进行仿真。对于未配备高速加工控制器的机床，该后置处理器还能设定进给速度变化的最大允许增量，根据允许惯性力设定允许的最大加/减速，设定加速时间常数和回路增益时间常数，设定速度超调数据等。
又如各种数控系统在曲面加工时，所用的曲面拟合模型不尽相同，有的用Nurbs拟合模型，有的用Bezier拟合模型，有的用Polymial拟合模型，还有的用Spline拟合模型，后置处理器就面临支持相应的多种曲面拟合模型的问题。
在工程实践中，当遇到相似加工对象的相似加工需求时，常常可以用已有的行之有效的NC加工程序进行修改后使用。然而如何确保修改结果的正确性则是个问题，不能都放到机床上去调试，这在单件加工时尤为重要。此外，现有的许多CAD/CAM系统的加工仿真只是以所生成的刀具路径文件为基础进行加工仿真和干涉检查，这显然是不够的。因此，以NC代码指令集及其相应参数设置为信息源的仿真（包括逻辑仿真和过程仿真）就显得十分重要。因此,一个完善的后置处理器应具备以下功能：
(1）接口功能：后置处理器能自动地识别、读取不同的CAD/CAM软件所生成的刀具路径文件。
(2）NC程序生成功能：数控机床具有直线插补、圆弧插补、自动换刀、夹具偏置、冷却等一系列的功能，功能的实现是通过一系列的代码组合实现的。代码的结构、顺序由数控机床规定的NC格式决定。当前世界上一些著名的后置处理器公司开发出通用后置处理器，它提供一种功能数据库模型，用户根据数控机床的具体情况回答它所提出的问题，通过问题回答生成用户指定的数控机床的专用后置处理器。用户只需要具有机床操作知识和NC编程知识，就能编出满意的专用后置处理器。当所提供的数据库不能满足用户的要求时，它提供的开发器允许用户进行修改和编译。因此可以按照数控机床的功能建立一个关系数据库，每个功能如何实现，由用户根据机床的结构、使用的数控系统指定控制的代码及代码结构。
(3）专家系统功能：后置处理器不只是对刀具路径文件进行处理、转换，还要能加入一定的工艺知识。如高速加工的处理、加工丝杠时切削参数的选择等。
(4）反向仿真功能：以NC代码指令集及其相应参数设置为信息源的仿真。它包括两部分：
NC程序的主体结构检查和NC程序语法结构检查；数控加工过程仿真。以NC程序为基础，模拟仿真加工过程，判断运动轨迹的正确性及加工参数的合理性。
不同结构的机床、不同的数控系统、不同的编程习惯，其NC程序的结构和格式千差万别。因此，反向仿真难度非常大。目前，尚未有较成熟的商品性软件。
综上所述，要使所生成的数控程序不经手工修改，直接应用于数控机床加工，则必须针对每一台数控机床定制专用的后置处理器。这就要求开发人员熟悉所用的CAM系统及所生成的刀具路径文件的格式、熟悉所用数控机床及其数控系统代码功能及其表述格式，而这一工作是智力密集和劳动密集兼而有之的过程。当面临的CAM系统众多，机床及其数控系统众多的情况下，从头开发专用后置处理器的工作就显得相当繁重。因此，近年来出现了以开发通用后置处理器为基础，应用数控代码导向等相关技术定制数控机床专用后置处理器的做法，用通用后置处理器解决共性问题，用定制后置处理器解决个性问题。实践表明，这是一种有效的方法。该院应用这一方法从1996年起，陆续开发定制了包括龙门式五面加工中心、龙门式立式加工中心、卧式柔性加工单元、立式加工中心、数控车床、车削中心等多种类型机床的十种专用后置处理器，数控系统包括FANUC、TOSNUC、MITSUBISH、A2100、A850、MAZAK等，覆盖了该院的产品和使用的数控设备，并在工程应用中取得了良好的效果。其中，对三轴带回转工作台的卧式加工中心、五面加工中心的专用后置处理器的开发，建立了该类结构机床的后置处理结构模型，积累了开发的经验。
以下简要介绍该院应用通用后置处理器定制开发用于HC800/FANUC-15MA的专用后处理器的方法：
* 使用的定制开发软件……Pro/E的NCPOST模块。该模块为加拿大ICAM技术公司生产的ICAM通用后置处理开发器。
* 使用的CAM软件……Pro/E的CAM模块。应用Pro/E的CAM模块，设计加工环境，进行模拟加工仿真，生成刀具路径文件。
* NC程序应用对象……卧式加工中心HC800。该机床为日本日立精机公司制造生产，配备‘X’、‘Y’、‘Z’三条直线轴，一个回转工作台，一个容量为120把刀的链状刀库，六个交换托盘；控制系统为FANUC-15MA主要用于箱体类零件的加工。
(1)首先了解机床的结构、机床配备的附属设备、机床具备的功能及功能实现的方式（手动还是自动）。
(2)机床配备的数控系统，熟悉该系统的NC编程包括功能代码的组成、含义，是否有不同于ISO-1056-1975标准的代码格式。
(3)应用通用后置处理器导向模板，根据以上掌握的知识，逐条回答模板提出的问题，定制专用后置处理器。通用后置处理器根据外界输入的信息，调用其内部数据库模型，经判断、排列、组合后，生成用户要求的专用后置处理器。
应用按此方法定制的HC800/FANUC-15MA专用后置处理器处理刀具路径文件，生成的NC程序约80%可用，还有20%需作进一步开发。
(4)当通用后置处理器提供的数据模型不能全部满足用户的要求，或者用户需要优化处理NC程序时，则应用开发软件修改数据库模型。这就需要开发人员掌握CAM模块的使用方法，掌握刀具路径文件的格式，并具备软件开发和加工工艺方面的经验。
本专用后置处理器应用的机床为配备一个回转工作台的三轴卧式加工中心，工作台回转不能参与切削运动。机床配备六个交换托盘，可实现托盘的自动交换。刀库为链状结构，容量为120把刀的，在加工的同时可预选下一把刀具。在Pro/E的CAM模块和NCPOST模块中均无此类机床的数据库模型。为完善该专用后置处理器，使其自动生成的NC程序不再需要人工做修改，可对CAM模块的加工环境参数进行特定的设置，并用NCPOST模块的开发语言进行宏程序编制，建立此类机床的数据模型。为优化生成的NC程序，用宏程序修改通用后置处理器内部数据输出结构。如：NC程序中用到的所有工件坐标系与机床坐标系的数值关系，可在NC程序开头自动设置，数控机床可直接辩识，不需手工输入；工作台回转前，主轴头退回最远；换刀前输出刀具名称等。
经过上述工作所定制的专用后置处理器生成的NC程序已用于该院的主导产品VMC750B－30101主轴箱体的加工，加工出的零件全部满足图纸要求。此外，他们在Pro/E的CAD/CAM集成软件环境下，可以实现“反向仿真功能”。
目前商品化的通用后置处理器，加拿大ICAM公司的CAM-POST软件具有典型性。该软件可以覆盖国内外流行的90%以上的CAD/CAM软件和90%以上的NC系统，功能较强。它可以读取所覆盖的CAD/CAM软件所生成的刀具路径文件，定制所覆盖的NC系统的专用后置处理器，它主要分为如下两部分：
（1）QUEST:数据库模板系统。
数据库模板中包含各种类型的机床及控制系统可能遇到的问题及解决的方法。用户根据需要，回答问题，得到专用的数据库。当数据库模板不能满足用户的要求时，可用Post-processor Development编制宏程序，进行二次开发。
（2）GENER：应用QUEST产生数据库，把由CAM系统产生的刀具路径文件转换成数控机床所能直接识别的NC程序。
ICAM公司新推出的CAM-POST V-12具有高速加工所要求的处理功能，能支持Bezier、 NURBS、Polynomial和Spline四种曲面拟和模型，在QUEST中设置了专家系统工具等，使软件的功能又大有扩展。
近年来，计算机硬件技术飞跃发展，使微机的性能价格比不断提高。目前世界上许多知名的CAD/CAM软件公司已着手开发了基于微机的CAD/CAM软件，使原来只能在工作站上运行的软件，在微机上同样可以运行。硬件成本的大幅度降低，使CAD/CAM能够得以广泛应用。
现代工业正在逐渐向多品种、小批量的方向发展，需要高效、快速、高度柔性的制造系统，CAD/CAM的广泛应用为其提供了可能，并且促进了这种发展。后置处理器的定制是联结CAD/CAM软件与加工设备的关键技术，它直接影响到CAD/CAM的集成。
能够处理不同类型格式的刀具路径文件，并做优化处理，以适应不同类型的机床、不同类型的系统、不同类型的零件的加工需求，生成的NC程序不需人工做二次修改，而直接应用于机床是后置处理器技术的发展方向。
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发表于 2013-10-31 22:36:37
