西门子840d五轴联动刀具补偿及应用

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1、西门子840D五轴联动刀具补偿及应用唐建明卞进泽(江苏多棱数控机床股份有限公司，江苏常州213012)摘要：通过对刀具轴、刀具补偿、坐标变换的分析研究，介绍了五轴联动刀具补偿的理论及应用。关键词：刀具轴、刀具补偿、坐标变换1五轴联动的结构形式及其转轴、转台主从关系五轴联动对叶轮、蜗轮、桁架的加工可以做到一次成型，加工效率高。它改变了以往三轴机床的由点成面、由线成面的加工方法，而且被加工零件的表面质量好、精度高。对复杂曲面只要指定刀具轴与零件曲面表面的位置关系，就可使复杂曲面的加工过渡光滑、不干涉、不过切，满足曲面的要求。要能够正常使用五轴联动就必须使五轴刀

2、具补偿生效。五轴联动的旋转轴是根据所围绕的线性轴而确定的。绕X轴旋转的为A轴，绕Y轴旋转的为B轴，绕Z轴旋转的为C轴，其旋转方向根据所对应的线性轴的正方向按右手定则确定,当然旋转轴的转向也可不按右手定则而由系统中旋转方向的参数设定。通常根据转轴和转台的组成情况大致可把五轴联动分成三种结构型式：（a）两个旋转轴；（b）两个转台旋转；（c）一个转轴加一个转台旋转。在确定了结构型式后旋转轴的主从关系也随之确立，如表1所示：表1五轴联动的三种旋转类型[2]（Table1.Threerotationoptionsof5-axismachining）结构形式主从关系旋

3、转形式（a）第一个旋转轴C（主）刀具轴旋转第二个旋转轴A（从）（b）第二个旋转台B（从）工作台旋转第一个旋转台C（主）（c）刀具轴旋转A（主）混合旋转工作台面旋转C（从）表1中（a），（b），（c）的两个旋转轴（台）的上下关系即为实际结构中的上下顺序,如图1所示。（a）刀具轴旋转（b）工作台旋转（c）混合旋转图1五轴联动的结构顺序（Fig.1Structuralconsequenceof5-axismachining）2五轴联动刀具补偿的理论分析根据XH2725/5X-10桥式龙门五轴联动的刀具补偿原理及参数设置进行分析说明。该机床采用的是西门子840D系

4、统，如图1（a）所示的A、C轴万能铣头结构，刀具轴心的起始位置在Z轴上。在五轴联动的加工中，保持刀具中心位置不变是可以通过各线性轴的位置调整来实现，如图2所示。从而编程时只要考虑刀具中心的运动和刀具轴的方向，解决了编程和实际运行的统一。如何在只有A、C轴运动的情况下，保持刀具刀尖位置不变，分析如下：设当A、C轴摆动aA和aC后，X，Y，Z产生的移动分别是NX，NY，NZ，则由图3可知NX=–DsinaC,NY=DcosaC,NZ=R–RcosaA式中D=RsinaA，（R为A轴旋转中心到刀具端面的距离）图2刀具的旋转运动(Fig2.Rotationofth

5、ecutter)aC=0aCaANZNZ（a）（b）（c）图3各轴运动的相对变化关系（Fig3.Therelativerelationshipbetweentheaxis’rotation）图3（a）为机床坐标系；（b）为C轴在零位，A轴摆动角度aA时Z、Y轴的变化；（c）为A、C摆动后的X、Y变化。可见A、C轴摆动后X、Y、Z轴产生的移动分别为Nx、Ny、Nz。aA、aC为A、C轴的实际角度，经过上述推算在刀具长度补偿生效时，设A、C轴移动的角度为aA、aC，则X、Y、Z的移动补偿量为–Nx-Ny-NZ。在西门子系统中将五轴刀具长度补偿称为位置变换（坐标

6、变换）即在激活补偿的情况下，使加工面垂直于刀具轴的方向，从而根据矩阵变换方程计算出相应的X、Y、Z轴的补偿分量变换矩阵如下：1000cosaCsinaC000cosaAsinaA0-sinaCcosaC00Tx=0-sinaAcosaA0Tz=001000010001注：Tx为绕x轴的旋转距阵，Tz为绕z轴的旋转距阵。To=[00R1]刀具补偿的初始分量在Z方向上。Tk=To*Tx*Tz=[sinaA*sinaC*R-sinaA*cosaC*RcosaA*R1]Tm=To-TkTm为A、C轴摆动后X、Y、Z轴产生的移动量，即-Tm即为刀具的补偿量。3、实际

7、应用中数控系统的参数设定根据刀具长度补偿的原理，参考西门子的参数说明进行相关参数设定。首先要选择刀具补偿的类型（如表2）。表2万能铣头补偿类型选择表[2]（Table2Compensationlistofuniversalmiller）第一旋转轴第二旋转轴补偿类型刀具轴初始位置AACCC′C′A′A′129145132148XZXZ根据上述的说明结合XH2725/5X-10机床的结构可知补偿类型应选择148（该机床的结构参数大致为：主轴端面至回转中心的距离为285mm，A轴旋转中心线与C轴旋转中心线正交，A、C轴的旋转方向为顺时针）。由上述提供的数据进行相

8、关参数设定，设定如下：补偿类型：N24100$MC-TRAFO-T