一种数控角度铣头的数控加工控制方法研究

机床及角度头结构特性说明

　　本文举例讨论的MIKROMAT 20V主轴头为B轴叉头、C轴为旋转工作台式XYZBC五坐标镗铣加工中心，B轴±110°摆动，C轴n×360°旋转，控制系统支持RTCP（Rotation Tool center point）编程，支持角度头安装，如图1所示。

　　角度头按输出情况可分为单输出角度头、双输出角度头、立卧两用角度头和万向角度头四类。研究对象为单输出直角角度头，刀具安装方向与数控机床主轴Z向成90°（见图1），模型如图2所示。在90°角度头各种尺寸数据中，青岛数控万向铣头，与运动控制协调相关的包括A尺寸（主轴安装端面与角度头刀具安装轴线间的距离）、B尺寸（主轴中心线轴与刀具安装端面间的距离）以及角度头在机床主轴头上的安装角度。

　　在数控机床应用中，能够对其按照特定的规则进行一定的控制，一般需保证角度头刀具方向垂直于待加工平面。以MIKROMAT镗铣加工中心为例，其控制系统为西门子840D，在控制参数中相应的对A、B等参数进行了设定，数控机床会自动对角度头的刀具按RTCP方式补偿控制，并通过CYCLE800指令定义局部坐标系，CYCLE800固定循环指令可以实现工件坐标转换功能，可用来对有角度摆头机床加工斜面，也就是常规的3+2加工，它会使加工的斜面倾斜一个角度，使倾斜后的斜面和刀具轴垂直，同时为便于编程，系统会根据摆头的几何尺寸和刀具长度自动偏置坐标系，但于当前指令设定的局部坐标系下固定当前坐标轴完成各种加工操作，无法实现安装角度头后的多轴联动加工。

一种数控角度铣头的数控加工控制方法研究

　特殊角度头数控控制方法研究

　　（1）控制方法研究。在具备RTCP控制的数控系统中，程序的旋转控制点为刀尖点，当各线性轴和旋转轴同时运动时，能够保证当前的控制点始终为刀具的刀尖点，这种方式可以有效地简化数控程序的编制和现场应用。而角度头刀柄五轴联动也可以分解为回转运动和平移运动。因此，可通过研究将角度头的刀具尖点的数据经相关偏移量的补偿转化，使其符合当坐标机床的控制机制。

　　以图2所示说明，P点为主轴中心轴线与角度头刀具中心线交点，Q的点为角度头安装刀具后的刀尖点，将实际刀具的编程控制点Q转移到P点，即假想P点为当前程序的实际加工刀具尖点，而将此过程中的转化偏移等量值在数控程序运行阶段补偿。在此过程中，需要明确的是A尺寸数据、B尺寸数据以及角度头的安装角度，为简化数据的处理逻辑及现场操作者的可操作性，将角度头的安装规定一个固定的方向，如约定角度头刀具方向沿着X轴正方向。

　　除了对线性轴XYZ进行补偿外，还要考虑旋转轴如何进行控制的问题。在角度头固定一个安装角度的情况下（本文以沿着X轴正方向为讨论基础，在实际应用时操作者依据此要求安装即可），需按照常规的五坐标旋转轴后处理进行计算，并按照其运动及结构逻辑对角度头的90°安装方向进行补偿。

　　（2）数控程序指令实现。在西门子840D系统中，数控万向铣头供应商，数控程序的指令定义中支持变量调用、局部变量定义及表达式计算等方式，为实现加工中程序调用执行阶段进行数据补偿计算提供了条件，通过参数化编程，实现角度头的数控程序自动化控制和补偿。

　　在RTCP调用模式下，将图2所示的尺寸A的数值赋值到当前调用的刀具长度值中，用于在RTCP模式下控制P点的运动，并按90°的朝向对B数值进行补偿。

　　对于从角度头刀具尖点到P点的计算，可通过定义Siemens840D系统中的局部变量来计算，如HeadLC，该变量赋值为90°角度头刀柄安装端面与机床主轴轴线的垂直距离（固定数值与当前使用的角度头具体值一致）+实际的刀具及刀柄长度（刀尖点到安装面的距离），该数值应由操作者根据现场实际数值进行修改。

　　所有控制点的坐标采用表达式的方式进行描述，在表达式中将编程前处理APT中的当前某点刀轴矢量也输出到对应轴的计算表达式中，在执行时由控制系统自动计算终数据。比如可处理为如下格式：

　　DEF REAL HeadLC=211；其中的211为具体数据，根据实际情况会有不同。

　　　　N26G00X=99.000+HeadLC×(-1.000)Y=0.000+HeadLC×(0.000)Z=170.000+HeadLC×(0.000)B0.000CW=0.000

　　其中，X=99.000+HeadLC×(-1.000)是X轴的补偿计算表达式，99.000是被推算到P点的X轴坐标，HeadLC是定义的有具体距离值的变量，（-1.000）是当前点角度头刀轴方向的X轴矢量分量；Y=0.000+HeadLC×(0.000)，0.000是被推算到P点的Y轴坐标，HeadLC是定义的有具体距离值的变量，（0.000）是当前点角度头刀轴方向的Y轴矢量分量；Z=170.000+HeadLC×(0.000)，170.000是被推算到P点的Z轴坐标，HeadLC是定义的有具体距离值的变量，（0.000）是当前点角度头刀轴方向的Z轴矢量分量；B0.000是当前主轴B轴旋转的角度，CW=0.000是当前工作台旋转的角度，其中CW为该系统中对C轴的具体标识。

　　（3）后处理方法实现。针对上述讨论的实现方法，在开发后处理工具时主要考虑如下几项关键环节：

　　常规加工需要五轴联动（也可不联动）点插补的情况下，数控万向铣头定做，对于BC轴的角度的计算，限定角度头安装角度（此处限定在Ｘ轴正方向上），可按常规的五轴后处理算法（针对XYZBC组合）进行处理，并在计算结果的基础上补偿角度头的90°值到已得到的B轴数据中，CAM数控编程按常规五轴编制刀路轨迹，并按点插补处理APT中间文件。

　　针对某些需要局部坐标系且刀轴方向与局部坐标系Z轴平行的情况（如采用固定循环指令方式加工斜面或侧面孔、采用圆弧指令加工圆弧等特征），可在当前定向方向上通过使用ROT命令实现局部坐标系定义，并将当前特征加工数据经空间变换，转换到局部坐标系下，实现特征加工，CAM数控编程按常规五轴编制刀路轨迹，并按固定循环、圆弧特征处理APT中间文件，编程实例如图3所示。

　　以上研究成果可通过软件开发的方式实现，并进行了验证性应用，验证实例如图4所示。

铣头的正确安装方法指南

正确安装铣头才能发挥出好的效果，提，安装时先将铣头放在铣卡上，固定好直到不会掉下来。一手按住铣头柱旁边的按钮，另一只手将螺母拧紧，整个过程不用太用力，小心碰到手。

铣头可以对很薄或很软的材料进行加工，数控万向铣头哪家好，行程长、附件种类多。底座结构使用了、高刚性钻削装置，主轴电机采用了，高功率的电机，具有从低转速到高转速广泛的类型。钻孔攻牙主轴头属动力部件，可钻孔、可攻牙，也可配装多轴器，提升效率，正确安装铣头可以同时满足用户小批量和大批量生产需要。

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