利用宏程序在四轴卧式加工中心实现刀尖跟随功能的方法与流程
本发明属于数控加工技术领域，具体为利用宏程序实现四轴卧式加工中心的刀尖跟随(RTCP)功能的技术方法。
背景技术：
RTCP即Rotated Tool Center Point，也就是我们常说的刀尖跟随功能。在五轴加工中，追求刀尖点轨迹及刀具与工件间的姿态时，由于回转运动，产生刀尖点的附加运动。数控系统控制点往往与刀尖点不重合(如图1)，因此数控系统要自动修正控制点，以保证刀尖点按指令既定轨迹运动。
刀尖跟随(RTCP)功能是伴随着高档五轴加工中心的问世而出现，目前在四轴加工中心上还没有配备该项功能。带有刀尖跟随(RTCP)功能的五轴机床(以摆头+摆台式为例)，系统可以自动补偿工件坐标系(WCS)原点与机床工作台回转中心的位置偏移，也可以自动补偿刀尖点与刀长基准点的长度偏移，即补偿由于旋转所造成的直线轴坐标的变化，保持刀尖点与工件表面的实际接触点不变(如图2)，这样装夹找正及编程时，只需要考虑工作坐标系(WCS)相对于工件本身的位置即可，无需考虑工件相对于机床工作台的相对位置及刀具的刀长值；这样装夹找正工件就变得非常简单、方便，数控程序的通用性也很高。
对比四轴卧式加工中心(不带刀尖跟随(RTCP)功能)，运行4轴程序时，必须将工件坐标系(WCS)原点放置在机床工作台的回转中心上，否则加工结果将会出现错误，这不仅增加了装夹找正的难度，也降低了数控程序的通用性。因此如何简单便捷的将刀尖跟随(RTCP)功能赋予到四轴卧式加工中心上，将是提高四轴卧式加工中心使用性能的重要一步。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用宏程序在四轴卧式加工中心(如图4)实现刀尖跟随功能的方法，通过调用宏程序，实现自动补偿数控程序中每一点的位置偏移，从而在四轴卧式加工中心上实现刀尖跟随(RTCP)功能。
本发明是这样实现的，一种利用宏程序在四轴卧式加工中心实现刀尖跟随功能的方法，基于Siemens840Dsl数控系统平台，通过使用相应的系统变量，来编制所需的宏程序，具体步骤如下：
1)相对于刀长基准点，测量机床工作台回转中心在机械坐标系下的X坐标和Z坐标，分别设为XRT_MCS，ZRT_MCS，作为后续编制宏程序的常量输入；
2)调用系统变量，读取当前工件坐标系G54原点在机械坐标系下的X坐标、Y坐标、Z坐标和B坐标，分别设为XRT_WCS、YRT_WCS、ZRT_WCS、BRT_WCS，通过调用Siemens840Dsl数控系统的$P_UIFR系统变量来实现这一目的，即：
XRT_WCS＝$P_UIFR[1,AX1,TR]+$P_UIFR[1,AX1,FI]
YRT_WCS＝$P_UIFR[1,AX2,TR]+$P_UIFR[1,AX2,FI]
ZRT_WCS＝$P_UIFR[1,AX3,TR]+$P_UIFR[1,AX3,FI]
BRT_WCS＝$P_UIFR[1,AX4,TR]+$P_UIFR[1,AX4,FI]；
3)在机床工作台回转中心处构建新的工件坐标系G57(如图5)，将步骤2)中的XRT_MCS、ZRT_MCS、YRT_WCS、BRT_WCS的值赋值给G57，通过调用Siemens840Dsl数控系统的$P_UIFR系统变量来实现这一目的，即：
$P_UIFR[4,AX1,TR]＝XRT_MCS，$P_UIFR[5,AX1,FI]＝0
$P_UIFR[4,AX3,TR]＝ZRT_MCS，$P_UIFR[5,AX3,FI]＝0
$P_UIFR[4,AX2,TR]＝YRT_WCS，$P_UIFR[5,AX2,FI]＝0
$P_UIFR[4,AX4,TR]＝BRT_WCS，$P_UIFR[5,AX4,FI]＝0；
4)在每一次工作台旋转之前，即B轴坐标值发生变化之前，插入对应的子坐标系，进行坐标变换，通过调用Siemens840Dsl数控系统的TRANS指令来实现，即：
TRANS X＝R_W*COS($AA_IW[B]-Angle_W0)Z＝R_W*SIN($AA_IW[B]-Angle_W0)，
其中，R_W为(XRT_MCS，ZRT_MCS)与(XRT_WCS，ZRT_WCS)两点之间的距离，Angle_W0为(XRT_MCS，ZRT_MCS)与(XRT_WCS，ZRT_WCS)两点连线与Z轴正方向的夹角，根据ASIN函数的单调区间，为将其结果限定在[-180°,180°]区间内，如图3将四个象限内的计算表达式分别写出：
第一象限：Angle_W0＝-ASIN((ZRT_WCS-ZRT_MCS)/R_W)
第二象限：Angle_W0＝-ASIN((ZRT_WCS-ZRT_MCS)/R_W)-180
第三象限：Angle_W0＝ASIN((ZRT_WCS-ZRT_MCS)/R_W)+180
第四象限：Angle_W0＝ASIN((ZRT_WCS-ZRT_MCS)/R_W)；
这样每一条NC中的4轴插补运动均是在其对应的子坐标系之后进行，自动补偿了数控程序中每一点因工件坐标系G54原点与机床工作台回转中心的位置偏移而造成的误差；
5)将以上内容写入Siemens840Dsl宏程序；并定制CAM软件(NX10.0)相匹配的后置处理，在数控程序每一需要补偿的点的位置自动输出调用宏程序的指令，即：首先在“开始移动”中写入TCL语句MOM_output_literal'TRCP_THD63100III_Sub1；*RO*'调用第一个宏程序，以实现在工作台旋转中心建立新的工件坐标系；然后在“线性移动”中写入TCL语言MOM_output_literal'TRCP_THD63100III_Sub2；*RO*'调用第二个宏程序，从而实现在四轴卧式加工中心上实现刀尖跟随(RTCP)功能。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明是通过“软件”方面的技术来实现刀尖跟随(RTCP)功能，与目前通过“硬件”方面的技术来实现刀尖跟随(RTCP)功能相比，成本上大大降低，不需要任何实质性的资金投入。
(2)本发明是通过“软件”方面的技术来实现刀尖跟随(RTCP)功能，与目前通过“硬件”方面的技术来实现刀尖跟随(RTCP)功能相比，通用性更好，可以很快大范围的推广到各种不同的立式或卧式四轴加工中心上使用。
(3)本发明是通过“软件”方面的技术来实现刀尖跟随(RTCP)功能，从四轴卧式加工中心使用前后对比来看：使用后零件装夹、找正更便捷，数控程序的通用性更好。
附图说明
图1是五轴机床控制点与刀尖点的关系示意图；
图2(a)是带RTCP功能机床的运动结果对比图；
图2(b)是不带RTCP功能机床的运动结果对比图；
图3是Angle_W0分象限计算时，其位置与表达式的关系图；
图4为四轴卧式加工中心的机床结构图，四轴分别为：X、Y、Z、B；
图5为实现刀尖跟随(RTCP)功能坐标变换(G54→G57→子坐标)的原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例、
测量机床工作台回转中心在机械坐标系(MCS)下的X坐标和Z坐标(相对于刀长基准点而言)，作为常量写入宏程序中，这里的测量结果为111.111和333.333；
将上述“G54→G57”部分坐标系变换指令写入宏程序1，将“G57→子坐标”部分坐标系变换指令写入宏程序2，然后存放在机床的“NC”→“子程序”目录下，两个宏程序的主要指令(以R11代替4)中的$AA_IW[B])如表1、表2；
表1
表2
选取机床工作台任意位置装夹工件，为验证刀尖跟随(RTCP)功能，刻意错开机床工作台回转中心处，然后在工件的相应位置设定工件坐标系(WCS)G54，这里选取的位置为(166.666,388.888)，机床设置结果如表3；
表3
将切削刀具放置在对刀仪上对刀，测量刀长，并将刀长值(100)输入到机床刀具表中，机床设置结果如表4；
表4
使用CAM软件(NX10.0)编制4轴程序刀轨，用后置处理输出NC代码，局部代码如表5所示；
表5
运行NC程序，通过每一点在机械坐标系(MCS)下的X坐标(MX1)、Z坐标(MZ1)即可验证运行结果的正确性，其中调用宏程序时的运行结果如表6，不调用宏程序时的运行结果如表7；
表6
表7
因本发明是对数控程序中每一点的位置进行的补偿，与五轴加工中心RTCP功能的补偿效果尚存在差距，所以对于实际切削中的四轴联动加工，为保证加工精度，使用CAM软件编制数控程序时要提高加工精度、缩小最大刀轨长度以增加数控程序输出点位的密度(效果如表8)，进而满足加工精度要求。
表8