摘要：当卧式加工中心加工非正交平面时，工件坐标系的建立是个难题。本文介绍了利用FANUC 系统的宏编程技术，针对非正交平面，开发工件偏置自动创建宏程序的过程。该宏程序能够自动读取已知数据，计算工件偏置，向数控系统输入计算结果，从而实现自动建立工件坐标系的功能。

      卧式加工中心是指机床主轴处于水平状态的加工中心，这类机床通常配置一个绕固定轴线360 度旋转的分度工作台，X、Y、Z 三个直线坐标轴加一个回转坐标轴，适合箱体类零件的加工，工件一次装夹，除了安装底面和顶面之外，可以完成至少四个侧面的加工。

      卧式加工中心加工零件时，每个角度平面都要建立工件坐标系。在0°、90°、180°、270°这四个正交平面上，操作工可以方便的通过量棒或探头等工具，测量工件偏置值，建立工件坐标系。但是，当加工非正交平面（如30°平面）时，测量工件偏置是个繁琐但必需要解决的问题。

      确定非正交平面工件偏置的方法有多种，其中最常用的方法是，技术人员通过手工计算或者电脑绘图确定。在计算之前，需要收集机床数据、零件数据和现场测量数据三个方面的信息，如表所示。其中机床数据和零件数据对于特定机床和零件是固定的，而现场数据需要零件在机床上装夹、定位后才能测量，因此，出现了技术员等待操作工现场实测数据，而操作工等待技术员计算结果的现象，造成机床停机，降低了机床有效作业率。为了解决非正交平面加工基准点工件偏置的计算问题，我们利用数控系统的宏编程功能，开发了针对多种数控系统的宏程序，作为固定循环植入数控系统，可以实现任意角度平面工件偏置的自动创建功能，彻底解决了现场人工计算工件偏置的环节。下面以FANUC 系统为例，介绍宏程序的开发过程和具体应用。

      当卧式加工中心加工非正交平面时，工件坐标系的建立是个难题。本文介绍了利用FANUC 系统的宏编程技术，针对非正交平面，开发工件偏置自动创建宏程序的过程。该宏程序能够自动读取已知数据，计算工件偏置，向数控系统输入计算结果，从而实现自动建立工件坐标系的功能。

                                 表 人工计算工件偏置需要收集的数据信息

       一、推导工件偏置的数学计算模型

      开发宏程序的关键点和难点在于根据已知条件，推导正确的工件偏置计算公式。为此，我们建立以下命题，如图1 所示，工件在摆正（0°）的情况下，已知工件上一个参考基准点, 该点相对于机床零点的坐标为（XG54，YG54，ZG54），机床工作台的回转中心相对于机床零点的坐标为（X 回，Z 回），已知工件上任意一点A，该点相对于参考基准点的坐标值为（I，J，K）。如图2 所示，当工件旋转任意角度β°后，点A 转到点B，求点B 相对于机床零点的坐标值（X 偏，Y 偏,Z 偏）。

      推导过程：

     如图3 所示，在Z-X 坐标系下。
 
     Z偏=Z+Z回=R×cos（α-β）+Z回=R×（cosαcosβ+sinαsinβ）+Z 回=R×cosαcosβ+R×sinαsinβ+Z 回X偏=X+X回=R×sin（α-β）+X回=R×（sinαcosβ-cosαsinβ）+X 回=R×sinαcosβ+R×cosαsinβ+X 回综合图1、图2 的数据，计算结果如图4 所示。R×cosα=ZG54+K-Z 回

           图1 工件偏置计算命题的已知条件

           图2 工件偏置计算命题的求解目标
 

  
          图3 工件偏置推导关键三角形示意图

        图4 工件偏置关键三角形直角边计算公式

      因为Y 轴方向的工件偏置和工作台旋转无关，所以，根据已知条件，最终点B 的工件偏置计算公式如下，经过验证，公式准确无误。工件偏置计算公式：

     程序正文
 
O7010(CW+ CCW-)
#4=0
#6=500
IF[[#1GE1]AND[#1LE48]]GOTO10
IF[[#1GE54]AND[#1LE59]]GOTO20
N10 #20=#[7001+[#1-1]*20]
#21=#[7002+[#1-1]*20]
#22=#[7003+[#1-1]*20]
GOTO 30
N20 #20=#[5221+[#1-54]*20]
#21=#[5222+[#1-54]*20]
#22=#[5223+[#1-54]*20]
N30 #7=#20+#24-#4
#9=#22+#26-#6
#17=#7*COS[#2]-#9*SIN[#2]+#4
#18=#21+#25
19=#9*COS[#2]+#7*SIN[#2]+#6
IF[[#11GE1]AND[#11LE48]]GOTO 100
IF[[#11GE54]AND[#11LE59]]GOTO 200
N100 #8=#11
G90 G10 L20 P#8 X#17 Y#18 Z#19
GOTO 99
N200 #8=#11-53
G90 G10 L2 P#8 X#17 Y#18 Z#19
N99 M99

注释说明

→程序名
→工作台回转中心相对机床零点的X 值
→工作台回转中心相对机床零点的Z 值
→判断，满足条件跳到N10 程序段
→判断，满足条件跳到N20 程序段
→提取G54.1 P1-P48 X 坐标值
→提取G54.1 P1-P48 Y 坐标值
→提取G54.1 P1-P48 Z 坐标值
→跳到N30 程序段
→提取G54-G59 X 坐标值
→提取G54-G59 Y 坐标值
→提取G54-G59 Z 坐标值
→数据计算
→数据计算
→计算工作台旋转后工件偏置的X 坐标
→计算工作台旋转后工件偏置的Y 坐标
→计算工作台旋转后工件偏置的Z 坐标
→判断，满足条件跳到N100 程序段
→判断，满足条件跳到N200 程序段
→变量赋值
→将计算结果输入到指定的G54.1 P1-P48
→跳到N99 程序段
→变量赋值
→将计算结果输入到指定的G54-G59
→程序结束

     二、FANUC 系统宏程序的编制
 

     要实现“工件偏置”自动创建功能，需要利用数控系统的宏编程平台，开发一个能够根据已知条件，自动读取参考基准点的现场测量数据，自动计算工件偏置数据并写入数控系统的宏程序，然后将该宏程序存储到数控系统内存中，作为机床定制固定循环使用，通过零件加工主程序中编制宏调用指令调用，实现各种非正交平面工件坐标系的自动创建。

      按照上述思路，我们根据上面推导的数学计算模型，针对FANUC 系统，开发了能够根据已知数据，实现“工件偏置”自动计算和输入的宏程序，宏程序结构及注释如下。
    

      三、宏调用指令及使用说明

     根据编制的宏程序，我们确定FANUC 系统的宏调用指令格式如下。

     G65 P_ A_ X_ Y_ Z_ B_ H_

    注释：

     G65 （宏调用指令）
     P_ （调用的宏程序号，如P7010）
     A_ （参考基准点的工件偏置号，1-48 或54-59，对应坐标系G54.1 P1-P48 和G54-G59）
     X_（非正交平面坐标系原点相对于参考基准点的X 坐标值，有+/- 之别）
     Y_（非正交平面坐标系原点相对于参考基准点的Y 坐标值，有+/- 之别）
     Z_（非正交平面坐标系原点相对于参考基准点的Z 坐标值，有+/- 之别）
     B_（旋转角度）
     H_（建立非正交平面坐标系的工件偏置号，1-48 或54-59，对应坐标系G54.1 P1-P48 和G54-G59，注意和A_ 中的不要相同）

      四、宏程序特点及注意事项

     （1）该宏程序仅适用于工作台顺时针旋转为正的机床，否则，需要适当调整。

     （2）针对不同的卧式加工中心，因回转中心的机床坐标不同，需要查阅机床手册或者根据实际校调数据，对宏程序中 #4 和#6 的变量值进行调整，其中#4 对应X，#6 对应Z。

     （3）使用前，必需在零件“摆正”状态下，建议为0°，测量参考基准点的坐标偏置值，输入宏调用指令参数A 指定的偏置中，如G54，建立计算基准点，供宏程序内部计算调用。
 

     （4）宏调用指令中，由参数A 和H 指定参考点偏置号和建立非正交平面工件零点偏置号，可以根据程序中非正交平面的数量，选择G54-G59，或者G54.1 P1-P48，二者不能相同。

     （5）宏调用指令中，参数A 和H 要正确输入，超出取值范围的赋值将会触发报警。

     （6）宏调用指令一般放在主程序的开始，零件有几个非正交平面，就需要几行宏调用指令，主程序执行时，工件偏置自动计算，并写入数控系统指定的工件偏置设定区，建立工件坐标系，供主程序调用。
 

      五、效果验证

      宏程序编制完成后，为了验证工件偏置自动创建功能的有效性，计算数据准确性，我们设计了5 组不同数据，在公司两台配置FANUC 310i 系统的卧式加工中心上进行验证，采用的方法是分别在两台设备上进行不同旋转角度的数值验证，并将计算结果与CAD 软件绘图采集的数据进行对比，二者计算结果完全一致。

      六、结语

     利用FANUC 系统的宏编程技术，开发的卧式加工中心工件偏置自动创建功能，解决了卧式加工中心在加工非正交平面时，工件坐标系的建立难题，消除了人工重复计算工件偏置的环节，降低了技术人员的工作量和出错率，减少了机床停机等待时间。