摘要：當臥式加工中心加工非正交平面時，工件坐標系的建立是個難題。本文介紹了利用FANUC 系統的宏編程技術，針對非正交平面，開發工件偏置自動創建宏程序的過程。該宏程序能夠自動讀取已知數據，計算工件偏置，向數控系統輸入計算結果，從而實現自動建立工件坐標系的功能。
臥式加工中心是指機床主軸處于水平狀態的加工中心，這類機床通常配置一個繞固定軸線360 度旋轉的分度工作臺，X、Y、Z 三個直線坐標軸加一個回轉坐標軸，適合箱體類零件的加工，工件一次裝夾，除了安裝底面和頂面之外，可以完成至少四個側面的加工。
臥式加工中心加工零件時，每個角度平面都要建立工件坐標系。在0°、90°、180°、270°這四個正交平面上，操作工可以方便的通過量棒或探頭等工具，測量工件偏置值，建立工件坐標系。但是，當加工非正交平面（如30°平面）時，測量工件偏置是個繁瑣但必需要解決的問題。
確定非正交平面工件偏置的方法有多種，其中最常用的方法是，技術人員通過手工計算或者電腦繪圖確定。在計算之前，需要收集機床數據、零件數據和現場測量數據三個方面的信息，如表所示。其中機床數據和零件數據對于特定機床和零件是固定的，而現場數據需要零件在機床上裝夾、定位后才能測量，因此，出現了技術員等待操作工現場實測數據，而操作工等待技術員計算結果的現象，造成機床停機，降低了機床有效作業率。為了解決非正交平面加工基準點工件偏置的計算問題，我們利用數控系統的宏編程功能，開發了針對多種數控系統的宏程序，作為固定循環植入數控系統，可以實現任意角度平面工件偏置的自動創建功能，徹底解決了現場人工計算工件偏置的環節。下面以FANUC 系統為例，介紹宏程序的開發過程和具體應用。
當臥式加工中心加工非正交平面時，工件坐標系的建立是個難題。本文介紹了利用FANUC 系統的宏編程技術，針對非正交平面，開發工件偏置自動創建宏程序的過程。該宏程序能夠自動讀取已知數據，計算工件偏置，向數控系統輸入計算結果，從而實現自動建立工件坐標系的功能。
表 人工計算工件偏置需要收集的數據信息
一、推導工件偏置的數學計算模型
開發宏程序的關鍵點和難點在于根據已知條件，推導正確的工件偏置計算公式。為此，我們建立以下命題，如圖1 所示，工件在擺正（0°）的情況下，已知工件上一個參考基準點, 該點相對于機床零點的坐標為（XG54，YG54，ZG54），機床工作臺的回轉中心相對于機床零點的坐標為（X 回，Z 回），已知工件上任意一點A，該點相對于參考基準點的坐標值為（I，J，K）。如圖2 所示，當工件旋轉任意角度β°后，點A 轉到點B，求點B 相對于機床零點的坐標值（X 偏，Y 偏,Z 偏）。
推導過程：
如圖3 所示，在Z-X 坐標系下。
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 回綜合圖1、圖2 的數據，計算結果如圖4 所示。R×cosα=ZG54+K-Z 回
圖1 工件偏置計算命題的已知條件
圖2 工件偏置計算命題的求解目標
圖3 工件偏置推導關鍵三角形示意圖
圖4 工件偏置關鍵三角形直角邊計算公式
因為Y 軸方向的工件偏置和工作臺旋轉無關，所以，根據已知條件，最終點B 的工件偏置計算公式如下，經過驗證，公式準確無誤。工件偏置計算公式：
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
注釋說明
→程序名
→工作臺回轉中心相對機床零點的X 值
→工作臺回轉中心相對機床零點的Z 值
→判斷，滿足條件跳到N10 程序段
→判斷，滿足條件跳到N20 程序段
→提取G54.1 P1-P48 X 坐標值
→提取G54.1 P1-P48 Y 坐標值
→提取G54.1 P1-P48 Z 坐標值
→跳到N30 程序段
→提取G54-G59 X 坐標值
→提取G54-G59 Y 坐標值
→提取G54-G59 Z 坐標值
→數據計算
→數據計算
→計算工作臺旋轉后工件偏置的X 坐標
→計算工作臺旋轉后工件偏置的Y 坐標
→計算工作臺旋轉后工件偏置的Z 坐標
→判斷，滿足條件跳到N100 程序段
→判斷，滿足條件跳到N200 程序段
→變量賦值
→將計算結果輸入到指定的G54.1 P1-P48
→跳到N99 程序段
→變量賦值
→將計算結果輸入到指定的G54-G59
→程序結束
二、FANUC 系統宏程序的編制
要實現“工件偏置”自動創建功能，需要利用數控系統的宏編程平臺，開發一個能夠根據已知條件，自動讀取參考基準點的現場測量數據，自動計算工件偏置數據并寫入數控系統的宏程序，然后將該宏程序存儲到數控系統內存中，作為機床定制固定循環使用，通過零件加工主程序中編制宏調用指令調用，實現各種非正交平面工件坐標系的自動創建。
按照上述思路，我們根據上面推導的數學計算模型，針對FANUC 系統，開發了能夠根據已知數據，實現“工件偏置”自動計算和輸入的宏程序，宏程序結構及注釋如下。
三、宏調用指令及使用說明
根據編制的宏程序，我們確定FANUC 系統的宏調用指令格式如下。
G65 P_ A_ X_ Y_ Z_ B_ H_
注釋：
G65 （宏調用指令）
P_ （調用的宏程序號，如P7010）
A_ （參考基準點的工件偏置號，1-48 或54-59，對應坐標系G54.1 P1-P48 和G54-G59）
X_（非正交平面坐標系原點相對于參考基準點的X 坐標值，有+/- 之別）
Y_（非正交平面坐標系原點相對于參考基準點的Y 坐標值，有+/- 之別）
Z_（非正交平面坐標系原點相對于參考基準點的Z 坐標值，有+/- 之別）
B_（旋轉角度）
H_（建立非正交平面坐標系的工件偏置號，1-48 或54-59，對應坐標系G54.1 P1-P48 和G54-G59，注意和A_ 中的不要相同）
四、宏程序特點及注意事項
（1）該宏程序僅適用于工作臺順時針旋轉為正的機床，否則，需要適當調整。
（2）針對不同的臥式加工中心，因回轉中心的機床坐標不同，需要查閱機床手冊或者根據實際校調數據，對宏程序中 #4 和#6 的變量值進行調整，其中#4 對應X，#6 對應Z。
（3）使用前，必需在零件“擺正”狀態下，建議為0°，測量參考基準點的坐標偏置值，輸入宏調用指令參數A 指定的偏置中，如G54，建立計算基準點，供宏程序內部計算調用。
（4）宏調用指令中，由參數A 和H 指定參考點偏置號和建立非正交平面工件零點偏置號，可以根據程序中非正交平面的數量，選擇G54-G59，或者G54.1 P1-P48，二者不能相同。
（5）宏調用指令中，參數A 和H 要正確輸入，超出取值范圍的賦值將會觸發報警。
（6）宏調用指令一般放在主程序的開始，零件有幾個非正交平面，就需要幾行宏調用指令，主程序執行時，工件偏置自動計算，并寫入數控系統指定的工件偏置設定區，建立工件坐標系，供主程序調用。
五、效果驗證
宏程序編制完成后，為了驗證工件偏置自動創建功能的有效性，計算數據準確性，我們設計了5 組不同數據，在公司兩臺配置FANUC 310i 系統的臥式加工中心上進行驗證，采用的方法是分別在兩臺設備上進行不同旋轉角度的數值驗證，并將計算結果與CAD 軟件繪圖采集的數據進行對比，二者計算結果完全一致。
六、結語
利用FANUC 系統的宏編程技術，開發的臥式加工中心工件偏置自動創建功能，解決了臥式加工中心在加工非正交平面時，工件坐標系的建立難題，消除了人工重復計算工件偏置的環節，降低了技術人員的工作量和出錯率，減少了機床停機等待時間。
