西门子系统G54、G55双坐标系在端面外圆磨削中的应用

徐 鑫



西门子系统G54、G55双坐标系在端面外圆磨削中的应用

徐 鑫

(上海机床厂有限公司 上海 200093)

介绍了SIEMENS系统中G54、G55双坐标系在端面外圆磨削中的运用，阐述了SIEMENS系统中坐标系的建立和偏置的原理；针对端面外圆磨削的特点，详细介绍了磨削加工程序中的关键步骤；优化端面外圆磨削程序的编写，方便了操作者的使用。

SIEMENS数控系统 端面外圆磨削 双坐标系 坐标系偏置

数控端面磨床是斜砂轮架斜向切入进给的磨床，主要用于磨削带肩胛的轴类零件的端面和外圆。适宜于大批量零件生产的车间使用，也可作为普通外圆磨床来磨削圆柱形或圆锥形的回转体工件。配置MARPOSS或者其他品牌的测量仪，可实现对磨削的闭环控制，自动补偿砂轮修正时砂轮和金刚刀上的磨损量。

1 坐标系的建立

1.1 机床坐标系

机床坐标系是以机床自身为基准的固有坐标系体系，拥有固定的坐标原点，也称为机床零位。机床零位由机床的生产厂家设定，采用相对编码器的机床在床身上装有回零撞块，配合接近开关完成回零。采用绝对值编码器的机床在需要位置设定完零位后无需再次回零，机床上电后直接处于回零状态，此过程叫做“回参考点”，也是机床坐标系的建立方法。

1.2 工件坐标系

图1 机床坐标系MCS与工件坐标系WCS

工件坐标系是以装夹好的工件为基准建立起来的坐标系。其方向上的值直接能反应工件的外径尺寸，其方向或方向的零点一般取工件工艺图纸上的基准面。建立工件坐标系后，机床在进行磨削加工时可以简单地按照工艺图纸输入尺寸来完成对工件的加工。

1.3 端面外圆磨床上工件坐标系的建立

考虑到磨床的特殊性，在磨削时，砂轮是刀具，工件是被加工者；在修整砂轮时，砂轮反过来是被加工者，金刚刀金刚笔是刀具。所以用这个思路来分别建立其G55修整坐标系和G54工件坐标系。

(1)把砂轮修整的起始点定为G55坐标系的原点。在进行砂轮安装或更换金刚笔后的初次砂轮修整对刀时，运行如下程序便可以方便的把修整起始点变成所需要的数值。

修整径向对刀的程序如下：

G55 切换到G55坐标系

75=$P_UIFR[2,,TR] 读取轴偏置

74=$AA_IM[] 读取轴当前机械坐标

STOPRE 预读停止

$P_UIFR[2]=CTRANS(,74,,75) 刷新坐标偏置

G55

74=0参数清0

75=0参数清0

M02 程序结束

修整轴向对刀的程序如下：

G55

76=$P_UIFR[2,,TR]

77=$AA_IM[]

STOPRE

$P_UIFR[2]=CTRANS(,76,,77)

G55

76=0

77=0

M02

以上两个程序可以在对刀完成的位置分别自行调用并运行，也可以通过PLC连接外部按钮进行一键调用运行。执行完这两个程序后，G55修整坐标系就建立完成。在执行修整程序时，只要先走到G55坐标系的零位后沿着砂轮的轮廓走刀就能完成修整过程，简单直观。

(2)把工件的中心轴线以及一个基准端面作为G54坐标系的原点，也就是通常说的工件坐标系WCS。

在砂轮和金刚笔更换后的多次修整后需要重新对工件径向对刀。对一个已磨光的工件进行对刀，然后在R100参数里输入千分尺测量出的该工件的外径值并运行如下程序：

G54

71=$P_UIFR[1,,TR]

70=$AA_IM[X]

70=70-100/2 计算工件外径偏置量

STOPRE

$P_UIFR[1]=CTRANS(,70,,71)

G54

70=0

71=0

M02

运行程序后，当发现G54坐标系的径向轴坐标会变成所测量出来的数值时，也就完成了工件坐标系外径方向的建立。在不更换砂轮金刚刀以及不发生误操作和事故的情况下，这个操作只需要完成一次，不必反复运行。

当每次更换工件种类时，需要重新对轴向端面定位，即需要重新找基准面对工件基准端面进行对刀，运行如下程序：

G54

72=$P_UIFR[1,,TR]

73=$AA_IM[Z]

STOPRE

$P_UIFR[1]=CTRANS(,R72,,R73)

G54

STOPRE

72=0

73=0

M02

运行程序后，G54坐标系的轴向坐标会清零，也就是把该点定位在了WCS下的方向的0位。

G54工件坐标系建立的好处就是，对于不同尺寸的工件只需要记录其一组工艺数据，在需要加工时，把这组数据输入参数就能进行工件的加工了，尤其适合大批量且频繁变换加工工件的车间使用。

2 砂轮修整的补偿

根据坐标系选取的不同，数控加工程序在做砂轮修整补偿时候的方法也会有所不同。根据上述的坐标系建立方法，在修整砂轮程序中嵌入子程序来对砂轮修整量进行坐标补偿。

坐标补偿程序如下：

G55

60=(53+54)/2 计算修整量

61=$P_UIFR[2,,TR]

61=R61-R60轴方向进行修整补偿

62=$P_UIFR[2,,TR]

62=62-55轴方向进行修整补偿

STOPRE

$P_UIFR[2]=CTRANS(,61,,62)

STOPRE

63=$P_UIFR[1,,TR]

63=63-60

64=$P_UIFR[1,,TR]

64=64-55

STOPRE

$P_UIFR[1]=CTRANS(,63,,64)

G55

61=0

62=0

63=0

64=0

M17

其中53是径向方向上的粗修整量；54是径向方向上的精修正量；60是它们的总和；55是轴向方向上补偿的量。补偿时，把这个修整量同时偏置进G54和G55坐标系，理论上这样就能保证砂轮的轮廓在G54和G55的坐标系下不变，相当于砂轮作为刀具不考虑其损耗。

3 对刀仪的反馈补偿

由于工件工装和工件中心孔不尽相同，会产生装夹工件后在轴向上有些许偏差。在加工前用对刀仪接近工件基准端面，发讯时调用如下补偿程序：

G54

80=$P_UIFR[1,,TR]

81=$AA_IM[Z]

81=81+82 计算中心孔偏差

STOPRE

$P_UIFR[1]=CTRANS(,80,,81)

G54

STOPRE

80=0

81=0

M17

该补偿程序可以弥补工装和中心孔造成的轴向偏差。其中，82是砂轮与对刀仪间的距离，最初可以通过把对刀仪与砂轮分别对刀一个基准面的坐标差来得到。在砂轮端面修整后虽然会存在误差，但是总体来说端面加工的要求不是很高，所以只要在必要时人为的修改82就可以保证生产要求。

4 外径测量仪的反馈补偿

4.1 理想补偿和生产实际情况偏差的分析

理论上，在砂轮修整后补偿程序修整的余量就可以保证砂轮的轮廓在两个坐标系下的相对位置。但实际使用下来发现，随着修整次数的不断增加，修整完的工件进刀量也会不断增加，结果会发生进刀火花越来越大甚至铡刀的情况。

试着分析可能的情况，因为金刚刀修整是以点修面，金刚刀在砂轮上的修整痕迹其实是螺旋线式的轨迹，也就是可能不是砂轮上所有点都能修得到，可能有高点和低点。如果反复修整都没有修掉高点的话，那么高点进刀时就会造成更大的火花。

但经过尝试，修整一个量后多次反复不进刀空走来切除高点，结果仍然存在这种现象。所以上述可能性不是主要影响要素。

那么为什么会有这种现象呢？那是因为砂轮作为刀具在进行加工时会发生损耗，金刚刀在修整砂轮时同样会产生损耗。普通廉价的金刚笔在修整数次后，金刚石部分就可以观察到明显的形变。修整后进刀量增加的量其实等同于金刚刀易损的量。

4.2 利用测量仪补偿弥补金刚刀的易损

既然理论上的补偿仍旧存在偏差，不能满足加工精度的要求，那么就需要有一个反馈的手段来促进进一步的补偿。

外径测量仪被广泛应用于高产的小型外圆磨床和端面外圆数控磨床上，有着对测量档磨削成品精度高的优点。利用这个特点来进行第二次补偿来控制磨削时的精度。

外径测量仪在磨削到尺寸时，理论上工件坐标系显示的坐标和工件尺寸是一样的，这里再次调用一个补偿子程序，可以消除砂轮修整时产生的误差。

第二次坐标补偿：

G54

130=$AA_IM[]

131=$P_UIFR[1,,TR]

130=130-101/2 计算二次补偿量

STOPRE

$P_UIFR[1]=CTRANS(,130,,131)

G54

130=0

131=0

M17

其中，101是测量工件的尺寸。即把此位置的坐标设为该档的尺寸，这样砂轮修整时多出的补偿量就消除了。

图2 坐标系补偿流程图

大批量生产时，反复通过砂轮修整补偿增加砂轮的进刀量，从而保证一个闭环的补偿循环。

5 结语

在加工中，通过坐标系的规范和自动补偿功能对砂轮进行修整，根据坐标变化可以清楚地掌握砂轮的修整轨迹。使得操作者的操作简化，并能帮助维修人员查找故障原因，从而提高了机床的可靠性。

[1] Sinumerik 840D_840Di_810D高级编程手册[Z].2006.