基于FANUC数控系统的坐标系自动补偿的研究和应用
毕业论文（设计）
题目：基于FANUC数控系统的坐标系自动补偿的研究和应用
系部名称：机械工程系专业班级：
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摘要
FANUC数控加工中心机床在加工零件时，经常会遇到下面的这种问题：由于零件加工部位的需要，通常要求工作台能旋转任意角度。当工件坐标系原点与工作台的旋转中心重合时，工作台的旋转不会给加工过程带来影响。但在一般情况下件坐标系原点与工作台的旋转中心是不重合的，工件坐标系原点的位置随着工作台的旋转，在机床坐标系中发生变化。所以，要求重新设定工件坐标系原点的位置。在实际生产中通常的做法是，借助于计算机，根据旋转角度计算出工件坐标系原点的变化量，在初始工件坐标原点设定值的基础上进行补偿计算，然后人工设定新的工件坐标系原点的位置。这种人工补偿计算，设定的方法不仅效率低，而且容易出现错误。
本文运用FANUC系统中的宏指令及参变量，提出了编写一个补偿软件，认为此程序可以实现数控加工中心机床在零件过程中，工作台任意角度旋转后，自动补偿与并设定新的工件坐标系原点的位置。
关键字：FANUC , 工件坐标系自动补偿，宏程序
Abstract
FANUC CNC system based on the coordinates of the research and
application of automatic compensation
FANUC CNC processing center machine, often in processing components will meet the following this question: because parts processing parts of the need, usually require workbench can rotate arbitrary Angle. When the workpiece axis of rotation center coincides with table, the rotation of the workbench impact won't give processing. But normally a axis and workbench the rotation center is not coincidence, workpiece axis position with the rotation of the workbench, changes in the machine tool coordinate system. So, asked to set workpiece axis position. In the actual production of typically, computer, according to the rotation Angle by calculating the changes needed a axis, in the initial amount of workpiece coordinates value based on the origin, then compensate calculation manually set new self-positioning presended in the position of origin. This artificially compensation calculation, the method is not only set low efficiency, and prone to errors. This paper USES the macro instruction and FANUC system, puts forward the parameter write a compensation software, think this program can achieve nc machining center machine in parts processing process, workbench arbitrary Angle rotation, automatic compensation and and setting new workpiece axis position
.Keywords：FANUC Self-positioning presended automatic compensation Macro programs
目录
摘要................................................................... I Abstract .............................................................. II 1. 工件坐标原点补偿软件开发 . (1)
1.1 本文课题任务和目的 (1)
1.2 工件坐标系原点与工作台旋转中心的关系 (1)
1.3 坐标系自动补偿原理 (2)
1.3.1 机床坐标系、机床原点和机床参考点 (3)
1.3.2 工件坐标系和工件原点 (3)
1.3.3 机床坐标系与工件标系的关系： (4)
1.3.4 工作台象限的分析 (4)
1.3.5 新工件坐标原点的确定 (6)
1.3.6 新工件坐标系的确定 (16)
2. FANUC数控宏程序指令 (17)
2.1 宏程序的基本知识 (17)
2.2 宏程序的调用 (19)
2.3 宏程序的变量 (20)
3. 宏程序补偿的编写 (21)
4. 宏程序软件补偿的应用实例 (23)
4.1 确定工件加工工艺 (23)
4.2 切削用量和刀具的选择 (24)
4.2.1 切削用量的计算 (24)
4.2.2 刀具和切削用量的选择： (24)
4.3 编写加工工艺 (25)
4.4 涉及零件的专用夹具 (26)
总结 (28)
致谢 (29)
参考文献 (30)
附录：程序清单 (31)
1. 工件坐标原点补偿软件开发
1.1 本文课题任务和目的
本文研究的课题是；基于FANUC数控系统的坐标自动补偿的研究和应用。本次课题主要解决的问题是；数控机床在加工零件时，随着工作台的旋转，被加工零件的工件坐标原点将随工作台的旋转角度发生改变。
在实际生产中通常的做法是，借助于计算机，根据旋转角度计算出工件坐标系原点的变化量，在初始工件坐标原点设定值的基础上进行补偿计算，然后人工设定新的工件坐标系原点的位置。这种人工补偿计算，设定的方法不仅效率低，而且容易出现错误。
本文运用宏指令及参变量编写一个工件坐标原点补偿软件，认为此程序可以实现数控加工中心机床在零件加工过程中，工作台任意角度旋转后，自动补偿与并设定新的工件坐标系原点的位置。
1.2 工件坐标系原点与工作台旋转中心的关系
当工件随夹具在工作台上安装后，初始工件坐标系原点经测量、设定后，在机床坐标系中即被确定。工件坐标系原点与工作台旋转中心的关系如图1.1所示。
图1.1所示A、Aˊ分别为工件坐标系在工作台旋转前、后相对于机床主轴的位置关系，其坐标为（s,t）和（sˊ,tˊ）。其中s、t可以直接测量的，sˊ、
tˊ为带求值，已知的还有工作台回转中心相对于主轴的位置m、n和工作台的旋转角度a，现在要确定Aˊ点的位置，就是要找出Aˊ点相对于机床主轴的位置，即sˊ、tˊ的值，sˊ、tˊ可以通过A点相对于O点的坐标系为（m-s,n-t）,而ΔX、ΔZ为Aˊ相对于O点的位置，这里只要求出ΔX、ΔZ得知就可以确定Aˊ点的相对于主轴的位置。
图1.1 A和A＇相对与O点的坐标
设r =∠O AˊF
设β =∠AOE
ΔX = R * cos y
ΔZ = R * sin y
OE = m – s, AE = n – t
R = (AE^2 + OE^2)^(1/2) = [（ m-s）^2 + (n-t)^2]^ (1/2)]
r = 90o - (180o - (a-β)) = a-β-90o
β = arctanAE/OE = arctan n-t/m-s
ΔX = [（ m-s）^2 + (n-t)^2]^ (1/2)] * cos(a-β-90o)
ΔZ = [（ m-s）^2 + (n-t)^2]^ (1/2)] *sin(a-β-90o)
至此Aˊ点的位置得以确定。
1.3 坐标系自动补偿原理
要计算出工作台旋转后新工件坐标系的位置。先介绍一下机床坐标系与工件
坐标系的关系：
1.3.1机床坐标系、机床原点和机床参考点
机床坐标系用来确定工件位置和机床运动的基本坐标系，其坐标原点是固定的。
机床坐标系的原点称为机床原点或机床零点。在机床设计和制造完成后，这个点便被确定下来。
为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移动范围内设置一个机床参考点，它在靠近每个轴的正向极限内侧。机床参考点与机床原点可以重合，也可以不重合，通过数控系统参数设置可指定该参考点到机床零点的距离。
机床参考点的设置，一般采用常开微动开关配反馈元件及脉冲的方法确定。机床在回参考点时，先把机床工作台向常开微动开关靠近，压下开关后，以慢速运动直至接收到第一基准脉冲，这时的机床位置就是机床参考点的准确位置，也就确定了该坐标轴的零点位置，从而建立了机床坐标系。
机床启动前，通常要通过自动或手动会参考点，机床回参考点有以下两个作用：
1）建立机床坐标系；
2）消除由于工作台漂移、变形等造成的误差。
机床使用一段时间后，工作台会造成一些漂移，导致加工误差。每回一次机床参考点，就可以使机床的工作台回到准确位置，消除一次误差。所以在机床加工前，首先要进行回机床参考点的操作。
1.3.2工件坐标系和工件原点
工件坐标系是编程人员在编程时自行定义的坐标系。编程人员选择工件上的某一固定点为原点（称为工件原点或程序原点），建立一个新的坐标系。称为工件坐标系，工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件系所取代。
工件坐标系的原点选择原则为：
1）使编程尽量简单；
2）尺寸换算少;
3）引起的加工误差小；
4）以坐标式尺寸标注的零件，工件原点常选尺寸标注的基准点；
5）对称零件或以同心圆为主的零件，原点选在对称中心线或圆心上；
6）Z轴的工件原点通常选在工件的上表面
编程加工程序时首先要设置工件坐标系，工件坐标系的建立可用G92指令或G54~G59指令。
1.3.3 机床坐标系与工件标系的关系：
机床坐标系与工件坐标系的关系如图1.2所示。一般说来，工件坐标系的坐标轴机床坐标系相应的坐标轴平行，方向也相同，但原点不同。在加工中，工件随夹具在机床上安装后，要测量工件原点与机床原点之间的坐标距离，这个距离称为工件原点偏置。这个偏置值需要预存到数控系统中，在加工时，工件原点偏置值便能自动加到工件坐标系上，使数控系统可按机床坐标系确定加工时的坐标值。
图1.2 坐标系示意图
1.3.4 工作台象限的分析
把工作台分为四个象限如图1.3所示：
0―90 为第一象限
90―180 为第二象限
180―270 为第三象限
270―360 为第四象限
图1.3 工作台的四个象限
为什么要分四个象限？
四种象限就是四种情况。比如A点放在第一象限里的任意位置都属于第一象限这种情况。
初始工件坐标系原点A在工作台上的位置是随意的，只有当A点与工作台中心重合时。A点的坐标才不会随工作台的旋转发生变化。
但是在实际生产中很难在每次装夹的时间将工件坐标系原点A与工作台旋转中心重合，因此工作台旋转中心和机床坐标系原点是机床生产时的2个参考点。
所以我们要考虑工件坐标系原点A放在工作台上时所有可能的位置，在坐标轴上和四个象限内的所有位置。
我们先考虑A点在四个象限的情况：
1.当t-n<0;s-m<0时，
工件坐标系原点A在第一象限；
2.当t-n<0;s-m>0时，
工件坐标系原点A在第二象限；
3.当t-n>0;s-m>0时，
工件坐标系原点A在第三象限；
4.当t-n>0;s-m<0时，
工件坐标系原点A在第四象限；
然后再考虑一些特殊情况：
5.当t-n=0;s-m<0时，
工件坐标系原点A在Z轴正向；
6.当t-n<0;s-m=0时，
工件坐标系原点A在X轴正向；
7.当t-n=0;s-m>0时，
工件坐标系原点A在Z轴正向；
8.当t-n>0;s-m=0时，
工件坐标系原点A在X轴正向；
9.当t-n=0;s-m=0时，
工件坐标系原点和工作台中心重合。
1.3.5新工件坐标原点的确定
工件坐标系原点在工作台上的位置有以前9种情况。当工作台旋转时，新的工件坐标系原点所在工作台上的位置也要分情况讨论：
图1.4 A1点在第一象限
在工作台旋转过程中（见图1.4），A1点的轨迹是以O为圆心，以OA1为半径的园。则在旋转过程中OA1不变
设OA1=R，则R=(AE^2 + OE^2)^1/2
工件坐标系原点A1的旋转角度用a表示，由上图知，计算新点的坐标时，OA2的初始角度用β表示。β在每个象限内都不同，所以要分情况讨论：
1.工件坐标系原点A在第一象限时：
（1）当A点随着工作台旋转β角度到第一象限时：
由图1.4中几何关系知：
Tanβ=A1H/OH β= arctan A1H/OH
A1H = ︳n – t ︳, OH = ︳m – s ︳
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
(2) 当A点随着工作台旋转a角度到第二象限时：
由图1.5中几何关系可知：
图1.5 A1点在第一象限 A2在第二象限
计算时可用绝对值角度计算，A2在以O点为原点的坐标系中的相对坐标的正负可有三角函数自己算出：
因此这时A2的相对坐标是：
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
因此，当A1点在第一象限时，随着工作台的旋转，A点到其他位置，其新点A2的相对坐标的计算式子相同为：
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
2.当工件坐标系原点A在第二象限时：
图1.6 A点在第二象限
由图1.6中几何关系知：
OA1的初始角度：β= ∠A1OH+ 90
tan ∠A1OH=A1H/OH ∠A1OH=arctan A1H/OH β= arctan A1H/OH
A1H = ︳n – t ︳, OH = ︳m – s ︳
点A2的相对坐标为：
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
由于OA1的初始角度已经计算出，则当A点旋转到工作台其他位置时，新点A2的相对坐标的计算式子仍然是：
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
3.当工件坐标系原点A在第三象限时：
图1.7 A点在第三象限
由图1.7中几何关系知：
OA1的初始角度：β= ∠A1OH+ 180
tan ∠A1OH=A1H/OH ∠A1OH=arctan A1H/OH β= arctan A1H/OH
A1H = ︳n – t ︳, OH = ︳m – s ︳
点A2的相对坐标为：
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
由于OA1的初始角度已经计算出，则当A点旋转到工作台其他位置时，新点A2的相对坐标的计算式子仍然是：
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
4.当工件坐标系原点A在第四象限时：
图1.8 A点在第四象限
由图1.8中几何关系知：
OA1的初始角度：β= ∠A1OH+ 270
tan ∠A1OH=A1H/OH ∠A1OH=arctan A1H/OH β= arctan A1H/OH
A1H = ︳n – t ︳, OH = ︳m – s ︳
点A2的相对坐标为：
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
由于OA1的初始角度已经计算出，则当A点旋转到工作台其他位置时，新点A2的相对坐标的计算式子仍然是：
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
当工件坐标系原点A在坐标轴上时，OA的初始角度将是一个固定值。由于每个坐标轴上的角度不同，还要分类讨论。
5.当工件坐标系原点A在Z轴正向时，也就是
t – n = 0 , s – m < 0
如图1.9所示：
图1.9 A点在Z轴正半轴
OA1初始角度：β = 0
点A2的相对坐标为：
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
6.当工件坐标系原点A在Z轴正向时，也就是
t – n < 0 , s – m = 0
如图1.10所示：
OA1初始角度：β = 90
点A2的相对坐标为：
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
图1.10 A点在X轴正半轴7.当工件坐标系原点A在Z轴负向时，也就是
t – n= 0 , s – m>0
如图1.11所示：
OA1初始角度：β = 180
点A2的相对坐标为：
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
图1.11 A点在Z轴负半轴8.当工件坐标系原点A在X轴负向时，也就是
t – n> 0 , s – m= 0
如图1.12所示：
OA1初始角度：β = 270
点A2的相对坐标为：
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
图1.12 A点在X轴负半轴
9.当工件坐标系原点A与工作台中心重合时，也就是
T – n = 0 , s- m = 0
如图1.13所示：
这是工件坐标系原点A和工作台中心重合，A点的位置不会随着工作台的旋转发生变化。
综上所述，工作台回转中心与工件坐标系原点不重合时工件坐标系原点的变化量为：
A2(x) = R * sin(a +β)
A2(z) = R * cos(a +β)
图1.13 A点工作台回转中心
1.3.6新工件坐标系的确定
前面是A1在工作台上的任何位置时，每种情况都计算了工作台旋转了α角度后，新点A2的相对坐标。
还要求出新点A2在机床坐标系的位置。
只要加上O点的坐标，就是新坐标系原点的坐标：
S＇= m + R * cos(a +β)
t＇= n + R * sin(a +β)