五轴数控机床后置处理算法研究

机械2009年第10期总第36卷机械制造技术·45·———————————————收稿日期：2009－05－27作者简介：李贤元（1985－），男，江苏赣榆县人，硕士，主要研究方向为数控加工技术。五轴数控机床后置处理算法研究李贤元1，孟文1，周奎2(1.西南交通大学机械学院，四川成都610031)（2.四川工程职业技术学院，四川德阳618000)摘要：针对MAZAKINTEGREX100IV多任务车铣复合加工中心，通过研究机床结构及其后置处理算法，推导出机床转角分配和直线坐标变换公式，并开发出其后置处理器集成到UG软件中，利用在VERICUT中的机床模型进行切削仿真加工，验证了算法的正确。所研究的内容在实际应用中取得了很好的效果。关键词：后置处理；五轴；数控机床中图分类号：TP313文献标识码：A文章编号：1006－0316(2009)10－0045－04Thestudyonpostproceedingalgorithmforfive-axisCNCmachineLIXian-yuan1，MENGWen1，ZHOUKui2（1.CollegeofMechanicalEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China）（2.SichuanEngineeringTechnicalCollege，Deyang618000，China）Abstract：Forthemulti-taskinglathe-millingmachiningcenterofMAZAKINTEGREX100IV，thedistributionoftherotateangleofmachinetoolsandlinearcoordinatetransformationarederivedfromtheresearchonthemachinestructureandthepost-processingalgorithmforfiveaxismachiningcenter.CuttingsimulationismadeonthemachinetoolinVERICUTtoverifythecorrectnessofthepostprocessingalgorithmafterthepostprocesserisdevelopedandintegratedwithUGsoftware.Thepresentedtechnologygainedgoodresultsinpracticalapplications.Keywords：postproceeding；five-axis；CNCmachine随着CAD/CAM技术的发展以及产品性能上的要求，产品的几何设计越来越复杂，尤其是航空航天以及流体机械相关的重要零部件。例如离心压气机叶轮常常以扭曲指纹面来构造叶片曲面，其曲率变化大，曲面加工精度要求又高，而叶片与叶片之间重叠部分相当多，无法利用三轴来进行加工，必须利用五轴数控加工。与三轴加工相比较，五轴数控加工有其自身的特点：明显提高了加工效率、改善了加工表面质量与精度、加工对象广泛等等。但与此同时，五轴数控机床在加工时的实际运动情况比三轴加工复杂得多。五轴数控加工后置处理是曲面零件数控加工编程技术的一个重要内容，它将前述生成的刀位数据转换成适合于具体机床的运动数据和数控加工程序。这样在用多轴数控加工中心加工零件时，大多是先通过实体建模软件建模然后利用数控加工软件生成刀位轨迹数据，而将计算程序计算出的刀位轨迹数据转换为数控加工程序又是数控加工自动编程的重要内容之一。因此，研究这一过程的数学模型，编制更为有效的后置处理就显得非常重要了。这里就用数学描述的方法来解决多轴数控加工中坐标数据变换的问题，建立相应数学模型。1五坐标数控加工机床所谓坐标转换，就是把刀心位置及刀轴矢量变换到相应的机床坐标系中的过程，机床的结构不同，变换关系也不相同[1]。这里主要研究了具有刀具摆动与工作台转动机床运动的建模，机床模型为MAZAKINTEGREX100IV多任务车铣复合加工中心，如图1。所选的机床除了X、Y、Z的平动轴外，还有C轴（绕Z轴的工作台转动，转角为360°）和B轴（上·46·机械制造技术机械2009年第10期总第36卷刀架绕Y轴的刀具的摆动，摆角为225°），以及第二主轴的转动和下刀架的平动。机床通过在全移动轴（X/Y/Z）上采用线性导轨，实现了高速、高精度的加工。两个回转轴（B/C轴）的最小分度指令为0.0001°（分度能力比以前提高10倍），大大地提高了定位精度。这里主要研究机床五坐标加工特性，所以暂时没有考虑其下刀架和第二主轴的运动。图1MAZAK车铣复合加工中心VERICUT中机床总体结构模型如图2所示。图2VERICUT中机床模型2后置处理算法分析2.1机床运动链分析刀路规划是假设刀具相对于工件进行运动，工件不动而刀具运动，经前置处理产生的中性的刀位源文件包含工件坐标系中的刀位点坐标和刀轴方向矢量（刀轴方向矢量是单位矢量）。实际机床加工是在机床坐标系中，需要刀具或工作台联动实现加工运动过程。后置处理需要将该运动根据具体机床结构和数控系统处理生成机床中刀具或者工件的平动、转动或者摆动。该机床是通过刀具相对工件在X、Y、Z轴方向的平动和刀具B轴相对于工作台上工件的摆动和C轴的转动实现的。2.2机床运动模型建立为描述机床的运动，建立图4所示坐标系统，其中坐标系为与工件固联的工件坐标系，前置刀位数据是在该坐标系中生成的；ttttOXYZ为与刀具固联的坐标系，称为刀具坐标系，其原点设在刀位点上，其坐标轴方向与机床坐标系一致；2222mmmmOXYZ为与回转轴B固联的坐标系，方向与机床坐标系一致，原点2mO为回转轴线与刀具轴线的交点；1111mmmmOXYZ为与回转轴C′固联的坐标系，方向与机床坐标系一致，坐标原点1mO可在回转轴线上任意选取。显然，其运动关系即是刀具坐标系ttttOXYZ相对于工件坐标系的变换关系，它可进一步分解为ttttOXYZ相对于mmmmOXYZ的平动和mmmmOXYZ相对于的转动。图3C-B结构机床坐标系统设图3所示为机床初始状态，其刀具轴线平行于X轴，工件坐标系方向与机床坐标系一致，刀具坐标系与工件坐标系原点重合。设2222mmmmOXYZ的原点2mO到刀具坐标系原点tO的距离为L，则2mO在刀具坐标系中的位置为2(,0,0)mrL；1111mmmmOXYZ的原点1mO在工件坐标系中的位置为1(,,)mxyzrmmm=。在刀具坐标系中，刀位点的位置矢量和刀轴方向矢量分别为[]000T和[]100T。记机床平动轴相对于初始状态为(,,)sxyzrsss=，回转轴C′、B相对于初始状态为Cθ和Bθ（逆时针为正）。在工件坐标系中刀轴方向和刀位点矢量分别为(,,)xyzuuuu=和(,,)mxyzrmmm=。通过ttttOXYZ相对于2222mmmmOXYZ旋转、2222mmmmOXYZ相对于1111mmmmOXYZ平移和1111mmmmOXYZ相对于旋转的坐标变换，可得：1122[0]()()()()()[1000]TxyzmzCTsmmYBmuuuTrRTrrrRTrθθ=∗−∗−+∗∗−∗（1）1122[0]()()()()()[0001]TxyzmzCTsmmYBmpppTrRTrrrRTrθθ=∗−∗−+∗∗−∗（2）XwZwOwYw工件rsrm1Xm1Zm2Ym1C'Om1刀具ZtYtOtXtrm2Om2Ym2LBZm2Xm2机械2009年第10期总第36卷机械制造技术·47·式（1）和式（2）中，T和R分别为平移和回转运动的齐次坐标变换矩阵，由计算机图形学相关知识[2]可知：1100010()0010001xymzmmTrm⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦cos()sin()00-sin()cos()00(-)00100001CCCCZCRθθθθθ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦12100-010-(-)001-0001xxyysmmzzsmLsmTrrrsm+⎡⎤⎢⎥⎢⎥+=⎢⎥⎢⎥⎣⎦cos()0sin()00100()-sin()0cos()00001BYBBRθθθθθΒΒ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦2100-0100(-)00100001mLTr⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦将上述公式代入式（1）和式（2），可得该五坐标机床的运动变换关系如下：CBCBBcos()cos()-sin()cos()-sin()00xyzuuuθθθθθ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦（3）x-cos()cos()*cos()*(-)sin()*(-)sin()cos()*-sin()*(-)cos()*(-)sin()*1CBCxxCyyxxyCBCxCyyyzBzzLsmLsmmppLsmLsmmpLsmθθθθθθθθθ++++⎡⎤⎢⎥+++⎢⎥=⎢⎥+−⎢⎥⎢⎥⎣⎦1⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦（4）2.3机床运动坐标计算式（3）和式（4）即为C'－B结构机床的运动变换，它表达了刀具相对于工件的位置与方向随机床的运动变化。将前置刀位文件中的刀位数据赋给(,,)xyzuuuu=和(,,)xyzpppp=，则可由上述两式计算出满足加工要求的机床回转角度Bθ、Cθ及平动位移xs、ys和zs。求解式（3）和式（4）可得机床各轴运动的计算公式为：arcsin()5858BzBuθπθπ=−−≤≤（5）对于Cθ求解，则要根据xu和yu的取值情况按以下分类进行：*arctan(/)00;1,1,0000*/200;=+1,-1CyxxyCyxCxykuuuukuukuukθπθθπ⎧=−≠≠=+−⎪==≠⎨⎪==≠⎩且且且（6）cos()*()sin()*()sin()*()cos()*()sin()*xCxxCyyxyCxxCyyyzzBzspmpmmLspmpmmsmLpθθθθθ=−−−+−⎧⎪=−+−+⎨⎪=−+⎩（7）由式（5）和式（6）可知，Bθ和Cθ的解都可能不唯一，并且由于机床结构限制，转角Bθ的取值要与该机床刀具摆角范围一致，因此在实际计算时需要根据它们的限制条件合理地确定Bθ和Cθ的取值。另外对于有多个合理解的转角Cθ，为提高机床效率一般取Cθ较小的值。对于Bθ和Cθ，由于还涉及到的跨象限的问题，因此实际求解过程中，其具体象限应按运动的连续性来确定，从而得出合理的转角取值。3UG中后置处理器的配置上面利用数学方法推导出了五轴数控机床回转角度Bθ、Cθ和平动位移xs、ys和zs的计算公式。根据上述后置处理算法，用TCL语言开发MAZAKINTEGREX100IV五轴联动加工中心后置处理器。将开发的专用后置处理器集成到UG软件中，实现该加工中心数控加工程序的自动处理。4VERICUT中的仿真验证使用VERICUT软件模拟机床数控加工过程，调入后置处理生成的NC代码就可进行切削仿真。此方式基于完整的加工工艺系统环境进行NC编程仿真，比CAD／CAM软件的单纯刀位文件仿真更真实、直观，更接近实际加工情况，仿真后的NC（下转第72页）·72·工程材料应用机械2009年第10期总第36卷速工作时烟条错位、堵丝、烟支空头等现象，成为了制约卷接速度和卷制范围的重要因素之一。在实际设计过程中，针对烟丝通道各零件的结构外形和工作特点采用“特富隆”技术进行了改进设计。改进后零件的基体材料保持不变，工作表面改为高分子材料“特富隆”，设计方案有三种：（1）镶嵌法：采用特定的结构将特氟隆镶条镶嵌在零件的工作面上，在零件装配时将镶条夹紧，其优点可以适时更换零件的镶条，有效提高零件的使用寿命和使用效果（图1）；（2）工程胶粘接法：采用工程胶将特氟隆镶条粘结在零件基体上，作为零件工作面（图2）；图1镶嵌法图2工程胶粘结法（3）喷涂法：在工作表面上涂覆“特富隆”，其优点是不论基体形状复杂与否均可喷涂，“特富隆”与钢质零件表面粘结力很