特殊双转台结构五轴联动加工中心后置处理算法研究

设计与研究哟nQndResearCh特殊双转台结构五轴联动加工中心后盆处理算法研究付莹莹(德州学院,山东德州253015)摘要:针对非传统笛卡尔坐标系统的特殊双转台结构五轴联动加工中心,通过研究机床结构及其后里处理算法,推导出转台运动角度计算和直线坐标变换公式,开发了其后置处理器并集成到UG软件中,利用DMU70eV五轴联动加工中心进行了复杂工件加工实验,验证了该算法正确性,实现了复杂零件产品的CAD/CAM一体化无图纸设计与制造。关键词:特殊双转台结构五轴联动加工中心后置处理ResearchonPostProeessingAlgorithmforFive一axisMachiningCenterwithSPeeialStruCtureofDoubleTableFUYingying(DezhouUniversity,Dezhou253015.CHN)Abstraet:Formulasofrotateangleandlineaxiseoordinatesarederivedthroughresearchonthemaehinestruetureandthepostproeessingalgorithmforfiveaxismaehiningeenterwithspeeialstruetureofdoubletablewithnon一traditionalorthogonalDesearteseoordinatesystem.MaehiningexPerimentsaremadeonDMU70eVtoverifytheeorreetnessofthepostproeessingalgorithmafterthepostproeessor15developedandintegrat-edwithUG.IntegratingofCADandCAMaboutthedesigningandmanufaeturingofeomplieatedproduetswithoutpaper15realizedsueeessfully.Keywords:SPeeialStruetureofDoubleTable:Five一axisLinkage:MaehiningCenter;POstProeessing自由曲面在航空、航天、汽车、造船等行业产品中应用广泛{’〕,但是自由曲面的加工是一大难点。为了提高其加工效率和加工精度,广泛采用五轴联动加工中心来加工。多轴联动加工中心多采用CAD/CAM软件自动编程[’],统计数据显示,复杂零件编程时间和实际加工时间之比约为30:1[’〕,而数控机床不能开动的原因中20%一30%是由于加工程序编制不出来造成的,究其原因关键在于后置处理这一关键技术没有解决好。后置处理是指将前置处理产生的刀位源文件进行转换,生成指定数控机床能够识别的数控加工程序的过程。因此,后置处理是将理论设计转化到实际生产的关键环节[’]。传统的笛卡尔坐标轴结构的五轴联动加工中心可以分为3类:双转台、双转头和转台加转头类型!’],它们各具有优缺点。国内外的学者对多轴联动加工中心后置处理器的开发进行了一些研究〔6一8〕,例如Y.H.Jung和D.w.Lee〔’}等人研究了传统坐标轴的双转台结构五轴联动加工中心的后置处理器开发等。近年来随着数控技术以及数控机床的发展,国际上出现了一种特殊双转台结构的五轴联动加工中心。其特殊之处在于采用了旋转B轴倾斜45“的非传统笛卡尔正交坐标轴系统,由于其后置处理非常复杂,使得新型数控机床的功能应用受到了严重的影响[’!。本文针对此类机床研究了其后置处理算法,基于UG开发了其专用后置处理器,利用DMU70eV特殊双转台结构五轴联动加工中心进行工件加工实验,实验结果验证了后置处理算法的正确性。1机床结构分析特殊双转台结构五轴联动加工中心坐标轴与传统的机床坐标轴正交形式不同,如图l所示是DMU70eV的机床坐标轴,其独特之处在于采用倾斜45“旋转工作台实现其立卧转换。旋转轴B轴位于玖。。Zm平面内,参数H二巧5mm,角度a二45。,B轴转动范围是0“一1800。B轴0o时是初始状态,工作台处于水平位置,B轴旋转至180“时,工作台转至垂直位置。桩乡糕笃怂2后置处理算法分析2.1机床运动链的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轴方向的平动和工作台上工件相对于刀具B轴的摆动和C轴的转动实现的。根据上述分析建立特殊双转台结构加工中心的运动链如图2所示。—吻。nd~砚计与研究描述方便,我们采用齐次变换法,它将运动、变换和影射与矩阵运算联系起来,因此在空间机构动力学、机器人控制、计算机图形学等方面有广泛的应用【川。口3坐标轴系统甲用甲门习姗门诏月诏,甘声用Tl一M』C占B三H‘TJ二Tra。(一X,,一Y,,一Z,)xRot(C,一。)x升。ns(0,0,H)xRot(B,一6)xTra。(x+X,,Y+Y;,Z+Z,一H)(l)(2)‹leseseses月月.es,,.es.00一11„l001nlj„rl翩llL甲T一一‹leseseseseseseseses卫.esJes只凡只1气气久0一les.‘esesesesesesJ式中T和R分别为平移和旋转运动的齐次坐标变换矩阵。梦T=Trans(x+x,,Y+Y;,z+z;一H)0000X+X甲Y+Y甲Z+Z『一Hl(3)000尸lesesesesesesesesesesessewewe一一、、J产、.产口4‘J2.、了.、,l..eseseseseseseses胜J另T=Ro‘(B,一占)=肠‘(x。,45“)/Ror(Z。,一b)xRot一’(X,,45“)n“0nUC†,1000一les..esesesesesL一一芸T=升an￡(o,o,万)、尹龟万6矛f吸、,,...‘lesesesesesesJ0O,C了Ln)s.弧一日”n”05((c一尸.卫...!.lesesesesL一一圈1机床运动坐标系即姗双转合结构林助健2.2机床运动模型的建立建立如图3所示坐标系统,O;X二y,Z,是与工件固联的工件坐标系;机床坐标系口MXM踢zM位于工作台平面中心;OTX:片Z:是与刀具固联的刀具坐标系,坐标原点位于刀具刀位点,初始状态下工件坐标系和刀具坐标系的坐标轴方向与机床坐标系方向一致。假设工件坐标系原点O二在机床坐标系oMX,踢z,中的位置矢量为R,(X,,Y,,z,);初始定位时刀具坐标系原点O:与工件坐标系原点O二重合,刀具刀位点在刀具坐标系O:X:YTZ:中的位置矢量和刀轴方向矢量分别为(0,0,0)和(0,0,1)。对于工件坐标系中的任意刀位点尸,假设其位置矢量和刀轴方向矢量分别为(p:,p,,p:)和(a:,a,,a:),机床加工该刀位点时,机床运动后的平动头相对于初始状态的位置矢量为R(X,Y,Z),工作台旋转轴B和回转轴C相对于初始状态的角度为B和C。由图2所示机床运动链和图3坐标系统可得工件坐标系到刀具坐标系的齐次变换矩阵[’”]。此处为了瞥T=双。:(c,一C0l00sinCeosC0000篇T二Tran:(一X,,一Y,,一z,遨少毓粼留设计与研究卿,~(7)加工程序的自动处理,从而实现复杂零件产品的CAD/CAM一体化无图纸设计与制造。甲甲WXY21一一一n””日„,且0n†100lln†O一n一卫l月se.es.esesesL一一其中尝T计算如下(l)将B轴绕X轴顺时针旋转45“到Z轴得到变换矩阵ROr(X,,45“)4实验验证图4所示是在DMU70eV五轴联动加工中心上加工的汽车覆盖件模具。UG中设计的精加工操作经该后置处理器生成的五轴联动数控加工程序部分如下:、、了口OO了宜.、,..1月welesl0一11甘;。‘(、,,45。。二{{{”‘00eo科50sin45o00一sin45。eo科5。0N吞抖X一24.8462一9.855B20.103C一172.856N645X一24.39Y35.562一9.849B19.746C一172.984(2)绕z轴旋转B角度得到变换矩阵Rot(z,,-、、卢Q声了‘.、一leseses曰eosB00一sinBsinBeosB0000O0rwe,sees于」一一、.产少口卜口一.矛HZ了.‘、占‘OR2.3机床运动坐标计算由2.2中的公式(l)一(9)反推机床的运动变换计算公式,得到工作台上工件相对刀具的转动角度B二arceos(Za:一l)困4汽车班盖件模具加工C二arcs,n扣歹丁可+C即(10)(11)其中aretan玉a二90。1800+aretana:0a二二0a,0a,==o(14)ay二0a,05结语后置处理器是将零件产品的CAD/CAM一体化理论设计转化为机床实际加工生产的关键环节,作为核心的后置处理算法研究及后置处理器的开发具有非常重要的现实意义和极大的工程应用价值。论文通过研究DMU70eV特殊双转台结构的五轴联动加工中心后置处理算法,开发了其后置处理器集成到UG中,实现了复杂零件的CAD/CAM一体化无图纸设计与制造,这对于其它特殊结构数控机床的后置处理算法研究及其后置处理器的开发与应用具有极大的参考价值。参考文献1A.RaoandR.S~.onloc日gougingin6ve一而ssculPtu此dsurfaeemachiningus讯g口at一endtools.ComputerAid曰D韶i,,2(XX),32(7):礴的一4202Y.H.Jung,D.W.玩e,JS.Kim,andH.S.Mok.NC即stprocessorfors一面s而111鸣machineOftable一m扭tin岁tiltingtype.」叫malofMaterialsP叹essingl’echnOI呵,2朋2(130一131):641一创63王建强.基于在线侧量工艺参数的数控加工程序后置处理算法的研究.计算机辅助设计与制造,1999(9):16·284邹树国,许鹤峰,陈卫东.通用后置处理中生成固定循环加工指令.工程图学学报浏刃2(1):20一255S.Sak脚otoandl.玩日阴人i.An目ysisof脚ezar‘ngmotionfor6ve一ax‘smachiningeent饥.TransactionsOftheJ叩anSocietyofMechaniealEn-ginee。,PartC,1993,59(561):223一22900Aa:0五气a:0n„018000O一1500+。retan玉a:一900aretan五a:a二二oa,0a:oa,0一一理同样可以得到和主轴头上的刀具相对于工件的直线运动坐标(X,y,Z)。3UG中后里处理器开发根据上述后置处理算法,用TCL语言开发DMU70eV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逛步瓷粼留哟。。闭R~砚计与研究金属一陶瓷高刚度砂轮接杆设计及性能分析’王军李红俊郭雪(燕山大学,河北秦皇岛066004)摘要:研制了陶瓷一金属复合结构内圆磨砂轮接杆以提高其静动态特性。对所设计的新型内圆磨砂轮接杆和传统接杆的静动态特性进行了有限元对比分析。计算结果表明,陶瓷一金属复合结构内团磨接杆较传统接杆的性能有了较明显提高,能够显著提高内圆磨削速度。关键词:砂轮接杆有限元工程陶瓷动态特性结构设计DesignandPerformaneeAnalysisofHybridCeramie一metallieInternalGrindingWheelSPindleWANGJun,LlHon幻un,GUOXue(YanshanUniversity,Qinhuangdao066(X)4,