五轴联动数控机床的后置处理方法_胡寅亮 (1)

收稿日期:20030516

作者简介:胡寅亮(1978-),男(汉),湖南,硕士研究生

E 2m ail :huyliang @ho tm ail

.

com 胡寅亮

文章编号:100328728(2003)ZK 20175203

五轴联动数控机床的后置处理方法

胡寅亮1,熊　涛2,黄　翔1

(1南京航空航天大学机电学院,南京　210016;

2

洛阳电光设备研究所,洛阳471009)

摘　要:后置处理是数控编程的重要环节,它的作用是将CAM 系统生成的刀轨文件转化为机床的加工代码。五轴

联动的后置处理涉及到刀位文件的转角计算和坐标变换计算,坐标转换关系比较复杂,本文研究了立卧两种状态的五轴联动数控机床的后置处理,在分析了机床坐标系和工件坐标系关系的基础上,推导了坐标变换公式,并开发出了相应的后置处理软件,其结果满足五坐标联动后置处理的要求。关　键　词:后置处理;五轴联动;数控编程

中图分类号:T G 659;T P 311 文献标识码:A

The Post Processi ng M ethod of the F ive -ax is L i nkage CNC M ach i ne

HU Y in 2liang 1,X I ON G T ao 2,HUAN G X iang

1

(1N anjing U niversity of A eronautics and A stronautics ,N anjing 210016;

2

L uoyang E lectrical and Op tical D evice Institute ,L uoyang 471009)

Abstract :T he po st p rocessing is an i m po rtant part in the p rogramm ing of num erical contro l ,by using it ,the cutter locati on file from CAM system can be converted into m ach ining code .Because the po st p rocessing about five 2axis linkage num erical contro l m ach ine need to calculate the ro tary angle and change the coo rdinates of the sp indle in five reference fram e ,the po st p rocessing is comp licated .A k ind of m ach ine that can w o rk bo th on the ho rizontal p lane and on the vertical p lane is introduced here ,after analyzing the relati on about its m ach ine coo rdinate system and the w o rkp iece coo rdinate system ,the paper p rovides the fo r m ula about coo rdinates conversi on and develop s the po st p rocessing p rogram ,and the p rogram result has m et the requirem ent of five 2axis linkage po st p rocessing .Key words :Po st p rocessing ;F ive 2axis linkage ;CN C

在数控自动程序编制语言的处理程序中,将前置处理中生成的刀位轨迹变换为数控机床的运动轨迹或处理数控机床的特殊功能的部分称为后置处理程序。后置处理是处理与机床及控制器直接相关的信息,一般的CAD CAM 软件经过计算都已经得到了刀具轨迹的全部信息,但为了适应数控机床的要求,还要进行后置处理,以得到特定数控机床用的N C 代码,然而,由于数控机床所采用的系统各不相同,其后置处理必须针对特定机床做出相应的处理[1]。在此处理过程中,就不可避免的要进行转角的计算和坐标的变换工作。

五轴联动的数控机床是由三个联动坐标X 、Y 、Z 和绕X 、Y 、Z 轴旋转的A 、B 、C 中任意两个旋转坐标构成的。转动坐标A 、B 、C 的运动可由工作台的旋转实现,也可以由刀具摆动来实现[2]。下面以有立卧两种状态的DM U 系列60P 机床为例,介绍工作台旋转实现的五坐标联动数控机床的后置处理方法。

图1　机床坐标系

1　机床特性

DM U 60P 数控机床坐标

系中,包括X 、Y 、Z 三个移动

坐标和分别绕X 轴、Z 轴旋转的两个转动坐标A 、C ,如图1所示。其中立式加工时主轴方向与Z 轴方向一致,卧式加工时主轴方向则与Y 轴方向一致,A 的转动范围为:-30°～45°

(一般机床Α≤A ≤Β,其中-90°<Α≤0°,0°≤Β<90°也适用),C 可自由转动。

2　后置处理计算

后置处理的主要功能是将刀具在工件坐标系中运动时的轨迹数据转化为机床坐标系中的值[3],假设工件坐标系O W X Y Z 在加工开始前(A =0,C =0)与机床运动坐标系O R X Y Z 平行,工件坐标原点与机床旋转中心之间的坐标差值为(x d ,y d ,z d ),刀心C 0在工件坐标系中的位置为(x ,y ,

第22卷2003年　增刊7月机械科学与技术

M ECHAN I CAL SC IEN CE AND T ECHNOLO GY

V o l .22July Supp lem ent

2003

z ),刀轴矢量n (单位矢量)在工件坐标系中为(n x ,n y ,n z ),

求机床的运动坐标值X 、Y 、Z 、A 和C 。2.1　转角的计算

立轴加工时,因机床的主轴方向与Z 轴方向一致,所以,问题的解决方法就是要将刀轴矢量通过旋转变换后转到与Z 轴方向一致,同时确定变换后的刀位点位置。

又由于X 、Y 、Z 向的运动不影响刀轴矢量,为了便于分析,将刀轴矢量n 的起点移至工件坐标系的原点,然后设法将刀轴矢量绕X 、Z 轴旋转到与Z 轴方向一致,因为A 的取值范围不对称,考虑两种情况:

图2　转角的计算

(1)当 A ≤30°时,要将刀轴矢量旋转到与Z 轴方向一致,有两种途

径,以第一象限为例,如图2所示。

第一种途径是将刀轴矢量逆时针绕Z 轴旋转C 角到(+Y )(+Z )平面,然后再逆时针绕X 轴旋转A 角到与Z 轴方向一致,第二种途径是将刀轴矢量顺时针绕Z 轴旋转C ′到(-Y )(+Z )平面,然后再顺时针绕X 轴旋转A ′到与Z 轴方向一致,经研究发现,DM U 系列机床是取效率高的那种(大多数机床都是这样),即 C 最小的途径,因此当 A ≤30°时,首先将刀轴矢量在效率最高的情况下旋转C 角到(+Y )(+Z )或(-Y )(+Z )平面,然后再绕X 轴旋转A 角到与Z 轴方向一致。

(2)当30°

时,却只有一种途径可以将刀轴矢量旋转到与Z 轴方向一致,即先顺时针绕Z 轴旋转C 角到(-Y )(+Z )平面,然后再顺时针绕X 轴旋转A 角到与Z 轴方向一致。通过以上分析我们很容易求得A 、C 值:

a =arctan

n 2x +n 2

y

n z

(n z ≠0)a =90° (n z =0)c =arctan

n x

n y

(n y ≠0)

c =0° (n y =0,n x =0)c =90° (n y =0,n x ≠0)

当 a ≤30°时:

C =-c ,A =-a (n x ≥0,n y ≥0)C =c ,A =-a (n x ≤0,n y ≤0)C =-c ,A =a (n x ≤0,n y ≤0)C =c ,A =a (n x ≥0,n y ≤0)当30°< a <45°

时:C =180°-c ,A =a (n x ≥0,n y ≥0)C =c -180°,A =a (n x ≤0,n y ≥0)C =-c ,A =a (n x ≤0,n y ≤0)C =c ,A =a (n x ≥0,n y ≤0)

当45°< a 或 a <0°

时:此时不能用立轴加工,提示错误。2.2　坐标值的计算

刀心C 0经工作台转动后在机床坐标系O R X Y Z 中的位置为:

(1)将工件坐标系O W X Y Z 平移到机床坐标系O R X Y Z ,变换矩阵为

T 1=

1

0000100

0010x d

y d

z d

1

(2)工件绕Z 轴旋转-C 角,变换矩阵为

T 2=

co s C -sin C 00sin C co s C 00

00100001

(3)工件绕X 轴旋转-A 角,变换矩阵为

T 3=

10000co s A -sin A 0

0sin A co s A 00001

可得[4]

(X ,Y ,Z ,1)=(x ,y ,z ,1)T 1T 2T 3

图3　卧轴加工时的工件坐标

2.3　卧轴计算

卧轴状态时,机床坐标系不变,而工件坐标系通常设置成如图3所示。

与立轴计算相似,将刀

轴矢量旋转到与Z 轴方向一致,得到转角A 、C 如下:

a =90°-arctan

n 2x +n 2

z

n y

(n y ≠0)a =0° (n y =0)

c =arctan

n x

n z

(n z ≠0)

c =90° (n z =0)

当 a ≤30°时

C =c ,A =a (n x ≥0,n z ≥0)C =-c ,A =a (n x ≤0,n z ≥0)C =c ,A =-a (n x ≤0,n z ≤0)C =-c ,A =-a (n x ≥0,n z ≤0)当30°

时C =c ,A =a (n x ≥0,n z ≥0)C =-c ,A =a (n x ≤0,n z ≥0)C =c -180°,A =a (n x ≤0,n z ≤0)C =180°-c ,A =a (n x ≥0,n z ≤0)

671机械科学与技术第22卷

当45°< a 时

此时不能用卧轴加工,提示错误。

可得坐标值为

(X,Y,Z,1)=(-x,y,z,1)T1T2T3 2　程序的设计与实现

根据解释执行的原则,后置处理程序采用面向对象的方法开发,表1描述了主要对象类所实现的操作。

表1　主要对象类及其功能

类　名功 能

CCm dGo to直线插补计算

CCm dC ircle圆弧插补计算

CCm dFedrat给进速度计算

CCm dEndO fPath子程序段结束标识符

具体流程为:读出刀位文件中一条完整的记录(行),根据命令字分析该记录的类型,并产生对应的类对象,然后将产生的类对象依次存入CO bL ist对象中,直到刀位文件结束,在解释执行的过程中,再将类对象从CO bL ist对象中依次取出,并根据类对象类型确定是进行坐标变换还是进行文件代码的替换,输入机床旋转中心坐标和工件原点坐标,运用上述算法,根据加工指令、加工参数将刀位文件进行转换,生成一个完整的数控程序段,并写到数控程序文件中去。

程序的转换结果经加工试验证明完全正确。

3　结束语

现代工业中,复杂零件和自由曲面的加工,都广泛的在使用五轴联动数控机床,由于五轴加工的复杂性,而且对于不同的类型的数控机床,其后置处理的算法又有些差异,因此研究新的机床运动形式和相应的后置处理方法是数控编程的重要内容。笔者通过对DM U60P机床的后置处理分析,基本上解决了五轴联动数控机床后置处理的一般问题,具有一定的参考价值。

[参考文献]

[1]　马誉贤.通用后置处理软件的开发[J].CAM与数控加工,

2001,(6):33～34

[2]　任军学,刘维伟,汪文虎等.五坐标数控机床后置处理算法

[J].航空计算技术,2000,30(1):40～43

[3]　刘日良,张承瑞等.5轴数控机床坐标系统的一个特例及其

后置处理方法[J].机械设计与制造工程,2002,(31)3:61～62

[4]　刘雄伟等.数控加工理论与编程技术[M].北京:机械工业

出版社

,1994(上接第174页)

根据表1不难看出,在相同的位移加载条件下,随着加载频率的增加,阻尼滞后角和阻尼损耗因子随之升高,通过比较发现,理论曲线与实测曲线拟合的非常好(见图4)。

图4　10H Z时的迟滞回线理论值与实测值

4　结论分析

(1)当变形幅值保性持不变时,载荷频率对金属橡胶材料的弹性、阻尼特性有一定影响。原因在于提高载荷频率,将引起金属丝接触面之间的磨损速率增大,使线匝之间的接触特性随频率发生变化[1,5],这点与橡胶等普通粘弹性材料相似。

(2)由于金属橡胶是金属丝组成的弹性多孔状材料,其力学性能与温度具有小相关性,即温度对其阻尼的稳定性没有太大影响[1]。而普通橡胶是一种高分子材料,温度对其阻尼性能有很大影响,只有在一定温度区它才能有稳定的阻尼性能[4]。这方面,金属橡胶明显优于普通橡胶材料。

(3)由于此种减振器构型的特殊性,使得它在变形过程中,各个部分参与变形的程度要明显大于一般的实心圆柱构件,能有效地提高材料的阻尼耗能,易制成减振效果优异的大阻尼减振器[3]。

[参考文献]

[1]　契戈达耶夫(俄)等.李中郢等译.金属橡胶构件的设计

[M].北京:国防工业出版社,2000

[2]　邓剑波.新型结构阻尼材料金属橡胶性能的理论与应用实验

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机械科学与技术,2000,19(6):977～980

[4]　戴德沛.阻尼技术的工程应用[M].北京:清华大学出版社,

1991

[5]　白鸿柏.滞迟振动系统及其工程应用[M].北京:科学出版

社,2002

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增　刊胡寅亮等:五轴联动数控机床的后置处理方法