5轴数控机床坐标系统的一个特例及其后置处理方法_刘日良
五坐标数控铣后置处理技术
数控铣床后置处理技术一、引言我们知道，数控机床的控制系统不同，机床结构形式和运动方式也存在差异，所使用的NC程序格式也是不一样，因此，数控操作中的刀具轨迹必需经过处理转换成特定机床控制器能够接受的特定格式的NC程序，这样的处理过程就是后置处理。
正是由于机床运动方式的不同，特别是五坐标摆角结构的不同，保证刀位文件通过后置处理生成NC程序与编程人员在CAD/CAM软件数控操作设计的符合性，便成为后置处理的关键内容。
二、现状目前，常用的后置处理方法主要有以下两种：利用CAD/CAM软件的通用后置处理模块，定义数控机床的运动方式，通过选取CAD/CAM 软件提供的机床标准控制系统，定义某一类型或某台数控机床的后置处理，如CATIA的PPBUILD模块，UG的UGPOST模块；利用C/C++等计算机语言，按数控机床的运动方式和控制系统的编程规范，归纳出计算空间点坐标的数学公式，通过编制专用的后置处理程序并生成可执行文件，定义数控机床的后置处理。
第①种方法，其特点是操作简单，对后置处理模块定义人员的数控专业技能要求不高，缺点是灵活性较低，满足对程序格式有特殊要求的能力低。
第②种方法，其特点是，能够满足机床对程序格式的各种特殊要求，针对性强，能够完全保证数控操作设计与NC程序的符合性，缺点是需编写后置处理的计算机程序，第一次开发工作量大，需软件开发人员和数控编程人员共同完成。
三、解决方案由于加工航空结构件使用的数控机床结构多，控制系统多，前置类型多。
开发通用后置平台是解决这种情况的最好办法。
通用后置平台需要满足以下几点要求：可以识别多种CAD/CAM软件产生的前置程序（如UG，CATIA）。
对于不同结构的机床和控制系统，能够输出该机床能够识别的NC代码。
对一些特殊机床，可以满足其对程序运算、程序格式、辅助信息的要求。
可扩展性，用户可以根据自己的需求，定义实现新机床的处理输出。
可升级性，可根据实际需求，不断扩展完善核心处理模块，现在国内后置处理程序（尤其是多轴机床）的开发还仅仅处于初始阶段，国内后置处理程序开发方面还很落后。
五轴数控加工3D刀具补偿及其后置处理方法
五轴数控加工3D刀具补偿及其后置处理方法
五轴数控加工是一种高精度、高效率的加工方式，广泛应用于航空航天、汽车制造、模具制造等领域。
在五轴数控加工中，刀具路径的生成是非常关键的一步，而刀具路径的生成又离不开刀具补偿和后置处理。
本文将介绍五轴数控加工3D刀具补偿及其后置处理方法。
1. 五轴数控加工中的刀具补偿
在五轴数控加工中，由于刀具的形状和轴向的转动，刀具的实际切削轨迹与数控程序中指定的切削轨迹存在一定的偏差。
为了获得精确的加工结果，需要对刀具进行补偿。
常见的刀具补偿方式有NURBS曲线、点刀具轨迹法和法向刀具轨迹法。
NURBS曲线是一种数学曲线，可以用来描述任意形状的刀具。
点刀具轨迹法是在数控程序中加入一组补偿点，通过插补算法生成实际刀具轨迹。
而法向刀具轨迹法是通过计算刀具法向量的变化来进行刀具补偿。
常见的后置处理方法有线段切削点投影方法和圆与球表面切削点投影方法。
线段切削点投影方法是将所有切削路径的线段与工件表面求交，求得切削点坐标。
圆与球表面切削点投影方法是将切削路径的线段与工件表面求交，然后利用球心坐标和球面半径来求得切削点坐标。
五轴数控加工中的刀具补偿和后置处理是确保加工精度的重要环节。
通过合理选择刀具补偿方法和后置处理方法，可以使数控机床更好地理解刀具轨迹，从而获得更高的加工精度和效率。
五坐标数控机床的后置处理方法探讨
五坐标数控机床的后置处理方法探讨摘要：本文介绍了后置处理系统的工作流程和APT文件含义，并以五坐标工作台双转动机床为例，分析了五坐标数控机床坐标变换原理，得出了如何将SurfCAM生成的APT文件中的前置刀位数据转换成机床刀具的运动数据，再将其转换为数控机床能直接识别的NC文件的实现方法。
关键词：后置处理刀位APT文件五坐标数控机床SurfCAMPost processing motheds research of five coordinate CN machineQian LidanLi LiHu JianpingAbstract:The text introduces the workflow of post processing system and the meaning of APT file,and example for five coordinate table double rotation machine.analyses the coordinate transformation s principle of five coordinate CN machine.finds out how change SurfCAM tool position datas of APT file into tool s moving datas,then changes it into identifiable NC file.Keywords:Post processing Tool positionAPT file Five coordinate CN machineSurfCAM【中图分类号】G712【文献标识码】C【文章编号】1009-9646(2009)03-0130-02 后置处理系统一般由数控机床的制造商或CAD/CAM系统开发商提供，包括若干个面向特定型号数控系统的后置处理程序。
五轴数控机床的后置处理算法与软件实现
五轴数控机床的后置处理算法与软件实现该文以一种主轴复合摆动的五轴数控机床为对象，在分析了坐标系统之后，给出了联动时刀位轨迹的后置处理算法。
文中采用面向对象编程技术得到了五轴后置处理系统。
一、引言床的各种运动都是执行特定数控指令的结果，完成一次加工过程需要连续执行一连串的数控指令，即数控程序。
在CAM，计算机辅助制造过程中，将CAD设计的模型，通过CAM软件模块计算产生刀位轨迹的整个过程称为前置处理。
在前置处理中，按照相对运动原理，将刀位轨迹计算统一在工件坐标系中进行，而不考虑具体机床结构及指令格式，从而简化系统软件。
即在CAM软件系统中进行刀位轨迹编程时，总假定工件是固定不动的，所以刀位文件（CLF）中给出的是在工件坐标系中刀具的位置数据，包括刀心点和刀轴矢量。
前置处理产生的是刀位文件（Cutter Location File），而不是数控程序。
因此，要获得数控机床加工程序，还需要将前置计算所得的刀位轨迹数据转换成具体机床的程序代码，该过程称为后置处理（Post-Processing）。
数控机床是加工复杂零件的现代化设备，多样化的结构是其发展的必然趋势。
由于五轴数控加工的复杂性，后置处理程序是必不可少的。
对于不同类型运动关系的数控机床，其后置处理又是不同的，因此有必要针对不同结构的机床建立其有效的后置处理程序。
本文作者以德马吉（DMG）DMU200P数控加工中心为对象，分析了它的机床结构和后置处理方法，并采用面向对象编程方法实现了其后置处理程序。
二、机床的坐标系统ISO的规定，数控机床采用右手直角坐标系，其中平行于主轴的坐标轴定义为z轴，绕x、y、z轴的旋转坐标分别为A、B、C。
上述各坐标轴的运动可由工作台，也可以由刀具的运动来实现，但方向均以刀具相对于工件的运动方向来定义。
通常五轴联动是指x、y、z、A、B、C中任意5个坐标的线性插补运动。
图1 DMU200P机床运动坐标系如图1所示的是DMU200P机床的运动坐标系。
五轴机床旋转轴偏置的后置处理算法研究
(6)
由上图可知 ， 用传统的没有偏置补偿的后处 理算法得到的NC代码，在具有旋转轴偏置的数控 机床上加工时 ， 会产生较多的过切和残留 ， 而用 引入偏置补偿后的算法计算得到的NC代码进行加 工时 ， 能得到正确的加工模型 。 由上述仿真结果 可知，文中所推导的后置处理算法是正确的。 2.2 加工实例验证 本实验所采用的数控设备是带 GSK218 数控 系统的A-C转台型五轴数控机床，实验加工零 件为 3.1 节中仿真实验所用的叶轮模型 ， 毛坯为 ф 80 × 60 的圆柱 。 装夹毛坯后 ， 经测量 ， 机床 A 轴旋转中心到工件坐标系的偏置为(0,0,-59.793)， 机床 C 轴旋转中心与工件坐标系重合 ， 即偏置为 (0,0,0) ， 在开发的后置处理器界面中设定该偏置 值，如图6所示。将刀轨文件用此配置的后置处理 得到NC加工代码，将此NC代码传入数控机床中， 加工得到的叶轮如图7所示。经测量，加工结果的 尺寸精度 、 表面的粗糙度均满足设计要求 。 由此 可知，本文公式推导模型是正确的。
j C 90 arctan i j C 270 arctan i C 270 arctan j i C 90 arctan j i
( (
i0 ) j0
i0 ) j0 i0 ( ) j0 ( i0 ) j0
(4)
(a) 偏置补偿前的切削效果
(b) 偏置补偿前的切削效果
(5)
图5 切削效果对比图
X ' (cx cx cos C c y sin C ) ' Y (c y cx sin C c y cos C ) cos A (a y a y cos A az sin A) ' Z (c y cx sin C c y cos C ) sin A (az a y sin A az cos A)
五轴数控铣削加工后置处理及其加工编程
0引言在五轴数控铣削加工过程中，CAM 系统产生的刀位数据是没有包括数控系统以及机床相关信息的，后置处理是一种特定的数控加工程序，它的应用能够对刀位数据进行转换，使其能够对五轴数控机床的具体运动加以精准控制。
在零部件的加工质量和加工效率方面，后置处理水平的高低具有直接的决定作用。
与此同时，后置处理水平也影响着五轴数控机床在运行过程中的可靠稳定性。
后置处理过程主要需要对机床的运动数据进行装换，校验非线性运动的误差性，校验刀具的进给速度，以及生成数控加工的程序。
1五轴数控机床概述五轴数控机床是指机床具有五个能够互相联动的运动轴，其中转动轴有两个，平动轴有三个。
如图1所示，XYZ 三个轴是平动轴，ABC 三个轴中绕XYZ 轴进行旋转的任两个轴就是旋转轴，通过右手螺旋法则进行旋转轴正方向和的确定。
五轴数控机床与其他数控加工技术相比，其适用范围非常广泛，而且在具有较高复杂性的曲面型零件的加工过程中，具有非常优异的表现，能够保证零件的加工质量和加工效率。
这是因为五轴数控机床中的回转控制轴有两个，在进行切削的时候，工件和刀具之间的相对位置能够实现最大程度的变化，从而使刀具切削过程中不发生干涉现象实现最理想的切削质量。
根据运动轴配置型式的不同，五轴数控机床分为摆头转台型、双转台型以及双摆头型三种[1]。
摆头转台型的五轴数控机床是基于三轴机床的现有功能，再加上具有更多功能的主轴头实现的，图7滑阀组件的位移曲线五轴数控铣削加工后置处理及其加工编程丘宏岳;唐晓鑫（华南理工大学广州学院机械工程学院，广州510800）摘要:在数控技术中，与三轴加工相比，五轴数控技术的应用在复杂曲面加工过程中具有很高的优势，高性能的五轴数控铣削加工关系到包括导弹、飞机等武器关键零部件的制造水平，因此当前众多国家都对五轴数控加工技术在进行不断地研究提高。
但是由于数控机床的运动复杂性和结构多样性，导致五轴数控加工过程中要实现预期的后置处理以及加工编程效果，会具有比较高的技术难度，对于数控机床的运行效率也产生了比较大的制约。
五轴加工中空间刀具半径补偿及后置处理的研究
收稿日期：２ ０ １ ３ － ０ ９ － ２ ６ 基金项目：柳州市机械及机电一体化产业关键技术攻关项 目：多功 能五 轴联动机床后置处理软件开发 （ ２ ０ １ １ Ｃ ０ ３ ０ １ ０ ７ ）
作 者简介：唐 清香 （ １ ９ ７ ２一），男 ， 四川绵竹人 ，副教授 ，硕士 ，主要从事数控 多轴加 工技 术的研 究工作 。
面 法 向 矢量 和 刀具 补 偿 方 向矢 量 的关 系 ，建 立 数 学模 型 ，计 算 补偿 矢量 。
目前 ， 国 内 对 空 间刀 具 补 偿 的 研 究 还 较 少 ， 例如在文献【 ２ 】 中主 要 分 析 了 空 间刀 具 补 偿 算 法 ，
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唐清春，刘 谦 ，马仲亮，张 健
Ｔ ＡＮＧ Ｑｉ ｎ ｇ — ｃ ｈ ｕ ｎ， Ｌ Ｉ Ｕ Ｑ Ｊ ａ ｎ ， ＭＡ Ｚｈ ｏ ｎ ｇ ． １ ｉ ａ ｎ ｇ， ＺＨＡＮＧ Ｊ ｉ ａｎ
（ 广西科技大学 工程训练 中心，柳州 ５ ４ ５ ０ ０ ６ ）
摘 要 ：本文主 要对五轴 加工中 空间刀具 半径 补偿进 行研究 。通过对空 间刀具 半径补偿 的原 理进 行分 析 ，结合Ｂ Ｖ １ Ｏ ０ 五 轴加 工中心的后置处理算法 ，得到 空间刀具半径补偿 向量 的计算方 法 ，并基
【 ２ ４ 】 第３ ６ 卷
也 由平 面 刀 补 转 向 空 间 刀 补 ， 由于 刀 具 在 空 间摆
轴矢 量 不 变 的情 况下 ，将 零 件 轮 廓上 的 切 触 点 坐 标 按 照 切 触 表 面 的法 向矢 量 进 行 偏 置 ， 对 偏 置 得
5轴数控机床坐标系统的一个特例及其后置处理方法_刘日良
5轴数控机床坐标系统的一个特例及其后置处理方法_刘日良5轴数控机床坐标系统的一个特例及其后置处理方法刘日良,张承瑞,宋现春,刘战强,艾兴(山东大学机械工程学院,山东济南250061)摘要:介绍了一个包含倾斜转动轴的5轴数控机床坐标系统及其在该转动轴与主轴成45°角情况下的运动特点。
通过对该系统中机床运动坐标系与工件坐标系关系的分析,给出了5轴联动时刀轨数据的后置处理方法,包括工作台转角的计算和主轴运动坐标计算。
关键词:CNC ;5轴联动;后处理中图分类号:TG 659;TP311 文献标识码:A 文章编号:1007-9483(2002)03-0061-02A Five -Axis CNC Machine Coordinate System and its Post Processing MethodL IU Ri -liang ,ZHAN G Cheng -rui ,SON G Xian -chun ,L IU Zhang -qiang ,AI Xing(Shandong University ,Shandong Ji ’nan ,250061,China )Abstract :The coordinate system of a 5-axis CNC machine ,which includes an oblique rotary axis ,as well as its characteristics provided the rotary axis is fixed at angle of 45°to the spindle ,is introduced in this paper.The corresponding post processing method of cutter location data including the rotary angle of the table and the motion coordinates of the spindle is presented after an 2alyzing relations between the workpiece coordinate system and the 5-axis machine coordinate system.K ey w ords :CNC ;5-axis Linkage ;Post Processing根据ISO 的规定,数控机床采用右手直角坐标系(如图1所示),其中平行于主轴的坐标轴定义为z 轴,绕x ,y ,z 轴的旋转坐标分别为A ,B ,C 。
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5轴数控机床坐标系统的一个特例及其后置处理方法刘日良,张承瑞,宋现春,刘战强,艾 兴(山东大学机械工程学院,山东济南 250061)摘要:介绍了一个包含倾斜转动轴的5轴数控机床坐标系统及其在该转动轴与主轴成45°角情况下的运动特点。
通过对该系统中机床运动坐标系与工件坐标系关系的分析,给出了5轴联动时刀轨数据的后置处理方法,包括工作台转角的计算和主轴运动坐标计算。
关键词:CNC ;5轴联动;后处理中图分类号:TG 659;TP311 文献标识码:A 文章编号:1007-9483(2002)03-0061-02A Five -Axis CNC Machine Coordinate System and its Post Processing MethodL IU Ri -liang ,ZHAN G Cheng -rui ,SON G Xian -chun ,L IU Zhang -qiang ,AI Xing(Shandong University ,Shandong Ji ’nan ,250061,China )Abstract :The coordinate system of a 5-axis CNC machine ,which includes an oblique rotary axis ,as well as its characteristics provided the rotary axis is fixed at angle of 45°to the spindle ,is introduced in this paper.The corresponding post processing method of cutter location data including the rotary angle of the table and the motion coordinates of the spindle is presented after an 2alyzing relations between the workpiece coordinate system and the 5-axis machine coordinate system.K ey w ords :CNC ;5-axis Linkage ;Post Processing 根据ISO 的规定,数控机床采用右手直角坐标系(如图1所示),其中平行于主轴的坐标轴定义为z 轴,绕x ,y ,z 轴的旋转坐标分别为A ,B ,C 。
通常所谓的5轴联动是指图1中x ,y ,z ,A ,B ,C 中任意5个坐标的线性插补运动[1]。
上述各坐标轴的运动可由工作台也可以由刀具的运动来实现,但方向均以刀具相对于工件的运动方向定义。
为了避图1一般数控机床的坐标系免复杂的坐标转换,在机床的设计中一般使实际运动轴与图1中各轴平行,但随着CNC 技术的发展以及机床设计的实际需要,运动轴的方式呈现出多样化趋势[2,3]。
笔者将介绍的机床坐标系就是出于设计的需要在图1所示坐标系基础上稍作改动后得到的,其效果已经德国DM G 公司的DM70V 数控加工中心证明,同时笔者还将给出其5轴联动加工时的后置处理方法。
1 机床的运动坐标在图2(a )所示机床坐标系中,包括图1中的3个移动坐标轴x ,y ,z 和一个转动轴C (工作台绕z 轴旋转),另外工作台可以绕倾斜于z 轴的轴线(下文中称之为Φ轴,转角也用Φ表示)转动,交点O ′到工作台上表面的距离H 为机床的一个重要参数。
注意图中的C 和Φ的方向都为刀具相对于工件运动的方向,故与工作台(工件)的实际运动方向相反。
为了简化问题,假设Φ轴在y O z 平面内,并且与z轴的夹角β=45°。
这样,当Φ=180°时,工作台面刚好处于铅垂位置且平行于xOz 平面(如图2(b )所示),按照一般的设计需要,工作台绕z 轴的转动可为任意角度,绕Φ轴的转动在0°～180°范围内。
图2 转动轴倾斜的机床运动坐标系2 刀具轨迹数据的后置处理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[1]。
假设工件坐标系O w x w y w z w 在加工开始前(C =0,Φ=0)与机床坐标系Oxyz 平行,对应于工件上任意点的刀心位置在工件坐标系中的坐标为(x w ,y w ,z w ),刀轴矢量(工件坐标系中的单位矢量)为n 。
下面介绍加工该点时机床的运动坐标x ,y ,z ,C ,Φ的计算方法。
211 转角的计算由于x ,y ,z 向的运动不影响刀轴矢量,为了便于分析,将刀轴矢量平移至机床坐标系的O 点,并平移Φ轴使收稿日期:2002-03-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(59975055)作者简介:刘日良(1968-),男,山东安丘人,山东大学讲师,在读博士研究生,主要研究领域为CAD/CAM/CNC 。
16・先进制造技术・ 刘日良 张承瑞 宋现春等 5轴数控机床坐标系统的一个特例及其后置处理方法之过O 点,如图3所示。
设工件坐标系中的单位矢量n 0=ON 0=k ,那么当工作台绕Φ轴旋转角度φ(0°≤φ=-Φ≤180°)时,n 0端点的运动轨迹为半圆弧;当工作台再绕z 轴逆时针回转(-C )时,则形成一个水平的圆弧。
所以对于任意给定的刀轴矢量n =a x i +a y j +a z k (其中a z ≥0),只要先使其端点N 绕z 轴顺时针方向旋转角度C 至图中的M 点,然后再绕Φ轴转动角度Φ至N 0点,便能保证刀轴矢量与z 轴重合。
图3 转动角度的计算根据图3中所示的几何关系,显然有OM =O G +GM =12(-j +k )+22[22cos φ(j +k )+sin φi ](1)OM =O E +EM =a z k +a 2x +a 2y (cos C ′i +sin C ′j )(2)由式(1)、式(2)可得cos φ=2a z -1(3)sin C ′=1-a z a 2x +a 2y(4)同时根据图3还可以得到cos C ″=a x a 2x +a 2y(5)所以,机床的运动坐标为Φ=arccos (2a z -1)(6)C =arcsin (1-a z a 2x +a 2y)+arccos (a x a 2x +a 2y ) (a y ≥0)arcsin (1-a z a 2x +a 2y)-arccos (a x a 2x +a 2y) (a y <0)(7)212 直角坐标计算假设在加工前,图4所示工件坐标系O w x w y w z w 的原点O w 在机床坐标系Oxyz 中的坐标为(x 0,y 0,z 0),经过Φ轴和C 轴的旋转后,O w x w y w z w 随同工作台运动至O ′w x ′w y ′w z ′w 。
那么对应于任意加工点的刀心位置Pw (x w ,y w ,z w )也应随着工件坐标系运动到P ′w 。
所以P ′w在Oxyz 中的位置即机床在加工该点时的运动坐标。
他可以通过以下方法求得:(1)将O w 平移至O ′;(2)P w 绕C 轴旋转;(3)绕Φ轴旋转;(4)将坐标系从O ′平移至O 。
假设上述步骤对应的坐标变换矩阵分别为M 1,M 2,M 3,M 4,那么图4 直角运动坐标的计算机床的运动坐标x ,y ,z 可通过式(8)求得[x y z 1]T=M 4M 3M 2M 1[x w y w z w 1]T(8)其中M 1=10x 0010y 0001z 0-H0001,M 2=cos C-sin C00sin C cos C 0000100000,M 3=100cos 45°-sin 45°00sin 45°cos 45°00001・cos Φ-sin Φ00sin Φ-cos Φ0000100110000cos 45°sin 45°00-sin 45°cos 45°00001,M 4=10000100001H01。
3 结束语5轴数控机床是加工复杂零件的现代化设备,多样化是其发展的必然。
由于5轴数控加工的复杂性,后置处理程序是必不可少的。
对于不同类型运动关系的数控机床,其后置处理又是不同的。
因此研究新的机床运动形式和相应的后置处理方法对数控机床的发展具有重要的作用。
笔者介绍的5轴数控机床坐标系统没有遵循坐标轴正交的传统,虽然后置处理较为复杂,但却为数控机床的设计带来了更大的灵活性,具有一定的参考价值。
参考文献:[1] 刘雄伟,张定华,王增强,等1数控加工理论与编程技术[M ]1北京:机械工业出版社,20001[2] Byoung K Choi.Sculptured Surface Machining -Theory and Ap 2plications[M ].Dordrecht :K luwer Academic Publishers ,19981[3] 宋 明,张雪王勺,倪立明,等1五坐标数控机床后处理程序编制[J ]1机械工艺师,2001(3):12-131262002年5月 机械设计与制造工程 第31卷 第3期。