一种新型五轴联动数控系统的研究

摘要：在目前的五轴数控加工中，编程人员需针对不同类型的五轴数控机床编制不同的加工程序．针对这一问题，本文研究
并设计一种新型五轴联动数控系统．详细描述了该五轴联动数控系统的结构，对其中的ＲＴＣＰ模块和基于四元数的空间运动
学变换模块进行了重点探讨，并对该数控系统进行了测试．实验结果表明该数控系统具备一个工作程序在不同结构的机床进行
口一（户ｌ－－Ｐｏ）／Ｉ户１－－Ｐｏ ｌ
（１１）
则Ｐ。Ｏ）上任意点到户（ｔ）的距离Ｌ（ｆ）为：
万方数据
ห้องสมุดไป่ตู้
２期
张晓辉等：一种新型五轴联动数控系统的研究
３７３
￡０）＝Ｉ加０）一［户ｏ＋（ｐ。（ｔ））－－ｐｏ·口］·口Ｉ
（１２）
当式（１２）的值大于ｅｍａ。的值时．对刀具增加一个直线位
移补偿五（｝），如图４所示．这样转轴中心独立于编程，只需要
小型微型计算机系统 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ
２００９年２月第２期
Ｖ０１．３０ ＮＯ．２ ２００９
一种新型五轴联动数控系统的研究
张晓辉１’２，于 东２，胡 毅ｈ２，李筱飘３’２
１（中国科学院研究生院．北京１０００３９） ２（中国科学院沈阳计算技术研究所，辽宁沈阳１１０００４） Ｘ中国科学技术大学计算机系，安徽合肥２３００２７） Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｘｉａｏｈｕｉ＠ｓｉｃｔ．ａｃ．ｃｎ
当五轴联动数控系统具备ＲＴＣＰ模块时，系统通过补偿 坐标旋转中心的偏移．来保持刀具中心始终处于同一个位置
ｐｗ（ｔ）
图３旋转刀具中心点误差
Ｆｉｇ．３ Ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｒｏｕｎｄ ｔｏｏｌ ｃｅｎｔｅｒ ｅｒｒｏｒ
根据最大偏移量ｅｍａ。的设置，新型数控系统用一个直线
位移来补偿由于刀轴旋转引起的偏移，使刀具中心始终在被 编程的位置上．设单位矢量Ｕｏ到单位矢量玑绕Ｘ轴和ｙ轴
Ｐ。（ｆ）偏离直线户（ｆ），设两者间的最大偏离量为‰。．
图２新型五轴联动数控系统结构
Ｆｉｇ．２ Ｎｅｗ ｆｉｖｅ—ａｘｉｓ ｌｉｎｋａｇｅ ｃｎｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
由于在该数控系统内实现了ＲＴＣＰ模块和空间运动学 变换模块，因此编写该数控系统的工件程序只需要考虑刀具 中心点轨迹．只需要配置该数控系统相关参数就可以使工件 程序代码在任何结构的五轴数控机床上进行加工．下面详细 讨论该数控系统ＲＴＣＰ模块和空间运动学变换模块．
１引言
五轴联动数控是数控技术中难度大、应用范围广的技术． 它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应 用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工．国际上把五轴联动 数控技术作为一个国家生产设备自动化水平的标志．由于其 特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以 及技术上的复杂性．因而，研究五轴联动数控系统有着重要的 意义．
Ｕｘ。。毋。，Ｕｚ，）的运动过程是由平移轴的线性插补和旋转轴
的单位空间球面插补来完成的，其各轴运动为：
Ｘ０）＝Ｘｏ＋ｆ·（Ｘ１一Ｘｏ）
（１）
Ｙ０）＝Ｙｏ＋ｔ·（ｈ—Ｙｏ）
（２）
Ｚ（ｆ）＝Ｚｏ＋ｆ·（Ｚｌ—Ｚｏ）
（３）
仉仉（ｆ０）一）—一Ｕｚ——ｏｓ—ｉ—ｎ—（—０—（—Ｉ——－—－ｔ５．ｌｎ·）口 ）ｒ＋＿—ＦＵ——ｚ，—ｓ—ｉ—ｎ一（一Ｏｒ）
分别旋转了以和以．
岫ｒｃｔａｎ㈡－－ａｒｃｔａｎ（ｕｙ－－－－堕。。）
（８）
悃ｒｃｔａｎ㈡－－ａｒｃｔａｎ（ｕ＝．。）
（９）
ｌ
ｏ
ｏ
ｏ
㈨盯＝Ｅ＝篓ｏ｛．
Ｌｏ ｏ
ｏ ｌｊ
［－ｃｏｓＯ，０－－ｓｉｎ０，０１
ｆ ｅｏｓＯｙ牡∽仃㈣， ０。１ｏ
Ｌ１。‘’工Ｊ ｏ
～工ｕ，
０ｓｉｎｏｙ
Ｌｏ ｏ
ｏ
１Ｊ
记编程直线争（ｆ）的方向矢量为：
（４）
ｕ，０）：Ｕ—，—ｏｓ—ｉｎ—（—Ｏ（—１—－－＿ｔｓ）ｌ＿ｎ）广ｆｆ＋—Ｕ—，ｌ—ｓｉ—ｎ（一Ｏｔ）
（５）
ｕ。（ｔ）２。———ｉ万—。一 仉．ｓｉｎ（护（１－－ｔ））＋Ｕ“ｓｉｎ（融）
（６）
０＝ａｒｃｃｏｓ（（ｕ，ｏ，Ｕｏ，Ｕ．ｏ）·（玑ｌ，以ｌ，玑１））
（７）
如图３所示，当机床各轴运动时，由于刀轴的旋转，实际运动
上．在这种情况下，只需对刀具中心点的轨迹进行编程，而转
轴中心在执行程序前由显示终端输入，与程序无关．通过计算
机编程或通过ＰＩ，Ｐ选件被记录的三坐标程序，可以通过
ＲＴＣＰ模块，以五坐标方式被执行．
４．２ ＲＴＣＰ模块的实现
如图３所示，设（户。，“ｏ）和（户ｔ，”，）为两相邻的刀位数据，
不妨设刀具从位置（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ，Ｕｘｏ，Ｕｙｏ，Ｕｚｏ）到（Ｘｌ，Ｙ１，Ｚ１，
３新型五轴联动数控系统结构
新型五轴联动数控系统结构“］如图２所示．本数控系统 主要有五大功能模块组成：坐标转换模块、ＲＴＣＰ模块、轨迹 规划模块、空间运动学变换模块和控制器模块．
坐标转化模块用来把标准Ｇ代码表示的刀具空问位置 转换成用刀具中心点和刀轴矢量表示的空间位置．ＲＴＣＰ模 块读入刀具中心点和刀轴矢量计算由旋转轴的转动而引起的 偏移，进行偏移补偿．轨迹规划模块用来对进给速度进行控 制，避免在加工过程中产生冲击、失步、超程或振荡．空间运动 学变换模块把用刀具中心点和刀轴矢量表示的刀具空问位置 转化成适合机床结构的空间位置．控制器模块用于机械传动 装置的控制，它通过对机械传动装置中电机的位置、速度进行 实时的控制管理，使运动部件按照规定的轨迹和运动参数完 成相应的动作．
４新型五轴联动数控系统ＲＴＣＰ模块
４．１ ＲＴＣＰ模块的功能 在不具备ＲＴＣＰ模块的五轴联动数控系统中编写五轴
复杂曲面加工程序，必须知道机床刀具中心与旋转主轴头中 心的距离，这个距离称为转轴中心（ｐｉｖｏｔ）．根据转轴中心和 坐标转动值计算出刀具中心点的直线补偿，来保证刀具中心 处于所期望的位置．运行一个这样编出的程序必须要求机床 转轴中心长度正好等于在书写程序时所考虑的数值，并且在 刀具长度进行变化时，必须重新编写加工程序．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｉｖｅ—ａｘｉｓ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，ｐｒｏｇｒａｍｍｅｒ ｐｒｏｇｒａｍｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｆｉｖｅ－ ａｘｉｓ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ．Ｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔＯ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｓ ａ ｎｅｗ ｆｉｖｅ－ａｘｉｓ ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｆｉｖｅ—ａｘｉｓ ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ。ｔｈｅ ＲＴＣＰ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ ａｎｄ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｐｒｏｃｅ— ｄｕｒｅ ｍａｃｈｉｎｅｄ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｆｉｖｅ－ａｘｉｓ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｖｅ—ａｘｉｓ ｌｉｎｋａｇｅ ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ；ＲＴＣＰ；ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎ；ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ
２问题的提出
如图１所示，在目前加工过程中，数控系统只能被动地充
当加工信息的接收者和加工状态的提供者，工件代码在不同 结构的机床上不可移植．主要有以下两个原因：
１．在编写五轴工件程序过程中。需要计算刀具中心点轨 迹、刀具中心点与旋转主轴中心点的距离、旋转角度，来进行
一一一一一 图１五轴联动数控加工过程
加工的功能．
关键词：五轴联动数控系统；ＲＴＣＰ；四元数；空间运动学变换
中图分类号：ＴＰ３９１
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—１２２０（２００９）０２—０３７１—０５
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｎｅｗ Ｆｉｖｅ—ａｘｉｓ Ｌｉｎｋａｇｅ ＣＮＣ Ｓｙｓｔｅｍｓ
ＺＨＡＮＧ ｘｉａｏ—ｈｕｉ‘～。ＹＵ Ｄｏｎ９２，ＨＵ Ｙｉｌ一，ＬＩ Ｘｉａｏ．ｆａｎ３·ｏ １（Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓ妇ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ） ２（Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｎ拍ｎｏｌｏｇｙ．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０００４·Ｃｈｉｎａ） ３（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｏｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆＣｈｉｎａ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈｅ，ｅｉ ２３００２７，Ｃｈｉｎａ）
构成，各坐标轴的运动方向均以刀具相对于工件的运动方向 定义如图５所示．
＋ｚ
。移 ＋ｃ＼
＋Ｂ’
厂、
＋Ｙ’
、７ ＋Ｙ
、影
＋Ｂ
，●ｒ’’
图５五轴数控机床的结构 Ｆｉｇ．５ Ｆｉｖｅ—ａｘｉｓ ｃｎｃ ｍａｃｈｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
五轴数控机床种类繁多，根据实现运动的形式，可分为三 大类：第一类是两个回转工作台实现转动；第二类是主轴在两 个方向摆动实现转动；第三类是回转工作台和主轴摆动组和 实现转动．
Ｆｉｇ．１ Ｆｉｖｅ—ａｘｉｓ ｌｉｎｋａｇｅ ｃｎｃ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ 偏移补偿，以保证实际加工中刀具中心点处于期望位置．因此 运行程序时必须要求机床的转轴中心长度正好等于在书写工 件程序时所考虑的数值．任何修改都要求重新书写工件程序．
收稿日期：２００７—０９—０３收修改穑日期；２００７—１２—１２基金项目：国家科技支撑计划课题项目（２００７ＢＡＰ２０８０１）资助． 作者简介：张晓辉， 男。１９８２年生，博士研究生，主要研究方向为数控系统，运动规划等；于东，男，１９６６年生，博士。研究员．博士生导师。主要研究方向为数控技 术，面向控制器的计算机系统等；胡毅，男，１９８２年生，博士研究生，主要研究方向为现场总线，实时组件技术，开放式数控系统等；李筱飘，女． １９８４年生，硕士研究生，主要研究方向为数控技术。实时操作系统等．