经济型五轴数控机床后置处理系统研究与应用.pdf

工艺与检测 T e c h n 0 Io g y a n d T e s t 经济型五轴数控机床后置处理系统研究与应用 孙 杰 金 珊 辽 宁石油化工大学机械工程学院， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 摘要 在双转台五轴数控机床结构的基础上， 通过分析机床结构坐标系和 C A M 加工坐标系的关 系， 建立 其机床加工刀头运动轨迹的数学模型， 推导出该类型机床的后置处理转角计算公式和坐标转换计算 公式。根据推导结果， 在 UG ／ P o s t B u i l d e r 通用后置处理器的基础上， 针对不同类型五轴联动数控机 床选配特定数控 系统 ， 设定机床参数、 程序和刀轨参数、 N C代码格式设置。 编制了双转 台式五轴数 控机床 的专用后置处理程序 ， 经实际加工验证可 以满足经济型五轴联动后置处理的要求。 关键词 C A D／ C A M后置处理坐标转换数控编程 中图分类号 T H1 6； T P 3 9 1 文献标识码 A S t u d y a n d a p p l i c a t i o n o n p o s t p r o c e s s i n g s y s t e m f o r e c o n o mi c a l f i v e- a x i s CNC ma c h i n e S UN J i e。J I N S h a n L i a o n i n g U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m C h e mi c a l T e c h n o l o g y， F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， C HN Ab s t r a c t Bu i l d a ma t he ma t i c a l mo d e l o f t h e ma c h i n e S t o o l p a t h i n t h e ma c hi ni n g，e x p o rt t h i s k i n d o f ma c h i n e S p o s t p r o c e s s i n g c o m e r a l g o r i t h m a n d t h e c a l c u l a t i o n f o r mu l a f o r c o o r d i n a t e t r a n s l a t i n g b a s e d o n t h e s t r u c t u r e o f f i v e -a x i s CNC ma c h i ne wi t h d u a l r o t a r y t a b l e s ，a nd a na l y s e t h e r e l a t i o n s h i p be t we e n ma c h i n e C O o r d i n a t e s y s t e m a n d CAM p r o c e s s i n g c o o r d i n a t e s y s t e m． Ac c o r di ng t o t h e r e s u l t ，b a s e d o n UG／Po s t Bui l d e r S c o mmo n l y us e d p o s t pr o c e s s o r ，c h o o s e s p e c i fic CNC s y s t e m ，s e t ma c hi n e t o o l S pa r a me t e r s ， p r o g r a m a nd t h e pa r a me t e r o f To o l pa t h i n a l l u s i o n t o d i f f e r e n t fiv e a x i s l i n k a g e CNC Ma c h i n e．S o t h e s p e c i a l p o s t p r o c e s s o r a r e c o mp i l e d for fiv ea x i s CNC ma c h i n e wi t h d ua l r o t a r y t a b l e s ． By pr a c t i c a l p r o c e s s e x p e r i e n c e v a l i d a t e t h e po s t pr o c e s s i n g c a n me e t t h e r e q u i r e me n t o f e c o n o mi c a l fiv e a x i s s i mu l - t a n e o us CNC s y s t e m． Ke y wo r dsCAD ／CAM ；P o s t P r o c e s s i n g；Co o r d i n a t e T r a ns l a t e；NC P r o g r a m 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 ， 是加工连续 、 平滑 、 复杂曲面最重要 的 手段之一。目前我 国开展的五轴数控加工技术还只是 限制在高档、 先进的模具加工以及汽车零部件 、 飞机结 构件等精密、 复杂工件 的加工。至今发达国家还在限 制五轴联动数控系统 和机床对 中国的出 口， 如果用户 使用 国外的数控系统就必须签署严格 的定 向使 用协 定， 并接受检查。由此带来的高设备成本和高技术难 度就限制了五轴数控加工技术在 中小企业 中的应用。 本文 旨在通过利用中小型企业现有的加工设备和通用 的计算机控制系统， 寻求一种低成本， 高效率的五轴数 控加工技术 的应用 ， 对该技术的普及和应用提供一种 有效的技术途径 。 本文利用 自行改制的双转台结构五轴机床试验台 图 1 所示 。在 U G ／ P o s t B u i l d e r 通用后置处理器 的 基础上 ， 对经济型双转 台式五轴联动数控机床的后置 处理进行研究 。针对双转 台式经济型五轴联动数控机 床选配特定数控 系统 ， 设定 机床参数 、 程 序和刀轨参 数 、 N C代码格式设置等 ， 在程序的相应位置添加 G代 码和 M代码指令 ， 采 用 T C L语言编 写 自定 义用户命 令 ， 添加旋转轴角度计算和平 动轴位移坐标计算子程 序。同时开发 出基于 U G ／ P O S T B u i d e r的通用双转 台 式五轴机床后处理模块， 生成的 N C代码不需要人工 二次处理 ， 对五轴联动数控机床加工的普及应用具有 一 定的积极作用 。 1 五轴数控机床坐标系的数学模型 在三直线轴 、 y 、 z 联动情况下 ， 编程员一般不 需要关心是工作台运动还是刀具运动 ， 因为机床厂家 I I U等 u 年 帚 l 均按照 国际标准来定义机床 的坐标系及其运动方向， 不 同系统的后处理变化不大。而五轴数控机床加上 了 A、 B、 c三轴 中的两轴旋转 ， 机床转动与主轴头的坐标是 不 同的， 再加上机 床厂家在 生产时不一定按 国际标准来 定义机床的坐标系及其运动 方 向， 因此对 于不 同的系统 或旋转坐标不同的后置处理 相差很远 j 。本文研究 的 是双转台五轴联 动机床 ， 其 结构简图如图 2 。 旋转轴偏 T e c h n 0 l0 g y a n d T e s f 工艺与检测 0 为原点建立刀轴矢量坐标系 0 X Y Z， 与 C A M加工坐 标系 0 X Y Z各相应轴平行。根据 以上 已知条件 ， 计算 机床的运动坐标值 相对 0 ， X Y Z坐标系 、 y 、 z及相 应的回转角度 A、 C 。 图1 双转台五轴机床试验台 0 图2 双转台五轴机床运动筒图 旋转运动 A、 B、 C相应地表示其轴线平行于 、 y 、 z的旋转运动 ， 其方 向按照右旋螺纹旋转 的方 向。面 向机床 ， z平行刀具旋转轴 ， z 向上 ， 向右 ， y 向里 ， 与设计坐标系完全相同。 、 y机床坐标 由设计坐标系 绕 z轴旋转 C角后所得， 再绕 轴旋转 A角， 计算较 为复杂。 如图 3所示 ， C A M加工坐标系为 0 X Y Z， 机床加 工坐标系为 0 X Y Z， 工作 台 C回转轴与 z轴方 向一 致 ， 工作台 A回转轴 与 轴方 向一致 ， 0 ， XY Z坐标系 原点设在 A、 C回转 轴交点 上。C A M 加工 坐标 系 0 X Y Z与机床加工坐标系 0 ，X Y Z的z轴方向一致， 其余 二轴相互平行 ， 0 0 d ， 工件可绕 0 X Y Z坐标系的 轴转动 A角 0 ≤4≤1 2 0 。 ， 工件可绕 0 ， XY Z坐标系的 z轴转动 C角 0≤C0 C2 7 0 。一a r c t a n a y ／ z 当 血 0 2 A角的计算 A a r c t a n √ 口 0 ／ 0 当n z0 A0 。 当 a 0 A9 0 。一a r c t a n a 0 ／ a 当 a z0 ， A ≤ 1 2 0 。 1 ． 2 机床运动坐标 、 y 、 z的计算 根据前述工作台的旋转过程 ， 并且考虑机床结构 、 工件装夹情况 ， 坐标变换过程可归纳如下 ①首先使工 件坐标系的原点与机床坐标系的原点一致， 0 0 d 0 ； ②工件绕 z轴顺时针旋转 c角， 坐标变换矩阵为 工艺与检测T e c h n 0 Io g y a n d T e s t T 。 ； ③工件绕 轴顺时针旋转 角， 坐标变换矩阵为 。 上述过程用数学公式描述为 [ y Z 1 ][ ， ．1 ] 刀轴矢量绕 z轴旋转 C角 ， 变换矩阵为 T． C O S C s i nC 0 0 s i nC C O S C 0 0 0 0 1 0 O 0 0 1 刀轴矢量绕 轴旋转 A角 ， 变换矩阵为 1 0 0 c o s A 0 s i l 0 0 0 0 s i n A 0 c o s A 0 0 1 ， X c c o s C Yc s i nC { l， 一 X cs i n C c o s A Y c o s C c o sA Z c s in A 【 z s i ncs i n 4 一y c 。 s cs i I 1 A z c 。 s A M D F A L 床数据 i I M D F G 定义机床 文件名 MDF A I l 数据文件 c L ． 文 件r 里 竺 卜 ． fⅥ 阡 C L S 文件名 I l 广 r 自 图4 UG后置 处理原理 图 传给机床 加工 2 ． 1 设置机床参数 如图 5所示 ， 在对话框 中选择五轴双转 台数控铣 床 ， 配备五轴数控系统 ， 根据机床运动结构在 图6所示 的一般参数 、 四轴 、 五轴窗 口， 编辑设置圆弧刀轨输 出、 直线轴行程极限、 机床零点、 直线插补最小分辨率、 机 床快速移动速度 、 初始轴坐标 、 旋转轴 等相关 机床参 数 图5 五轴系统配置界面 图6 五轴机床 参数设置界 面 2 ． 2设置程序和刀轨参数 在程序和刀轨窗 口中定义、 修改和用户化所有机 床动作事件的处理方式。在程序窗 口中 ， 定义 、 修改和 用户化 程序设置 。后处理程序 包括 I 程 序开头 ； 2 操作头 ； 3 刀轨事件 ； 4 操作尾 ； 5 程序结尾 。 在 G代码窗 口， 定义后置处理 中用到的所有 G代 码 ， 包括快速运动 、 直线运动 、 顺 圆运动、 逆 圆运动 、 加 工平面 、 刀具半径偏置 、 绝对／ 增 量编程和 固定加工循 环等。在 M 代码窗 口， 定义后置处理 中用到的 M代 码 ， 包括程序结束 、 主轴顺 转、 主轴逆转 、 主轴停 、 冷却 开 、 冷却停 以及换刀等。在字地址定义窗口， 设置各关 键字格式 ； 在字符顺序窗 口， 定义字符优先顺序 ； 在用 户 自定义命令窗口， 添加用户 自定义程序命令 ， 如图 7 所示。用 T C L 语言编写子程序， 实现后置处理算法中 旋转轴角度 的计算 、 坐标变换矩阵、 平动轴位移坐标值 的计算 、 增加切削时 间等任务。在程序 和刀轨参数窗 口的用户 自定义命令 中， 导入 已经实现 的旋转轴角度 计算和平动轴位移计算等符合实际加工条件的子程序 到用户命令列表中。 U ‘u I I 身； l