CN109696884A - 一种非正交双转台型五轴机床后置处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种非正交双转台五轴数控机床后置处理方法，包括以下步骤：(1)CLSF刀位源文件读取、识别及处理；(2)非正交双转台五轴机床空间运动学分析；(3)设置机床结构参数；(4)输出机床坐标轴XYZBC坐标值；(5)导出数控加工程序并检查，生成NC刀路文件。本发明从五轴后置处理技术出发，对该过程中若干关键技术进行软件集成，消除了手工推导方法中机床各轴运动量计算公式的推导环节，简化了机床后置处理的流程，提高后置处理的速度；消除了数值处理方法计算时间长，求解精度不稳定的缺点，提高了后置处理的精度；适用于任意结构多轴机床后置处理，具有可视化操作界面、求解速度快、求解精度高等特点。

Description

一种非正交双转台型五轴机床后置处理方法
技术领域
本发明涉及一种非正交双转台五轴机床后置处理方法，属于多轴数控机床加工领域。
背景技术
随着汽车、航空航天及军事等领域对零部件型面复杂、表面加工质量高的要求，如航空发动机件叶轮叶盘、风电叶片、飞机进气道、螺旋桨通常采用五轴机床加工，非正交双转台型五轴机床结构如图1所示，具有XYZBC五个坐标轴。根据五轴机床结构不同，一般可将其分为三种基本类型：1)双摆头类型，2)双转台类型，3)摆头转台类型。
在五轴机床中，后置处理的任务是将CAD/CAM软件生成的加工刀位文件转化为特定机床可识别的数控NC代码，其中刀位源文件不仅包括了刀尖点和刀轴矢量，还有机床加工的相关信息，比如说进给率，水冷和换刀指令等。目前主要的后置处理器可分为三类：
1)CAD/CAM软件自带后置处理器，
2)捆绑式后置处理器，
3)独立式后置处理器。
后置处理器软件操作界面如图2所示。
现有后置处理器存在使用费用昂贵、不可二次开发等缺点。
中国专利文献CN105302070A公开的《一种非正交摆头转台类五轴机床后置处理方法》，以平动轴Y和回转轴B作为倾斜轴的摆头转台类五轴机床作为研究对象，分析该类型机床的结构特点。然后，分别将倾斜轴Y轴与OXZ平面之间夹角和刀具摆长作为变量，建立前置刀位数据与该类机床各坐标轴之间的运动变换方程，并推导出各坐标轴的计算公式。在此基础上，利用C++语言开发出适用于该类型五轴数控机床的后置处理软件。该方法适用对象为非正交摆头转台五轴机床，其机床结构、机床空间运动学等与非正交双转台型五轴机床都不相同，所以不适用于非正交双转台型五轴机床。
发明内容
本发明针对现有五轴机床后置处理技术存在的不足，提供一种具有可视化操作界面、求解速度快、求解精度高的非正交双转台五轴数控机床后置处理方法，该方法可获得机床运动轴X相对于参考点的运动量，能够直接用于工件加工，减少了人工编程环节，有利于提高后置处理的速度和效率，并在生产中应用验证。
本发明的非正交双转台五轴数控机床后置处理方法，包括以下步骤：
步骤1：CLSF刀位源文件读取、识别及处理；
CAD/CAM软件生成的刀位源文件，读取至少包含刀具信息，切削参数、冷却液开关、刀位位置及刀轴矢量的源文件。
步骤2：非正交双转台五轴机床空间运动学分析；
五轴数控机床空间运动分析是根据刀具和工作台在机床坐标系下的联合运动，计算出在工件坐标系下刀心坐标和刀轴矢量以及所需的复合运动变换矩阵。
进行数控机床空间运动学研究的目的是在分析机床运动特点的基础上，建立相关的运动坐标系，并描述出各坐标系之间的相对位置关系，以便求出相互之间的运动坐标变换矩阵，为机床后置处理过程的研究奠定基础。
步骤3：设置机床结构参数；
机床结构参数包括各轴的行程范围、转动B轴与移动Z轴的夹角、机床几何参数H(机床运动回转中心至机床工作台距离)。
步骤4：输出机床坐标轴XYZBC坐标值；
根据步骤1-3，将CLSF文件中的刀位信息(包含刀尖点和刀轴矢量即XYZIJK值)转译为机床坐标轴XYZBC坐标。
步骤5：导出数控加工程序并检查，生成NC刀路文件。
上述方法针对双转台类型的五轴数控机床，根据设定机床转动B轴与移动Z轴的夹角、机床几何参数H等相关参数，可适用不同型号非正交双转台五轴机床，并作为其后置处理方法。编写的后处理软件是以MATLAB GUI作为可视化编程平台。
本发明从五轴后置处理技术出发，对该过程中若干关键技术进行软件集成，针对非正交双转台五轴机床，开发出可调节机床结构参数的后置处理方法，其有益成果在于：
1)本发明消除了手工推导方法中机床各轴运动量计算公式的推导环节，简化了机床后置处理的流程，提高后置处理的速度。
2)本发明消除了数值处理方法计算时间长，求解精度不稳定的缺点，提高了后置处理的精度；适用于任意结构多轴机床后置处理，具有可视化操作界面、求解速度快、求解精度高等特点。
附图说明
图1为非正交双转台型五轴机床的结构简图。
图2为本发明后置处理方法的流程图。
图3为DMU为70V机床简化模型的侧视图。
图4为工作台转动坐标的计算。
图5为刀位源代码转换为NC数控代码。
具体实施方式
以德国DECKEL MAHO公司的DMU 70V五轴非正交双转台机床为例，该机床配有海德汉***(本发明适用于且不仅仅适用于此系列机床)，两个回转轴的回转极限分别为0°≤B≤180°、0°≤C≤360°。由于机床转动B轴与移动Z轴成45°夹角，导致并未有合适的后处理软件，给加工带来了极大的不变。故本发明正是解决此问题，并可以提高加工效率与加工精度。
本发明的非正交双转台型五轴机床后置处理方法，具体流程如图2所示。下面以航空发动机叶轮零件加工为例，详细阐述本发明的后置处理方法。
步骤1：CLSF刀位源文件读取、识别及处理
以UG软件作为CAD/CAM软件例子，UG软件生成的CLSF刀位源文件主要包含：TLDATA、LOAD、SPINDL、RAPID/GOTO、GOTO、FEDRAT、PAINT、END-OF-PATH等。通过本发明读取刀位源文件，并将其所含加工信息筛选、分类、整理。表1中为部分刀位代码，并已指出其含义。
表1部分刀位代码关键字及含义
步骤2：非正交双转台五轴机床空间运动学分析
对五轴加工机床后置处理算法进行研究，以DMU 70V机床为例，图3给出了DMU 70V机床简化模型的侧视图。DMU 70V机床有两个旋转轴(B轴和C轴)，并且它们是非正交的，两轴之间的角度是45°，通过B轴和C轴，能够获得任意的垂直于半球面曲面的刀具姿态。
假设工件坐标系Owxyz原点在机床坐标系Oxyz中的坐标为(x0,y0,z0)，工件上任意点的刀心位置在工件坐标系中的坐标为(xw,yw,zw)，刀轴矢量(单位矢量)为n＝axi+ayj+azk(az≥0)，现在确定机床运动坐标X、Y、Z、B、C的值。
(1)确定转动坐标值
可认为刀轴矢量为自由矢量，把刀轴矢量的起点移到机床坐标系的原点，并平移B轴使之过O点，因为主轴方向与Z轴平行，所以目标就是设法将刀轴矢量旋转到与Z方向一致。由于0°≤B≤180°，那么刀轴矢量旋转到Z方向需要以下两个旋转：
Ⅰ.刀轴矢量ON绕Z轴顺时针旋转角度C至ON1；
Ⅱ.绕B轴顺时针旋转角度B至ON0。
刀具绕B轴旋转的运动轨迹是半圆弧，而刀轴矢量绕Z轴旋转的运动轨迹是水平圆弧，两个空间曲线必交于点N1，如图4所示。
根据图4中的向量关系，则有：
由(1)、(2)向量关系得到
cosB＝2az-1 (3)
同时，根据图中关系可得到C1，令得到机床转动坐标为：
B＝arc(cos2az-1) (4)
(2)确定机床平移坐标值
机床平移坐标值即刀心经过工件转动后在机床坐标系中的位置X、Y、Z。
Ⅰ.将工件坐标系Owxyz平移到机床坐标系，变换矩阵为
Ⅱ.工件绕Z轴旋转-C角,变换矩阵为
Ⅲ.工件绕B倾斜轴旋转-B角，变换矩阵为
所以机床的运动坐标为
(X,Y,Z,1)＝(xw,yw,zw,1)T1T2T3。 (9)
步骤3：设置机床结构参数。
输入DMU 70V五轴机床的相关结构参数，包括各轴的行程范围、转动B轴与移动Z轴的夹角、机床几何参数H(机床运动回转中心至机床工作台距离)。
各轴行程范围：
X轴：-355～355mm
Y轴：-260～260mm
Z轴：0～520mm
B轴：0～180°
C轴：0°～360°
步骤4：输出机床五个坐标轴XYZBC的坐标值。根据步骤1-3所做工作，将CLSF文件中的刀位信息(包含刀尖点和刀轴矢量即XYZIJK值)转译为机床坐标轴XYZBC的坐标。
步骤5：导出数控加工程序并检查。生成NC刀路文件，如图5所示，将刀位源代码转换为DMU 70V数控机床可识别的数控代码。
本发明方法是针对非正交双转台型五轴数控机床提出的将刀位源文件转化为机床可识别的加工代码的后置处理方法。分析机床结构特点，建立机床坐标轴运动变换方程，推导各运动轴计算公式。在此基础上利用MATLAB GUI作为可视化编程平台，做出可视化操作的自动后置处理程序。操作人员可输入相应的机床结构参数、切削加工参数、刀具尺寸及刀位源文件，后置处理器可自动生成可识别的专用机床程序。该发明生成的加工代码反映了运动轴相对于其零位置的运动量，可直接用于生产加工。

Claims (5)

1.一种非正交双转台五轴数控机床后置处理方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1：CLSF刀位源文件读取、识别及处理；
步骤2：非正交双转台五轴机床空间运动学分析；
步骤3：设置机床结构参数；
步骤4：输出机床坐标轴XYZBC坐标值；
步骤5：导出数控加工程序并检查，生成NC刀路文件。
2.根据权利要1所述的非正交双转台五轴数控机床后置处理方法，其特征是，所述步骤1中刀位源文件至少包含刀具信息，切削参数、冷却液开关、刀位位置及刀轴矢量的源文件。
3.根据权利要1所述的非正交双转台五轴数控机床后置处理方法，其特征是，所述步骤2中机床空间运动分析是根据刀具和工作台在机床坐标系下的联合运动，计算出在工件坐标系下刀心坐标和刀轴矢量以及所需的复合运动变换矩阵。
4.根据权利要1所述的非正交双转台五轴数控机床后置处理方法，其特征是，所述步骤3中机床结构参数包括各轴的行程范围、转动B轴与移动Z轴的夹角、机床几何参数H。
5.根据权利要1所述的非正交双转台五轴数控机床后置处理方法，其特征是，所述步骤4是将CLSF文件中的刀位信息转译为机床坐标轴XYZBC坐标。
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