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基于Pro_E的特殊五坐标机床的后置处理器的开发.pdf

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基于Pro_E的特殊五坐标机床的后置处理器的开发.pdf

文章编号10012265200609002403收稿日期20060316;修回日期200606153基金项目教育部留学回国人员基金资助项目2004527;山东省自然科学基金资助项目Y2003F02作者简介冯显英1965,男,济宁人,山东大学机械工程学院教授,博士研究导师,博士,研究领域为智能化精密检测与数控CNC技术等,E_MAILFXYINGSDUEDUCN基于PRO/E的特殊五坐标机床的后置处理器的开发3冯显英1,何全民2,胡滨1,葛荣雨111山东大学机械工程学院,济南250061;21烟台职业学院,山东烟台264001摘要文章分析了带倾斜转台的特殊五坐标数控机床的结构形式和坐标运动关系,给出了其详细的后置处理算法,并基于PRO/E开发出了相应的后置处理器,基于VERICUT构建了DMU70V五联动加工中心的几何模型,通过实例仿真和实际加工实验对经开发的后置处理器生成的数控程序进行了仿真加工验证和几何干涉检验,结果表明开发的后置处理器是有效可行的。关键词PRO/E;五坐标机床;后置处理器;倾斜轴中图分类号TG659文献标识码ADEVELOPMENTOFPOSTPROCESSORFORSPECIALFIVE2AXISMACHINEBASEDONPRO/EFENGXIAN2YING1,HEQUAN2MIN2,HUBIN1,GERONG2YU211SCHOOLOFMECHANICALENGINEERING,SHANDONGUNIVERSITY,JINAN250061,CHINA;21YANTAIPROFESSIONALCOL2LEGE,YANTAISHANDONG264001,CHINAABSTRACTTHISPAPERPRESENTSAPOSTPROCESSINGALGORITHMINDETAILFORASPECIALTYPEOFFIVE2AXISNCMACHINEWITHATILTINGSWIVELINGTABLE,AFTERANALYZINGITSSTRUCTUREANDCOORDINATEMOVEMENTTHEPOSTPROCESSORANDTHEGEOMETRICALMODELOFDMU70VAREDEVELOPEDBASEDONPRO/EANDVERICUTSOFTWARETHEMACHININGSIMULA2TIONANDREALCUTTINGEXPERIMENTFORNCOFPOST2PROCESSINGSHOWEDTHATTHEDEVELOPEDPOSTPROCESSORISCORRECTANDEFFECTIVEKEYWORDSPRO/E;FIVE2AXISMACHINE;POSTPROCESSOR;TILTINGAXIS0引言数控机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文件CUTTERLOCATIONFILE的整个过程称为前置处理。刀位轨迹文件给出的是刀具在工件坐标系中的位置数据,包括刀心点坐标和刀轴矢量,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文件转换成具体机床的程序代码,该过程称为后置处理POSTPROCESSING。五坐标数控机床一般由三个直线轴X、Y、Z和A、B、C中的任意两个旋转轴组成,三个直线轴构成笛卡儿坐标系,两个旋转轴绕相应的直线轴旋转A绕X、B绕Y、C绕Z,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1。近年来考虑到机床结构和便于排屑等因素又出现了一些带倾斜转台的五坐标数控机床,如德国DMG公司生产的DMU70V型等产品,B轴是倾斜轴,它绕与Y轴成45的轴旋转。由于其特殊性,多数CAD/CAM软件中所配的后置处理器均不能直接使用,必须经过二次开发。本文针对这种特殊五坐标机床,研究了其后置处理算法以及基于PRO/E开发了相应的后置处理器。1倾斜转台型五坐标数控机床坐标运动分析后置处理的主要任务运动求解就是把工件坐标系中的刀轴矢量分解为机床的两个转动坐标,把刀心点坐标转换成机床经过转动后的平动坐标X、Y、Z。下面以DMU70V加工中心为例研究该类机床的后置处理算法。该机床的五轴由X、Y、Z、B、C组成,C轴旋转是通过工作台绕Z轴旋转实现的,而B轴是在YOZ平面内与Y轴正向夹角为45的轴,机床倾斜转台运动坐标系如图1A所示,H155MM可根据机床工作手册得知。旋转轴B、C都是由工作台旋转实现的,故工作台工件实际运动方向和图中定义方向相反。工作台绕Z轴的转动可为任意角度,B轴只能实现0~180的摆动,B42设计与研究组合机床与自动化加工技术0时,机床工作台垂直于Z轴,B180时,工作台与Z轴平行,如图1B所示。图1DMU70V机床坐标系假设工件坐标系OWXYZ原点在机床坐标系OXYZ中的坐标为X0,Y0,Z0,OO′H,对于工件上任意点的刀心位置在工件坐标系中坐标为XW,YW,ZW,刀轴矢量单位矢量为NAXIAYJAZKAZ≥0,现在确定机床运动坐标X、Y、Z、B、C的值23。11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1刀轴矢量ON绕Z轴顺时针旋转角度C至ON12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个半圆弧,而刀轴矢量绕Z轴旋转的运动轨迹是个水平圆弧,两个空间曲线必交于点N1,如图2所示。图2工作台转动坐标的计算根据图中的向量关系,则有ON1OQQN112J12K12COSBJK22SINBI1图1B所示。ON1OMMN1AXKA2XA2YCOSC2ISINC2J2由式1、式2向量关系得到COSB2AZ1C2ARCSIN1AZA2XA2Y同时根据图中关系还可以得到C1,令A2XA2YAXY,得到机床的转动坐标为BARCCOS2AZ13CARCTANAYAXARCSIN1AZAXYAX0AY04C180ARCTANAYAXARCSIN1AZAXYAX0AY05C180ARCTANAYAXARCSIN1AZAXYAX0AY06CARCTANAYAXARCSIN1AZAXYAX0AY0712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。1将工件坐标系OWXYZ平移到机床坐标系,变换矩阵为T1100001000010X0Y0Z0182工件绕Z轴旋转C角,变换矩阵为T2COSCSINC00SINCCOSC000010000193工件绕B倾斜轴旋转B角,变换矩阵为T310000100001000H110000COS45SIN4500SIN45COS4500001COSB0SINB00100SINB0COSB0000110000COS45SIN4500SIN45COS450000110000100001000H110所以,机床的运动坐标为X,Y,Z,1XW,YW,ZW,1T1T2T3112基于PRO/E的倾斜转台型五坐标数控机床的后置处理器的实现PRO/E的后处理模块PRO/NCPOST中的机床后置处理器GPOST有两个文件组成UNCX01PXX定义该机床所有参数的对应文件;UNCX01FXX针对该机床做二次开发的文件;在PRO/E中做任何一种机床的后处理只需编写这两个文件即可。其中在UNCX01PXX文件中用来指定机床类型、输出文件格式、输出程序的头尾和GM代码的定义等等。在PRO/E的机床选项文件生成器OPTION522006年第9期设计与研究FILEGENERATOR中依据机床工作手册和数控系统编程手册定义机床的各种参数和GM代码,然后机床选项文件生成器会自动将这些参数保存在UNCX01PXX文件中。另一个文件UNCX01FXX是采用工厂级语言FACTORYINTERFACELANGUAGE来编写的,这是一种宏语言,通过编写这个文件,可以修改后处理器的输出、修改刀位轨迹文件以及进行其他特殊需求的输出,它可以极大地扩展后处理器的功能。我们在编辑这个文件时要加入上述特殊五坐标机床的后处理算法,以下是这个算法的部分程序CIMFIL/ON,MACHIN$$CATCHTHEMACHINSTATEMENTDMYPOSTF13$$EXECUTETHECURRENTCLRECORDDMYPOSTF26,2,ICODEFMACHIN,0$$TURNOFFTHISROUTINEDMYPOSTF2,3,292,0$$SETCAXISTO’0’DMYPOSTF2,3,293,45$$SETBAXISTO’45’CLNUMPOSTF7,11$$SAVETHECURRENTCLRECORDCIMFIL/ON,END$$CATCHTHEENDSTATEMENTSAUXFUN/2,NEXT$$OUTPUTM02NEXTUNCX01FXX文件中程序的其他部分就和普通的五坐标机床基本一样了。编写完这两个文件后,就完成了后置处理器的创建。3后置处理器的验证一般最直接的程序校验和干涉检验方法,是将后处理以后的数控程序输入到实际机床中进行空走刀,这种方法本身既不准确,不能保证安全,而且费时费力。在这里我们运用美国CGTECH公司推出的数控加工仿真软件VERICUT来进行验证。VERICUT具有NC程序验证、机床运动仿真和实体模型切削等功能,具有真实的三维实体显示效果。31后处理程序代码仿真加工校验首先在VERICUT中,依据实际机床DMU70V的结构模型和几何参数,按照11的比例来创建仿真加工和干涉检验的机床实体几何模型,且在VERICUT中设定各个轴的运动方向和旋转方向,至此这个机床模型就和实际机床相同了。然后将上述创建的后置处理器输出的数控程序,加载到VERICUT中的机床模型上进行仿真加工模拟,通过观察刀具轨迹和工件模型的切削,就可校验程序代码和验证几何干涉了。如图3所示,图3为在VERICUT中用DMU70V五坐标数控机床进行圆柱凸轮加工的例子。图3在VERICUT中验证后处理器32后处理程序代码实际加工验证通过上述开发的后置处理器生成的凸轮加工程序,借助DNC系统传输到DMU70V的数控系统中,经实际加工验证,从而证明研发的后置处理器和由VER2ICUT构建的实际机床模型来进行干涉检验可以得到正确的结果。图4为在DMU70V五联动加工中心上进行实际加工凸轮的情况。图4凸轮加工实照4结束语1本文围绕一种特殊的五坐标数控机床结构,推导了其各坐标轴的运动关系,基于VERICUT构建了DMU70V五联动加工中心的实际机床模型,用于实际加工时的几何干涉检验,并且基于PRO/E开发了该机床的后置处理器。2以圆柱凸轮数控加工为例,进行了仿真加工和实际机床加工实验,验证了研发的后置处理器的正确性。使今后对各种复杂几何零件的CAD/CAM加工程序的生成可以做到一次性可靠运行,无需再到实际机床上进行试切加工,不仅大大提高了实际加工效率,同时降低了制造成本和机床折旧,具有重要的现实意义和实用价值。参考文献1刘雄伟,张定华数控加工理论与编程技术M北京机械工业出版社,200016517612冯显英,葛荣雨五坐标数控机床后置处理算法的研究J工具技术,20064444613DECHELMAHOTILTINGDMGOPERATINGMANUALFORTILTINGTHEWORKINGPLANE4151编辑李秀敏62设计与研究组合机床与自动化加工技术

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