外文翻译 文献综述 开发一种关于三种fiveaxismachine的后处理器

开发一种关于三种Five-AxisMachine的后处理器R.-S.lee 和C.-H.she机械工程学系,成功大学机械系,台南,台湾,中华民国摘要 本文提出了一种能通过使用五轴联动机床控制刀具切削位置的数据来建立介于计算机辅助设计系统和数控编程之间的一种五轴机床界面，是通过分析使用变换矩阵和逆运动学方程得到的数控数据实现的。此外后处理器的解决办法是通过在五轴机床上切削试验和坐标测量机上被验证的。试验结果证实了关于后处理器的解决办法的猜想所产生的影响，用来整合五轴机床的工具在机械制造系统中的使用关键词 坐标变换矩阵;刀具切割规矩数据;五轴机床；数控编程；后处理器1.介绍自由表面(或雕刻的表面)已经大量在工业中使用,如在汽车的身体、船舶客体、航空零件。模具和冲压模具的加工大部分是用数控加工(NC)机床加工的。常规的加工是使用三轴数控机床和球头铣刀。三轴机床不能改变刀具方向 ,所以一个五轴数控机床能使刀具正确定位并能高效加工。随着计算机技术的迅速发展,商业性的CAD / CAM系统可以设计和生成自由平面不管是三轴还是五轴的刀具轨迹。刀具位置数据包括刀尖位置和刀具方向,可以在CAD / CAM系统所产生的CAD模型中直接获得然而,当使用很多种刀具的时候还是有困难的。包括CAM系统和数控系统之间联系的输入界面被称为后处理器它包含了刀具位置数据的机床编码。很多研究人员在从事机床后处理器的研究。Bedi和Vickers1为FANUCE6MB机床研发了一种后处理器程序。Balaji2提出一种后处理器的发展和应用，就是将APT资源编码转换为机床床程序代码。Lin和Chu3通过使用带有复杂的D-H记号的平面追踪得到了生产凸轮轴时的机床刀具的数控数据。然而，以上的工作仅仅是关于三轴机床的。此外，既然对于三轴机床刀具轴线是固定的，从刀具轨迹数据到数控数据的传输的直接传输，所以增量坐标技术的必不可少的。为了满足工业关于几何图形多样性和高精密的需求，多轴联动技术的使用在增多，特别是机械雕刻成型表面。Suh和Lee4发明了一种四轴CAM系统包括刀具切削位置数据的产生和后处理器。Vickers etal.5使用S-sulf方法在三轴、四轴、五轴机床上证明了机械复杂曲面组合。Takeuchi和Watanabc6为两种类型的机床轮廓设想了一种五轴控制碰撞-自由刀具轨迹和后处理方法。Sakamoto和Inasaki7将五轴机床刀具的三种轮廓进行分类。然而，分析性的数控数据表达在以上工作中均未被涉及到。Lin和Tsai最近使用D-H标记来生成数控数据相当于在四轴机床上加工凸轮轴。此外，Warkentin et al.9提出了一种加工球形表面的技术。在他们的工作中，仅仅从五轴机床上得到了廓形的理想数控数据。同时，Rao et al.10研发了一种规律轴线的方法在两种廓形的五轴机床实现复杂表面的加工。尽管如此，仅仅旋转运动被应用。并没有研究机床刀具的直线运动。既然五轴机床刀具轨迹有那么多优点，那么后处理器的发展是很必然的6。然而，符合Satamoto和Inasaki所提出的分类方法，五轴机床刀可以具的机构可以分为三种基本类型。以上所有研究中没有一种能完全解决包含三个直线运动和两个旋转运动的数控数据的问题。这项工作旨在基于齐次坐标变换矩阵发展三种类型五轴机床的后置处理器。数控数据的分析结果可以通过功能矩阵与已知CL数据解代数方程组求得。此外,不同配置的机床的特点和程序也是不同的。理器的正通过设计Bezier曲线与模型材料在典型加工中心加工表面,然后使用五轴坐标测量机测量(CMM)来核实后置处理器的正确性和高效性。2、运动学模型机床刀具是通过铰接式开放链关节串接链接的。关节可以是旋转的也可以是形的。驱动旋转关节绕联合轴的旋转，而移动关节沿着联合轴的轴线方向移动。为了充分控制机床和刀具的位置和方向，建立了机床的运动学模型是必需的，运动学模型包括几何形状和运动学的描述。 denavit和Hartenberg11首先使用一个4 * 4齐次坐标变换矩阵介绍了两个连续环节坐标系统之间的空间转换，后来被Paul12引用。传统的建模技术被用在机器，机器人，误差分析和计算机视觉建模技术。在本文中，通过引用Paul的方法介绍了四个根本性变换矩阵。他们可以表示如下：trans(a,b,c)是通过矢量ai + bj + ck得到的，Rot(X,), Rot (Y,), Rot(Z,)分别表示绕X,Y,Z轴旋转的角度，“C”和“S”分别指余弦和正弦函数，从一个坐标系到另一个坐标系的空间转换是由分解矩阵相结合的根本性转变。3。五轴机床的切削轨迹数据的定义五轴铣床的切削轨迹数据包括切削的位置和方向，刀具就是工件坐标系，刀位数据的五轴加工构成的位置与方向,刀就工件坐标系,如图1。如本文中图1点向量写成Qx Qy Qz 1 T，向量Kx Ky Kz OT用来表示均匀协调符号的方向，上标注“T”表示转置矩阵。值得一提的是，将刀具中心定义为到位点而不是刀具接触点是非常有意义的。对于一个给定的参数化设计表面加工使用的五轴铣床依据西德国家工业标准66215在任何角度的刀具可以被定义为接触点,适当的CL数据可以13通过微分几何齐次坐标变换矩阵确定。4。五轴机床的后处理器CL文件的,一旦获得,使用机器人的逆运动学变换为五轴机器的控制器转化成五个参考输入(如三线性应该运动旋转运动)。这个翻译被认为是后置处理和翻译软件被称为后处理器。机器人的逆运动学变换取决于几何结构的五轴机床使用。从理论上讲,有众多的组合机床都配置五轴机床刀具轮廓。然而,在实践中,根据两种旋转运动单元6,7可将轮廓分为三种基本类型：1、工作台倾斜 绕工作台两个方向的旋转2、主轴倾斜 绕主轴的两个方向旋转3、工作台和主轴都倾斜 一个绕工作台旋转一个绕主轴旋转本文提出的五轴加工后处理应用到上述三种类型。此外，使用运动结构图2（a）至2（C）来证明推导过程。此外，两旋转轴不断互相相交是为了工作台倾斜和主轴倾斜两种类型简化。 一般来说，在数控机床上加工一个工件时，数控机床根据零件程序首先建立一个工件坐标系和一个轴向名称。除了三个线性垂直轴（X，Y，Z轴），数控机床还可能涉及周围旋转运动的旋转轴，这是由指定的字符A，B和C表示分别绕X，Y，Z轴旋转。因此，5轴机床配置在图2（a）至2（C）（X，Y，Z，A，C）和（X，Y，Z，A，B）。所有的动作应由统一的程序坐标系统生成，如G54-G59的代码是用来定义FANUC控制器的程序。在大多数情况下，程序的坐标系与工件坐标系重合，因此，本文所采用此种方式。图2.为三种五轴加工中心。(一)Table-tilting类型。 (b)Spindle-tilting类型。 (c)表/ spindle-tilting类型。4.1 Table-Tilting类型对于table-tilting类型图3表示了相应的坐标。OwXwYwZw和OtXtYt坐标系统是直接对应在工件和刀具上的。该旋转点R是两个旋转轴的交点。位移向量Lxi + Lyj + Lzk是从原点Ow指向R点的，也是所需的坐标变换。由于结构元素的机床的结构部件包括一个转盘,线性表、床身、主轴、刀具，机床产生运动,决定了机床设计的特点,被称为form-shaping功能14,其主要特征是起始于工件,终止于刀具。对机床配置如图2(a)、连续结构元素描述如图4。因此,刀具相对于工件坐标系的位置和方向方位乘以矩阵应等于已知CL数据Kx Ky Kz 0 T 和Qx Qy Qz 1 T。这一数学表达式描述如下:A和C分别是绕X、Z轴的旋转角度,+X,+Z的正方向方向是根据右手螺旋法则确定的。Px,Py,Pz分别沿X,Y,Z方向的距离。将式（5），（6）相乘可得:从以上方程可以解出旋转角度(A,C)及相关距(Px,Py,Pz)。另一方面,数控数据X,Y,Z的值可以通过方程(6)在A =c = 0和Qx Qy Qz 1 T = X Y Z 1 T时,所以该程序坐标系统是符合工件坐标系的。这导致:因此,这种轮廓的理想的数控数据被表达如下:通过检验X和Y的轨迹函数arctan2(y,x)的值应在和- 范围内。4.2 Spindle-Tilting类型spindle-tilting类型的配置,两个转动轴(A、B轴)应垂直于主轴(图2 B),这样,基准点R(图5)是选定两个轴的交界。此外,既然在加工过程中主轴会旋转,工具有效长度L,取决于从基准点R与刀具中心Or的距离或用数控数据得到。同样的坐标转换程序,类似于table-tilting类型配置,导致下列方程:因此,数控数据解析方程可以归纳为求解方程(15)-(17):4.3 table/ Spindle-Tilting型这种配置的情况下,有一个转动轴,转台和主轴,支点分别在轴(A)和(B)。,如图6,基准点RA位于任意轴,基准点RB是选为倾斜轴(B轴)和主轴的交汇点。位移向量Lj 1 + LyJ + Lzk计算出的是从原点到RA的有效长度,L是支点RB和刀具中心点的距离。和以上一样, 利用坐标变换矩阵可以得到以下方程：再次,通过求解方程(23)-(25)、这台机器配置的数控数据的解析方程可以被表示为:5。讨论从前面部分的描述中可推出一些结论,叙述如下:1、如果在旋转的工作台上有一个旋转运动(如table-tilting类型和表/ spindle-tilting型)位移向量与工件原点和基准点有关，必须确定在接触传感器后工件一直夹紧在工作台上。2、当旋转运动是应用于主轴(例如spindle-tilting类型和表/ spindle-tilting型)有效的工具长度是支点和刀具中心点之间的距离,可以认为刀具半径是变化的。刀具预先设置单元是用来测量距离的,这就叫做设定长度,从仪表层面到工具顶端,如图7。仪表水平面是在某一特定的直径圆锥柄,确保所有工具都在高速主轴的同样位置。然后,可以计算出有效的工具长度增加设定长度与距离,这是一个由生产厂家给定的固定值,从主轴顶端到旋转支点。3、该旋转点的定义是两个转动轴的交叉口。然而,对于table/ spindle-tilting配置、转动轴在空间是不相交的。如前所述,转台的基准点可任意在旋转轴上选择。这种现象可以通过观察数控系统方程(28)-(30)的数据来解释,因为这些方程的都有各自的Lx值。6 实施和验证6.1实验的实现要验证的建议后处理方法的可行性，进行了试切实验表/主轴倾斜成大五轴加工中心。 NC数据，包括偏移向量和此配置的有效工具长度。 Bezier曲面与一个4 * 4控制点给出的矩阵： 在本文中，刀具路径生成是基于用头立铣刀的刀具方向被认为是正常的表面接触点等参方法。数学上，Bezier曲面可表示为P（U，V），其中U和V是独立的参数15。等参步长定义是在每个参数输入增量变化。一旦U和V参数已经明确，这一点可以被定义在表面上和刀位点QX QY Qz1;同时，可以使用微分几何15计算出切削刀具定向： 因此，等参刀具路径的完成后CL数据才能确定。A C计划用于生成CL数据和转换CL数据（NC代码），使用的建议后处理方法。以下的实验条件下的基础上已进行试切：1。球头铣刀的直径是10 RAM。2。主轴转速为500转，进给200mm/rain。3。刀具路径是0.5毫米。4。偏移向量LX = 0，LY = -10.0毫米和LZ = -25.0毫米。5。有效的刀具长度LT是409.571毫米。6。工件材料为丙烯酸树脂图8描绘了五轴加工中心的实际切削。6.2 CMM的核查 已完成的部分（图9）在Mitutoyo（模式BHN710）桥型主体和一台个人电脑组成的三坐标测量机上测量。在实际测量中，16套典型的测量数据（见图10）通过CMM 2毫米直径的Renishaw PH-9触发式探头。触发式探头可以带动向沿法线方向的一部分。根据从方程（31）获得表面法线向量生成外指导点和内部指导点（图11）。探测路径可以表示在特定的数控代码，发送到CNC控制器。处理测量操作时，最初的探头移动到指定以外指南点迅速。下一步，探头移动缓慢，直到它触及的表面点到里面指南点。一个探头球中心的位置坐标测量点收集和保存在一个ASCII tbrmat文件。积累的数据所抵销探针中心配合探头球theradius的内表面的沿法线方向的补偿。设计图面测量采样点的比较如图 12。这个数字表明，设计图面相比，加工表面的最大偏差为0.02 RAM。这些结果表明，拟议的后处理方法是非常有效和可靠的。5. TolnCng qinmin j ji zhng miosh de tudo, yxi ynji jigu ky shumng rxi:1. Rgu yu yg zhunpn (egtable qngxi xng bio/zhzhu qngxi xng) de xunzhun yndng, xinggun zhdin gngjin yundin pin y xingling bx bi qudng chm chungnq gngj hu yzh gngjin Qin wi do jij bio.2. Dng xunzhun yndng yngyng zhzhu (r zhzhu qngxi xng h bio/zhzhu qngxi xng), yuxio de gngj, zh sh zhdin h qixio do jin zhngxn zh jin de jl, ky kol zuwi zng hu gn de chngd Do jin bnjng sh, yng cdng. Doj y dio dnwi sh yng li cling jl, bi chng wi j de chngd, do jin cng yl bio pngmin, r t su sh. 7. J fij sh zi jt de zhu bng zhjng, y qubo suyu de gngj, shh zi tngy wizh de zhzhu. Rnhu, ky yuxio de doj chngd jsun jir j de chngd h jl, zh sh yu jq d d zhzo tgng yg hngdng zh, cng zhzhu do t de zhdin.3. Zhdin bi dngy wi ling g xunzhun zhu de jiodin. Dnsh, pizh bio/zhzhu qngxi, xunzhun zhu b xingjio de kngjin. R qin su sh, zhunti de zhdin ky rny xunz de xunzhun zhu. Zh zhng xinxing ky jish gunc NC shj biod de fngchng (28) - (30), ynwi zhxi gngsh sh de LX jizh de dl.6. Zhxng h hch6.1 Shyn de shxinYo ynzhng de jiny hu chl fngf de kxng xng, jnxngle sh qi shyn bio/zhzhu qngxi chng d w zhu jigng zhngxn. NC shj, boku pin y xingling h c pizh de yuxio gngj chngd. Bezier qmin y yg 4* 4 kngzh din gi ch de jzhn:Jigng. Zi bnwn zhng, doj ljng shngchng de jch shng yng qi tu l x do de doj fngxing bi rnwi sh zhngchng de biomin jich din dng cn fngf. Shxu,Bezier qmin k biosh wi P(U,V), qzhng U h V sh dl de cnsh 15. Dng cn b zhng dngy sh zi mi g cnsh shr zng ling binhu. Ydn U h V cnsh yjng mngqu, zh ydin ky bi dngy zi biomin shng h do wi din QX QY Qz1; tngsh, ky jsun ch qixio doj dngxing shyng wifn jh 15:Ync, dng cn doj ljng de wnzhng CL shj cinng qudng. Jioli jhu yng y shngchng CL shj h zhunhun CL shj j kngzh shj (NC dim) shyng de jiny hu chl fngf. Yxi de shyn tiojin xi de jch shng y jnxng sh qi:1. Qi tu x do de zhjng sh 10 RAM.2. Zhzhu zhun s wi 500 zhun, jn gi 200mm/rain.3. B yshng de doj ljng sh 0.5 Hom.4. Pin y xingling LX = 0,LY = -10.0 Hom h LZ = -25.0 Hom.5. Yuxio de doj chngd LT sh 409.571 Hom.6. Gngjin cilio wi bngx sun shzh.T 8 Miohule w zhu jigng zhngxn de shj qixio.6.2 CMM de hchY wnchng de bfn (t 9), sn fng (msh BHN710) qio xng zht h y ti grn dinno zchng de sn zubio cling jshng cling. Zi shj cling zhng,16 to dinxng de cling shj (jin t 10) tnggu CMM 2 hom zhjng de Renishaw PH-9 ch f sh tntu. Ch f sh tntu ky didng xing yn f xin fngxing de ybfn. Gnj cng fngchng (31) hud biomin f xin xingling shngchng wi zhdo din h nib zhdo din (t 11). Tnc ljng ky biosh zi tdng de shkng dim, fsng do CNC kngzh q. Chl cling cozu sh, zuch de tntu ydng do zhdng ywi zhnn din xns. Xi yb, tntu ydng hunmn, zhdo t chj de biomin din do lmin zhnn din. Yg tntu qi zhngxn de wizh zubio cling din shuj h bocn zi yg ASCII tbrmat wnjin. Jli de shj su d xio tn zhn zhngxn pih tntu qi theradius de ni biomin de f xin fngxing yn bchng. Shj t min cling ciyng din de bjio sh y t. 12. Zhge shz biomng, shj t minxing b, jigng biomin de zud pinch wi 0.02 RAM. Zhxi jigu biomng, ny de hu chl fngf sh fichng yuxio hn kko de.Dictionary窗体底端7.结论本文提出了一种分析方法来开发一个后置处理器三种典型的五轴车床,form-shaping函数根据齐次坐标变换矩阵推导出完整的解析方程得到数控数据相当于form-shaping功能和CL数据。在一个五轴机床上实施trial-cut，提出了CMM，证实了后置处理问题的求解方法是可靠的。此外,整合多种结构的五轴机床、发展一个广义的后置处理器方法目前在进行中。承认这项工作是受国家科学委员会支持的中华民国84 - 262在格兰特NSC - E - 006 - 008。参考文献1 .S. Bedi and G. W, Vickers,，工业电脑，9（1），页3-18,1987“数控机床后处理”。2. B. K. Balaji，“一台数控铣床后处理发展与接口”，硕士论文，1993年12月，美国加州州立大学长滩。3 .P. D.