（机械制造及其自动化专业论文）非正交五轴数控机床后置处理器的研发与应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 常见的c a d c a m 软件对复杂零件进行自动编程可生成刀位文件( 即刀具 轨迹的全部信息) ，但刀位文件不能驱动数控机床进行加工。为了满足指定的数 控机床和数控系统要求，还需要对刀位文件进行后置处理，从而得到能驱动此数 控机床的数控代码( 即n c 程序) 。 目前，国内企业普遍采用c a d c a m 软件进行五轴数控编程，它们一般只提 供几种固定正交结构( 即机床中旋转轴或摆动轴与直线轴平行) 五轴数控机床的 后置处理功能。然而，近年来五轴数控机床运动轴的运动方式呈现出多样化发展 趋势，出现了一些带倾斜转台或者倾斜摆头的特殊结构五轴数控机床( 也称非正 交五轴数控机床) ，但c a d c a m 软件却没有提供这类特殊运动轴方式的后置处 理功能。因此，开发适合非正交五轴数控机床后置处理器是充分利用此先进加工 设备必不可少的环节。 针对合作企业里由德国d e c k e l 舢o 公司生产的d m u6 0 p 型非正交五 轴数控机床( 为特殊单摆头单转台结构) ，本文对其后置处理器进行研究与开发 并通过加工实验来验证。主要研究内容如下： 首先，借鉴正交五轴数控机床运动轴方式的后处理算法确定过程，通过三维 图形的坐标变换，通过详细的公式推导，把工件坐标系下的刀轴矢量和刀位点坐 标转变为机床旋转轴的旋转角度和机床坐标系下的坐标，即为d m u6 0 p 型非正 交五轴数控机床的后置处理算法。 其次，本文分别采用两种方法开发d m u6 0 p 型非正交五轴数控机床后置处 理器：一种是以t c l 为开发语言、u g p o s tb u i l d e r 为开发工具开发其专用 置后处理器：另一种采用c 语言编写适合此类非正交五轴数控机床的专用后置 处理程序。 再次，利用u g 洲部分对叶轮进行自动编程并生成刀位文件，然后用本 文开发的d m u6 0 p 非正交五轴数控机床后处理器对其进行后置处理且生成n c 程序，然后通过v e r i c u t 软件对叶轮进行虚拟仿真加工，从而验证d m u6 0 p 数控机床后置处理器的j 下确性。 最后，通过以企业里的d m u6 0 p 非正交五轴数控机床进行叶轮实际加工来 非正交五轴数控机床后置处理器的研发与应用 进一步验证本文开发后置处理器的正确性。 关键词：非正交五轴，刀位算法，u g p o s t ，后处理器，叶轮，数控仿真加工 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u t t e rl o c a t i o ns o u r c ef i l e ( c t s f 3w h i c hi n c l u d sa l lo fi n f o r m a t i o no fc u t t e rp a t h c a nb eo b t a i n e db yc o m m o nc a d c a ms o f t w a r e s , b u ti tc a n td r i v en u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n et om a n u f a c t u r e i no r d e rt om e e tt h es p e c i f i cn e e d so ft h es e l e c t e dn c m a c h i n ea n dn cs y s t e m ，c l s fs h o u l db ep o s t p r o c e s s e ds oa st og e tn cc o d ef o r d r i v i n gt h eg i v e nn cm a c h i n e n o w a d a y s ，c a d c a ms o f l w a r e so f t e na p p l i e di nd o m e s t i cf a c t o r i e sf o rf i v e - a x i s n ca u t o m o t i v ep r o g r a m m i n gm a i n l y s u p p l yp o s t p r o c e s s i n gf u n c t i o no n l yf o rs o m e k i n d so fo r t h o g o n a lf i v e a x i sn cm a c h i n e sw h o s er e v o l v i n go rs w a y i n ga x e sa r e p a r a l l e lt os t r a i g h tl i n ea x e s h o w e v e r , t h et r e n do fd i v e r s i f i c a t i o no fm o d eo fm o t i o n a x e so ff i v e - a x i sn cm a c h i n e sa p p e a r si nr e c e n ty e a r s s o m ek i n d so fs p c d a lf i v e a x i s n cm a c h i n e sw i t hd e c l i n i n ga n dr o t a t i o n a lt a b l eo rh e a d h a v e b e e n p u ti n t o a p p l i c a t i o n ，w h i c h a r ec a l l e d n o n - o r t h o g o n a l f i v e a x i sn cm a c h i n e s b u t g e n e r i c c a d c a ms o f t w a r e sc a n tp r o v i d ep o s t p r o c e s s o rf o rt h e s ep a r t i c u l a rm o d eo fm o t i o n a x e s a sar e s u l t , d e v e l o p m e n ta n dr e s e a c ho np o s t p r o c e s s o r sf o rt h e s et y p eo f p a r t i c u l a rf i v e - a x i sn cm a c h i n e sa r ea b s o l u t e l yn e c e s s a r yt ot h ef u l l 眦o ft h e s e a d v a n c df i v e a x i sn cm a c h i n e s a i m e da td m u6 0 pm o d e ln o n - o r t h o g o n a lf i v e - a x i sn cm a c h i n et h a th a sak i n d o fs p e c i a lo n e - t a b l ea n do n e h e a ds t r u c t u r em a d eb yd e c k e lm a h o c o m p a n yi n g e r m a n yi nt h ec o r p o m t e dc o m p a n y , t h ep o s t p r o c e s s o ro ft h i sk i n do fm a c h i n eh a s b e e nr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa t e d e s c r i b e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , b ym e a n so f3 - dg r a p h i c so fc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，o nt h eb a s i so ft h e d e d u c t i n gp r o c e d u r eo fp o s t p r o c e s s i n ga l g o r i t h mo fo r t h o g o n a lf i v e - a x i sn c m a c h i n e s m o t i o na x e s ，t h et o o la x e s v e c t o ra n dt h ec u t t e rl o c a t i o nc o o r d i n a t e so f d m u6 0 pm o d e ln o n - o r t h o g o n a lf i v e - a x i sn cm a c h i n ew e r et r a n s f o r m e di n t ot h e r o t a t i n ga n g l e so ft h er o t a r ya x e sa n dc o o r d i n a t e si nm c sr e s p e c t i v e l yi nd e t a i lb y d e d u c i n g t h a ti st os a y , t h ep o s t p r o e e s s i n ga l g o r i t h mo ft h i sk i n do fn em a c h i n ew a s o b t a i l i c di nt h i sd i s s e r t a t i o n m 非正交五轴数控机床后置处理器的研发与应用 二二_ 二。一 s e c o n d l y , t w ok i n d sm e t h o d so fd e v e l o p i n gp o s t p r o c e s s o ro fd m u 6 0 pm o d e l n o n - o r t h o g o n a lf i v e a x i sn c m a c h i n ew e r ea d o p t e di nt h i sp a p e r o n ew a sd e v e l o p e d b yu g p o s t b u i l d e r a st h e d e v e l o p m e n t t o o la n dt c la st h ed e v e l o p m e n t l a n g u a g e t h eo t h e rw a s d e v e l o p e db ycl a n g u a g et of i tt h i sk i n do fm a c h i n e t h i r d l y , ak i n do fi m p e l l e rw a sp r o g r a m m e db yu g c a ms o f t w a r et oc r e a t a l t 鼢l o c 撕o ns o l 眦f i l ew h i c hw a st h e np o s t p r o c e s s e dt og e tn cc o d eb yd m u 6 0 p m o d e ln o n - o r t h o g o n a lf i v e a x i sn cm a c h i n e sp o s t p r o c e s s o r i no r d e rt o t e s tt h e p o s t p r o c e s s o ra b o v e ，t h ei m p e l l e rw a s m a n u f a c t u r e dt h r o u g hs i m u l a t i o nb yv e r i c u t s o f t w a r e f i n a l l y , e x p e r i m e n to ni m p e l l e ri nd m u 6 0 pm o d en o n - o r t b o g o n a lf i v e - a x i sn c m a c h i n ew a sc a r r i e do u ti no r d e rt ov e r i f i c a t ed m u 6 0 pp o s t p r o c e s s o rw h i c hw a s d e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r o s ：n o n - o r t h o g o n a lf i v e a x i s ，c u t t e rl o c a t i o na l g o r i t h m ，u g p o s t b u i l d e r ， p o s t - p r o c e s s o r ，i m p e l l e r ，n cm a c h i n i n g s i m u l a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 1 1 1 数控加工技术概况 数控加工技术可提高加工效率、稳定加工质量、缩短加工周期、实现自动化 和易于实现现代化管理，从而加快产品的开发和更新换代，提高企业经济效益和 对市场的适应能力1 1 1 。五轴加工技术主要用来加工复杂自由曲面( 如叶轮、模具 等表面) ，具有高技术、高效率、高精度等特点，是机械加工领域的“制高点 【2 l 。 五轴数控加工技术涉及数控加工工艺和数控编程技术【2 】，复杂曲面的数控加 工需采用自动编程，即根据零件的几何造型，通过c a m 软件计算生成刀轨数据， 但为了满足特定数控机床的要求，还要对刀轨数据进行后置处理，方能生成驱动 此数控机床的n c 程序，然后才可将程序输入数控机床进行加工。因此，后置处 理是数控加工技术的关键技术之一，也是连接c a m 系统与数控机床的纽带1 3 1 。 1 1 2 五轴数控机床加工特点 常见五轴数控机床是由三个移动坐标轴和两个旋转坐标轴构成，可任意控制 刀具和工件间的相对位置，使得刀具轴线与工件表面的夹角和切削速度保持恒定 不变【4 l 。与三轴数控加工相比，五轴联动加工主要有以下优点【1 5 1 6 j ： 1 ) 加工复杂曲面时能有效避免刀具与加工表面产生干涉，且能加工三轴机 床难以加工的零件； 2 ) 对直纹面加工可采用侧铣方式一刀成型，加工表面质量好且加工效率高； 3 ) 对较大平坦表面加工，可用大直径端铣刀端面进行加工，使得走刀次数 少、残余高度小，提高了加工效率与表面质量： 4 ) 一次装夹可实现多个空间表面的加工，提高了各表面间相互位置精度； 5 ) 可使刀具相对于工件表面处于良好的切削状态，如用球头刀加工时可避 免底部切削； 6 ) 可采用较大尺寸的刀具避开干涉进行加工，使得刀具加工刚性好，可提 高加工效率和加工精度。 非正交五轴数控机床后置处理器的研发与应用 1 1 3 五轴数控加工技术的关键技术 五轴数控加工广泛应用于复杂曲面加工并实现高效、高精度、自动化力h i p ， 包含以下几个方面的关键技术： 1 ) 零件几何建模技术 加工复杂曲面需采用自动编程，首先要创建被加工零件的几何模型。建模技 术主要包括：曲线曲面创建技术、实体建模技术和特征建模技术等【1 】【1 0 l 。 2 ) 数控加工方案制定及工艺参数的合理选择 目的是在满足加工要求、保证机床正常运行和刀具寿命的前提下提高零件加 工效率【9 】。 3 ) 刀位轨迹的生成 刀位轨迹即为刀具的切削运动轨迹，决定了数控加工效率和加工质量。高质 量的刀轨不但要满足无干涉、光滑、效率高、分布均匀、加工误差小等要求，而 且生成算法还应具有通用性好、稳定性好、编程效率高等特点【1 1 。刀轨生成的主 要方法是等参数线法、截平面法、回转截面法、等残留高度法和投影法等【4 l 。 4 ) 数控仿真加工技术 为了避免在加工复杂零件时刀具与零件或夹具发生碰撞，应在实际加工前进 行虚拟加工仿真，即通过仿真软件模拟加工环境和加工过程来检验加工程序的正 确性，具有柔性好、成本低、效率高且安全可靠等特点f 1 】1 7 】。 5 ) 后置处理技术 后置处理是将c a m 软件生成的不含具体机床和数控系统信息的刀位数据转 换成能够控制特定数控机床运动的n c 程序1 1 l 【嘲。 1 1 4 五轴数控机床加工刀轴控制方式 五轴加工与三轴加工的本质区别在于：三轴加工的刀具轴线在工件坐标系中 的方向是始终是固定的( 与z 轴平行) ；而五轴加工的刀具轴线是不断发生变化 的，可以有效避免加工中可能存在的刀具干涉等问题，并且随曲面形状变化而进 行调整，从而获得高的切削效率和表面质量嗍。常见有以下几种刀轴控制方式： 1 ) 垂直于加工表面即刀轴在加工过程中始终平行于切触点的表面法向 矢量，使刀具底面紧贴加工表面来抑止切削行间的残余高度，从而减少走刀次数 和提高加工效率。该方式的加工方法称为端铣，常用于较大平坦的无干涉凸曲面 2 江苏大学硕士学位论文 加工【1 1 】。 2 ) 平行于加工表面即指刀具轴线或母线始终处于切触点的切平面内， 使铣刀的侧刃与工件曲面之间保持线接触，该方式的加工方法称为侧铣，可一刀 加工成型，加工质量好且加工效率非常高，最适合于直纹面的加工【1 1 l 。 3 ) 倾斜于加工表面即由刀轴矢量在局部坐标系中与坐标轴和坐标平面 所成的两个角度q 和y 来定义。前倾角q 为刀轴矢量与垂直于进给进给方向的平 面所成角度，可在端铣加工凹曲面时防止刀具与曲面干涉；倾斜角y 为刀轴与曲 面法向矢量的夹角【1 1 】。 1 2 后置处理技术的研究现状及面临的问题 五轴数控加工是指从复杂零件的图纸到获得合格产品的全过程，需采用 c a m 软件自动编程并计算出加工走刀中的各个刀位点( a d a t af i l e ) 。为解决自 动编程的编制问题，2 0 世纪5 0 年代，美国麻省理工学院( m ) 与美国各飞机 公司合作，研制了自动编程工具a p t 语言。在c a m 系统中，考虑到具体机床 的结构和系统不同以及c a m 编程的独立性，使得c a m 编程系统自动生成的刀 位文件相对于工件坐标系，这个过程称为前置处理( p r e p r o c e s s i n g ) ，前置处理 产生的是中性刀位文件，它包含的是数控加工时刀具经过各刀位点的坐标值以及 刀轴矢量等，而不考虑具体的数控机床结构和数控系统指令格式，从而可简化 c a m 软件，但是前置处理产生的刀位文件并不能驱动数控机床。因此，这就需 要设法把刀位文件转换成指定数控机床能识别且能够执行的数控程序，并输入到 机床才能进行零件的数控加工1 1 l 【1 3 1 。完成此转换功能的过程称为后置处理 ( p 0 s t p r o c c s s i i l g ) ，即将前置处理产生的刀位文件转变为指定数控机床能识别的 数控程序( n c 代码) 的过程。能进行后置处理过程的程序就是后置处理器 ( p o s t p r o c e s s o r ) 1 1 2 l 。 1 2 1 国外五轴后置处理技术的研究 自从m 1 1 r 设计a p t 数控语言后，后置处理器就成为自动编程的重要组成部 分。后处理采用批处理方式，利用汇编语言将前置处理语句与n c 程序段一一对 应。因此对于不同数控系统需要开发不同的后处理器，需要为每种数控机床开发 专用后处理器【1 3 1 【t 4 1 。 目前各种g 虹) i 拍m 系统基本上都配置了通用后处理模块【1 5 l 。例如美国参 3 非正交五轴数控机床后置处理器的研发与应用 数技术公司( p t c ) 的p r o e 系统采用的是p r o n c p o s t 后处理器；美国u n i g r p h i c s s o l u t i o n s 公司的u g 软件采用的是u 卯o s t 后置处理器；法国达索飞机公司的 c a t i a 系统采用的是i m s p o s t 后置处理器；以色列c i m a t r o n 公司的c i m a t r o ne 系统采用的是g p p 2 后置处理器等。虽然各种c a d c a m 系统的功能有强有弱， 但其中c a m 部分都包括五个基本模块：交互工艺参数输入模块、刀位轨迹计算 模块、刀位轨迹编辑模块、三维加工仿真模块和后置处理模块，其中后置处理模 块是c a d c a m 系统的一个重要部分旧【1 7 1 。 1 2 2 国内对于后置处理技术的研究 国内对后置处理理论与技术也进行了一定的研究，取得了一些研究成果。袁 哲俊【7 】对五轴数控机床的后置处理算法原理和后置处理配置文件参数进行了探 索和设计；陈涛，彭芳瑜，周云飞【1 7 】提出了适用于任意结构形式的多轴数控机 床模型、反求方法和对机床几何误差进行补偿的后置变换；张立波【1 8 】等提出了 一种基于配置文件的开放式数控编程通用后置处理模型，定义了配置文件的语法 规则，给出了配置文件的b n f 语言描述及相应的解释算法；程筱胜【1 9 1 等对南京 航天航空大学的超人g 虹) ( 二a m 系统的通用后置处理进行了研究；任学军，刘 雄伟i 刎研究了各种正交五轴数控机床的后置处理算法；韩向利【2 1 l 等对五坐标数 控机床的后置处理算法原理和后置处理配置文件参数进行了探索和设计；刘日良 1 2 2 1 等研究开发了五坐标数控机床转动轴与主轴成4 5 0 角情况下的后置处理；冯显 英【2 3 1 、丁勇、耿小强【2 4 j 等也针对特殊双转台结构的机床进行了后置处理算法研 究；周艳红【2 5 l 等提出通用后置处理实现数控机床几何误差软件补偿的原理和算 法。 国内学者还对主要的。址i ( a m 系统进行后置处理研究，研究其与数控系 统和机床相结合来解决了一些有关数控加工问题；邓奕【硐等总结了m a s t e r c a m 后 置处理方法，叙述了刀位源文件n d 的组成和机床配置文件p s t 的结构，探讨了 n c i 和后处理器之间的信息处理与代码转换；明兴祖【2 7 1 在介绍了m a s t e r c a m 后置 处理系统的组成和结构基础上探索其开发过程：吕风刚船】研究了基于u g o p e n g r i p 下的d m u 7 0 v 特殊双转台数控机床后置处理并开发其专用后处理程序；周 莹剥2 9 1 利用u gn x 为工具开发五轴联动高速铣削加工中心后置处理程序：王启 富【蚓等利用c 语言编写了针对k p u 3 0 0 0 五轴数控加工中心n c 专用后置处理程 4 江苏大学硕士学位论文 序；陈辉等1 3 1 】利用u g p o s t b u i l d e r 开发工具开发了并联机床的后处理器；赵世田 等【3 9 】利用u g p o s t b u i l d e r 开发工具开发了d m u7 0 e v 特殊结构五轴数控机床专 用后置处理器。 1 2 3 后置处理技术面临的问题 由于数控机床的结构、c a d c a m 系统和数控系统多种多样，从而导致后 置处理面临以下问题 3 z l ：1 ) 刀具路径文件格式的多样性；2 ) n c 程序格式的多 样性：3 ) 技术需求的多样性。因此，要针对每一台数控机床的特性定制其专用 后处理器，使得经后处理器生成的n c 程序不需经过手工修改而直接驱动特定数 控机床进行加工。 虽然通用后置处理系统是今后发展的方向，但在目前真正完全通用于任何数 控机床的后置处理器几乎没有【3 3 1 ，因为通用后置处理是以标准刀位数据以及通 用的数控指令为前提的基础上进行开发的【1 1 ：3 4 1 。国际标准化组织、美国国家标准 协会和电子工业协会对刀位文件、后置处理语句和数控指令格式都设定相应的标 准，但各数控系统生产厂商为了竞争的需要而采用不尽相同的标准网。有些数 控系统的扩展功能已经超出了前置处理刀位数据的规定格式，如样条曲线、渐开 线等，而目前的通用后置处理系统还仅仅考虑直线和圆弧【3 6 】，多数采用离散直 线插补来逼近工件轮廓，对复杂的零件而言就易导致生成的数控程序量就会很大 【韧，而且五轴数控机床加工时由于旋转轴的旋转产生摆动误差( 即非线性运动 误差) 3 8 1 1 4 3 1 ，同时由于通用后置处理系统总是跟不上数控系统和数控机床的更 新换代，从而导致新型数控机床和数控系统功能的利用率大打折扣。因此需要进 一步研究特定五轴数控机床的后置处理，并开发其后处理器，充分发挥特定五轴 数控机床的先进功能。 1 2 4 后置处理器开发的方法 1 ) 利用高级语言( 如c c 语言等) 编写程序将刀位文件转换成n c 代码， 特点是程序编制灵活但难度较大； 2 ) 软件供应商提供一个交互式后处理书写器，根据具体数控机床特性用户 通过回答问题的方式创建其专用后处理器，特点是简单方便但灵活性差； 3 ) 软件供应商为用户购买的特定数控机床和数控系统提供专用后置处理器， 特点是无需用户开发但需要用户花钱定购； 5 非正交五轴数控机床后置处理器的研发与应用 4 ) 软件供应商提供一个后处理器开发工具，用户根据其提供的语法法则开 发特定数控机床的专用后处理器，特点是此开发方法既灵活又简便1 3 6 1 6 1 】。 本文主要采用第四种方法利用u g p o s t 为开发工具开发d m u6 0 p 型非正交 五轴数控机床专用后处理器，并用第一种方法采用c 语言编制其专用后置处理 程序。 1 3 课题的研究内容及意义 常见的五轴机床结构是旋转轴或摆动轴与直线轴平行，这类五轴机床称之为 正交五轴数控机床。针对正交五轴数控机床，大量学者已经开展了相关的后置处 理方法研究，到目前为止，此类机床后置处理算法研究己基本成熟，而且常用的 g 缸 ( 、a m 软件一般都会提供这种正交五轴数控机床所需后置处理功能。 但是，近年来五轴数控机床运动轴的方式呈现出多样化发展趋势，出现了一 些带倾斜转台或者倾斜摆头的特殊结构五轴数控机床( 也称之为非正交五轴数控 机床) ，比如德国d e c k e lm a h o 公司的d m u x x v 系列是一种特殊双转台五 轴数控机床，d m ux x p 系列是一种特殊单摆头单转台非正交五轴数控机床，而 这些特殊结构的五轴数控机床为比较先进的加工设备，常见的a 虹) ( 二a m 软件 都没提供这类特殊运动轴方式的后置处理功能，这就需对这些非正交五轴数控机 床的后处理器进行研究和开发，才能充分发挥它们的先进功能和加工效率。 目前，国内许多学者对d m ux x v 型特殊双转台非正交五轴数控机床后处理 算法进行研究并对其后置处理器进行开发，但对d m ux x p 型非正交数控机床后 置处理器进行研究甚少。为解决合作企业购买的d m u6 0 p 非正交五轴数控机床 由于没有购买五轴联动后置处理器而导致功能不能充分被利用等问题，本文针对 这种特殊单摆头单转台结构非正交五轴数控机床的后置处理器进行研究与开发， 研究内容如下： 1 ) 归纳总结两种正交五轴联动数控机床( 双转台、双摆头) 的结构、特点、 应用场合和后处理算法，为推导非正交五轴数控机床的后处理算法作铺垫： 2 ) 针对d m u6 0 p 型非正交五轴机床的特殊结构，从三维图形入手，借鉴 其它运动轴方式的后处理算法过程，通过详细的推导，得出了其后置处理刀位算 法。为其它类型运动轴旋转方式的后置处理算法提供了解决思路，具有一定的参 考价值。 6 江苏大学硕士学位论文 3 ) 以t c l 语言为开发语言和u g p o s t 为开发工具开发d m u6 0 p 非正交 五轴数控机床的专用后置处理器，解决了企业从设计到制造过程中的瓶颈。并根 据推导的刀位算法，用c 语言编制其专用后置处理器，从而对其它类型五轴数 控机床后置处理器的开发具有一定的参考价值和工程应用价值。 4 ) 利用u g 洲对整体叶轮自动编程并生成刀位文件，再经本文开发的专 用后处理器生成n c 程序，然后利用v e r i c u t 软件对叶轮的加工过程进行模拟 仿真加工并对n c 程序进行校验，最后通过叶轮加工实验进一步证明本文开发的 非正交五轴数控机床专用后置处理器的正确性。 1 4 论文组织结构 第一章 绪 论 第二章 五轴联动数控机床及 其后处理算法研究 第三章 非正交五轴数控机床后置 处理器的研究与开发 课题研究的背景 后处理研究现状及面临的问题 课题的研究内容及意义 ：交五轴数控机床的结构及后处理算法 非止交五轴机床的结构及后处理算法 后处理的概述及u g p o s t 后处理技术 刀位源文件及数控程序格式 d m u6 0 p 专用后处理器的开发 7 非正交五轴数控机床后置处理器的研发与应用 第二章五轴数控机床及其后置处理算法研究 2 1 正交五轴联动数控机床的结构及特点 2 1 1 双摆头型五轴数控机床 这种类型是指两个转动轴都作用于刀具上且之间相互垂直。特点是主轴加工 非常灵活，机床操作也比较方便，但摆动机构设计较复杂、刚性较差，广泛应用 于大型龙j 、j 式数控机床。如图2 - 1 所示为双摆头五轴数控机床及其示意刚3 8 1 。 图2 - 1 双摆头五轴数控机床及其示意图 f i 9 2 1s k e t c ho ff i v e a x i sn c m a c h i n ew i t hd u a l - h e a d 2 1 2 双转台型五轴数控机床 这种类型是指两个转动轴都作用在工作台上且之问相互垂直，特点是主轴结 构简单，工作台刚性好且一i ：艺范围广，但j i ：作台不能承受较大重量的零件，广泛 应用于中小规格数控机床且用于加工重量不大的零件【翊。如图2 2 所示为双转台 t i 轴数控机床及其示意图。 8 图2 - 2 双转台五轴数控机床及其示意图 f i 9 2 2s k e t c ho ff i v e a x i sn cm a c h i n ew i t hd u a l t a b l e 江苏大学硕士学位论文 2 2 非正交五轴数控机床的类型及特点 为了扩人加l ：范幽、捉i 岛机床加工刚性和便f 排屑等索，t i j ；i l j 数控机j 术运 动轴的力。式j t i 现出多样化发展趋辨，m 吲 倾斜转台或者倾斜摆头的特殊结构m l 卜交五轴联动数控机床相继得剑了应用【3 9 】【柏1 。 2 2 1 非正交双转台五轴数控机床 该类型j i c i h 数控机床的定轴( b | jb 轴) 绕欠酸( 0 11 ) 旋转，如德国d e c k e l m a h o 公订的d m ux x v 型机床( 如d m u 5 0 v 硐1d m u 7 0 v 型等) 。优点足1 4 0 1 4 1 】： 1 ) 4 5 0 斜嘶接触面最大，央紧力较大；2 1 凶旋转心彳 受力，保证了加工精度； 3 1 i ：件可赢卧转换，使得铁屑和冷却液可自动排除。如图2 3 所示为非正交双转 台丘轴数控机床及其示意刚4 2 1 。 图2 - 3 非正交双转台五轴数控机床及其示意图 f j 9 2 3s k e t c ho fn o n - o r t h o g o n a lf i v e a x i sn cm a c h i n ew i t hd u a l t a b l e 2 2 2 单摆头单转台非正交五轴数控机床 德【日d e c k e lm a h o 公司生产的d m ux x p 型_ f i 轴数控机床( 如d m u 6 0 p 和d m u 2 0 0 p 等) 是1 种啦摆头瞥转台结构非i f ：交 轴数控机床。川具定轴b 轴 1 jz 轴成4 5 0 ，即差轴绕欠星( 011 ) 旋转，当刀具绕b 轴旋转0 0 时为初始状 态，此时卡轴垂直一l ：作台，当刀具绕b 轴旋转到1 8 0 0 时，刀轴与工作台，甲行， 故町实现一移卧加：1 ：转换。如| f j2 4 所j 为i ：交咿摆头单转台“轴数控机未及j e j 意图。 2 3 正交五轴数控机床后置处理算法 f j 动编秤生成的刀位数据足榭对r f 件啦标系的刀位坐标和刀轴欠最，后胃 o t t 止交五轴数控机床后置处理器的研发与应用 处理功能就是将它们转换成为机床坐标系下的坐标。虽然不同类型的数控机床转 换方法不同，但从数学角度来看，其本质就是把工件坐标系下的刀轴矢量和刀心 点坐标分别转变为机床旋转轴的旋转角度和机床坐标系下的坐标【蚓【3 9 】【删。 图2 - 4 单摆头单转台非正交五轴数控机床及其示意图 f i 醇_ 4s k e t c ho fn o n - o r t h o g o n a lf i v e a x i sn c m a c h i n ew i t hs i n g l eh e a da n ds i n g l et a b l e 2 3 1 双转台五轴数控机床运动求解 设工件坐标系为o j t y z ，工件绕x 轴摆动a ( 0 a 9 0 。) 角，绕z 轴转动c ( 0 c 1 ) ( a x o ，哆= o ) ( a x 0 ，哆 o ) ( q = 0 丐 0 ) k o q = o ) ( q 1 8 0 。，则 = 。3 6 0 。如果a 2 - a 1 i 后置处理器j 令数控机床 2 、c a m 加上刀路规划 、一一一一 f i s 3 。1f l o wc h a r to fp r o d u c t i o nd e s i g na n dm a n u f a c t u r e 3 1 2 后置处理的过程及其主要任务 后置处理起到解释执行的作用，即当后置处理器每读出刀位源文件中的一个 完整的刀位数据，便分析该数据的类型，然后判断是进行坐标变换还是进行文件 代码转换，再根据所选数控机床的特性进行坐标变换或文件代码转换，生成一个 完整的数控程序代码段，并写到数控程序中去，直到刀位文件处理结束1 1 1 4 s 。可 用图3 2 所示的后处理流程框图来表示。其具体任务为：机床运动变换、非线性 运动误差校验、进给速度校验和数控加工程序生成1 4 9 1 1 5 0 。 1 9 非正交五轴数控机床后置处理器的研发与应用 f i g 3 - 2f l o wc h a r to fp o s t p r o c e s s i n g 3 1 3 五轴后置处理程序开发的两种方法 1 ) 刀具中心位置编程处理 在用带有摆头结构的五轴数控机床加工工件时，需测量刀具刀位中心到旋转 轴中心的距离，即转轴距离( p i v o td i s t a n c e ) ，后置处理器根据转轴距离和坐标转 动值来计算x 、y 、z 的直线坐标补偿值，以确认刀具中心处于所期望的位割4 8 l 。 应用该方法进行后置处理时，必须保证后置处理器里设定的转轴距离数值等于机 床的实际转轴距离。当刀具的长度发生变化时，则需要重新设置后处理器的转轴 距离并重新生成新的加工程序【4 9 l 。 2 ) 旋转轴中心编程处理r t c p ( r o t a t i o n t o o lc e n t r ep o i n t ) 采用r t c p 功能可对五轴数控机床后置处理进行简化。其后置处理的算法 是：在得到刀具运动轨迹的基础上，数控系统会保持刀具中心始终在被c a m 软 件编程的x 、y 、z 位置上。转动轴坐标的每一个运动都会被x 、y 、z 坐标的 一个直线位移所