（机械工程专业论文）基于ug的五轴加工中心的后处理.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的发展，机械制造业也将扮演越来越重要的作用，而机械制工 业未来的发展方向之一就是数字化制造。而利用数控机床来加工越来越复杂的机 械零件，则成了数字化制造中的一个重要组成部分。 利用数控机床来加工各种机械零件，最重要的就是根据零件的外形来编制机 床能够识别的加工程序。编制程序一般有两种方法，首先是利用手工方法来编制 程序，而该方法不能用来加工形状复杂的零件；其次是利用计算机以及c a m 软 件来编制加工程序。 现在利用c a m 软件来编制加工程序的的方法越来越得到广泛的使用，在 利用c a m 软件编程时，只能得到刀具的路径，而只有将这些刀具路径转换成机 床可以识别的n c 代码，才能用来加工零件。 机床的种类越来越多，功能也越来越各异，因此要求c a d c a m 软件提供 一种力能的，能够根据各种不同机床性能要求，将其刀具路径转换成机床可以识 别的n c 代码，是非常困难的，特别是五轴加工的机床，其要求特别复杂，因 此需要根据机床的特殊要求，制作专门的后处理程序。 d m u 5 0 v 是德国德码吉( d e c k e l m a h o ) 公司生产的五轴加工机床，某 公司引进该机床后，一直采用人工编程的方法进行加工，使得该机床的性能无法 发挥出来，同时也限制公司的加工能力。而通过使用u g 就能够很好地解决这个 问题。本论文的主要内容如下： ( 1 ) 研究五轴机床的结构类型及参数；对各类五轴机床进行后处理运算， 特别是特殊双转台机床d m u 5 0 v 的计算。 ( 2 ) 基于u g 五轴后处理的参数设置制作d m u s o v 的后处理文件。 ( 3 ) 根据某一产品零件要求进行编制加工工艺，编制加工程序，并加工出 合格的零件，以验证后处理软件。 ( 4 ) 提出继续研究的方向 关键词：五轴机床；后处理；联动加工；c a d c a m a b s t r a c t a b s t r a c t w i t he c o n o m yg r o w i n gi no u rc o u n t r y , m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gw i l lb em o r e a n dm o r ei m p o r t a n t d i g i t a lm a n u f a c t u r i n gi so n eo ft h et r e n d si nt h em e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y o n ei m p o r t a n tp a r t o fd i g i t a lm a n u f a c t u r i n gi s 出垃 m a n u f a c t u r i n gm o r ec o m p l i c a t e dp a r t sw i t hn c m t ( n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et 0 0 1 ) t h ek e yo fm a n u f a c t u r i n gp a r tw i t hn c m ti st h ep r o g r a mw h i c hs h o u l db ea b l e t or u ni nm a c h i n e s t h e r ea r et w om e t h o d s o f m a k i n gp r o g r a m s o d ei sm a n u a lm a d e ， w h i c hc a l ln o tb eu s e df o rm a n u f a c t u r i n gc o m p l i c a t e dp a r t ；t h eo t h e ri sm a k i n g p r o g r a m sb yc o m p u t e ra n dc a ms o f t - w a r e ，w h i c hi sw i d e l yu s e d o n l yt h et o o lp a t hc a nb eg o tb yc a m s o f t w a r ei nc o m p u t e r ，s ow eh a v et oc r e a t e n cc o d eb yt o o lp a t hr u n n i n gi nm a c h i n et om a n u f a c t u r ep a r t t h e r ea r eav a r i e t yo fm a c h i n e sw i t hd i f f e r e n tf u n c t i o n s b u ti ti sd i f f i c u l tt o p r o v i d eaw i d e l yu s e dk i n do fn cc o d er u ni nd i f f e r e n t - f u n c t i o nm a c h i n ec r e a t e d a c c o r d i n gt o t o o lp a t h ，e s p e c i a l l yi n5 - a x i sm a c h i n e ，c o m p l i c a t e dn cc o d e sa r e r e q u i r e d s ow eh a v et om a k et h es p e c i a lp o s tp r o c e s sp r o g r a m sb yt h es p e c i a l r e q u i r e m e n to fm a c h i n e a f t e rt h e5 - a x i sd m u 5 0 vm a d eb yd e c km a h oi ng e r m a n yw a si m p o r t e d t oac e r t a i nc o m p a n y , s of a ra 1 1t h en cp r o g r a m sh a v e b e e nm a n - m a d e ，s on o ta l lt h e e x c e l l e n tf u n c t i o n sc o u l db eu s e da n dt h ep r o d u c t i o np o w e ro ft h ec o m p a n yh a sb e e n l i m i t e d n o ww ec a ns o l v et h ep r o b l e me a s i l yb yu gs o f t w a r e t h et a s ki sa st h e f o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ep o s t p r o c e s sr e q u i r e m e n t i s p u t f o r w a r da f t e r a n a l y z i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c so fm a n u f a c t u r i n gc e n t e ra n dt h em e c h a n i s mo fw o r k t a b l ei n5 - a x i s d m u 5 0 v ( 2 ) t h es p e c i a lp o s tp r o c e s ss u i t a b l et ot h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a c h i n e w i l lb em a d eb yu gs o f t w a r e ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h er e q u i r m e n to fae l e m e n to fp r o d u c t s d e s i g er e a s o n a b l e p r o c e s s i n gt e c h n i c s ，w e a v ep r o c e d u r e sf o rp r o c e s s i n ga n dp r o d u c eq u a l i f i e de l e m e n t t ov e r ft h ep o s t ( 4 ) p r o p o s et h ed i r e c t i o no fc o n t i n o u sr e s e a r c h k e yw o r d ：5 - a x i sm a c h i n i n gt o o l ；p o s tp r o c e s s i n g ；c o n n e c t i o n ；c a d c a m i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包舍 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 签 导彳趴别 、 ， 。) 日 期： o q 一弓l o 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景及研究的意义 随着多轴数控机床的广泛应用，越来越多的企业发现，多轴编程工作已经成 为了影响加工效率的一个瓶颈。 首先我们先来了解一下产生这个瓶颈问题的根源。多轴加工准确地说应该是 多坐标联动加工。当前大多数控加工设备最多可以实现五坐标联动，这类设备的 种类很多，结构类型和控制系统都各不相同，在三坐标铣切加工和普通的两坐标 车削加工中，作为加工程序的n c 代码的主体是众多的坐标点，控制系统通过坐 标点来控制刀尖参考点的运动，从而加工出需要的零件形状。在编程的过程中， 我们只需要通过对零件模型进行计算，在零件上得到点位数据即可。而在多轴加 工中，不仅需要计算出点位坐标数据，更需要得到坐标点上的矢量方向数据，这 个矢量方向在加工中通常用来表达刀具的刀轴方向，这就对人们的计算能力提出 了挑战。目前这项工作最经济的解决方案是通过计算机和c a m 软件来完成，众 多的c a m 软件都具有这方面的能力。但是，这些软件在使用和学习上难度比较 大，编程过程中需要考虑的因素比较多，能使用c a m 软件编程的人员成为了多 坐标加工的一个瓶颈因素【7 】。 其次，即使利用c a m 软件，从目标零件上获得了点位数据和矢量方向数据 之后，并不代表这些数据可以直接用来进行实际加工。因为随着机床结构和控制 系统的不同，这些数据如何能准确地解释为机床的运动，是多坐标联动加工需要 着重解决的问题。这里我们首先来看看不同的机床结构对加工程序的影响。我们 以五坐标联动的铣切设备为例，从结构类型上看，分为双转台、双摆头、单摆头 单转台三大类，每大类中，由于机床运动部件的运动方式的不同而有所不同。 例如，就拿直线轴z 轴为例，对于立式设备来说，人们编程时习惯以z 轴向上 为正方向，但是有些设备是通过主轴头固定而工作台向下移动，产生的刀具相对 向上移动实现的z 轴正方向移动，又有些设备是工作台固定而主轴头向上移动， 产生的刀具向上移动。在刀具参考坐标系和零件参考坐标系的相对关系中，不同 的机床结构对三坐标加工中心没有什么影响，但是对于多轴联动的设备来说，就 不同了，这些相对运动关系的不同对加工程序有着不同的要求。其次，由于机床 控制系统的不同，刀具补偿的方式和程序的格式也都有不同的要求。因此，仅仅 江南大学专业硕i j 学位论文 利用c a m 软件计算出点位数据和矢量方向并不能真正地满足最终的加工需要。 这些点位数据和矢量方向数据就是编程人员常常提到的前置文件。我们还需要在 后期，利用另外的工具将这些前置文件转换成适合机床使用的加工程序，这个工 具就是人们常说的后处理【1 】( 见图卜1 ) 。 图卜1 后处理的作用 数控编程后置处理程序开发，是将c a m 软件生成的刀位轨迹转化为适合数 控系统加工的程序，通过读取刀位文件，根据机床运动结构及控制指令格式，进 行坐标运动变换和指令格式转换。它包含机床坐标运动变换、非线性运动误差校 验、进给速度校验、数控程序格式变换及数控程序输出等方面的内容。只有采用 正确的后置处理系统，才能将刀位轨迹输出为相应数控系统机床能正确进行加工 的数控程序，因此编制正确的后置处理程序是数控编程与加工的前提条件之一。 后处理程序的开发可大量节省数控程序编制时间，减少数控程序的错误，在提高 数控程序的编制效率和程序质量的同时提高产品的生产效率和质量。 对于大多数c a d c a m 软件来说，都带有自己的后置处理的程序，但是这 些后置处理的程序一般是通用的，对于一些典型的加工中心，特别是三轴加工中 心来说是适用的。然而，随着机床工业的发展，机床的型号、尺寸、结构形式以 及控制系统变得越来越多，特别是五轴加工中心，其式样的变化更大，同时也由 于五轴的编程也比较复杂，因此要求c a m 软件提供万能的，可以适合各种类型、 结构的机床使用的后置处理的程序是很困难的。一些专门做c a m 软件，尽管它 们带有自身的后置处理软件库，但是也不能满足所有的五轴加工中心的需要，更 不用说面对不断出现的新式加工中心。 因此，对从事机械制造，特别是数控加工技术人员来说，为新出现的加工 中心，特别是新型五轴加工中心制作专用后置处理程序就显得尤为重要。对于一 些典型的加工中心，对其制作专用的后置处理程序也能够提高工作效率，增加在 实际工作的安全性。 2 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 目前，国内外常用的后置处理方法主要有以下两种： ( 1 ) 利用c a d c a m 软件的通用后置处理模块，定义数控机床的运动方式， 通过选取c a d c a m 软件提供的机床标准控制系统，定义某一类型或某台数控 机床的后置处理，如c a t a 的p p b u i l d 模块，u g 的u g p o s t 模块等。【2 】 ( 2 ) 利用c c + + 、t c l ( t o o lc o m m a n dl a n g u a g e ) 等计算机语言， 按数控机床的运动方式和控制系统的编程规范，归纳出计算空间点坐标的数学公 式，通过编制专用的后置处理程序并生成可执行文件，定义数控机床的后置处理。 第( 1 ) 种方法，其特点是操作简单，对后置处理模块定义人员的数控专业 技能要求不高，缺点是灵活性较低，满足对程序格式有特殊要求的能力低。 第( 2 ) 种方法，其特点是，能够满足机床对程序格式的各种特殊要求，针 对性强，能够完全保证数控操作设计与n c 程序的符合性，缺点是需编写后置处 理的计算机程序，第一次开发工作量大，需软件开发人员和数控编程人员共同完 成。 1 3 后置处理的发展趋势 现在，国内外机床工业特别是数控机床的发展很快，各种新型的结构的机床 不断涌现，后置处理同机床的结构有着本质的联系，只有了解机床结构的发展形 式，【4 】才能对后置处理发展趋势作出准确的判断。 机床，特别是数控机床机床的发展有以下的趋势： ( 1 ) 更多轴的数控机床将不断出现。 随着制造也技术的迅猛发展，将会出现比五轴机床更多轴的加工中心，这样， 利用u g 、p r o e 等c a d c a m 软件提出新的要求。 ( 2 ) 复合加工中心的使用 为了更高地提高劳动生产率，机床，特别是加工中心将会模糊车与铣的界限， 一台机床，既有铣加工的功能，又有车加工功能。甚至还有齿轮加工的功能。【6 】 ( 3 ) 多工位加工中心 现在，五轴加工中心一般都是单工位，也就是一个工作台，后置处理的制作 也是围绕一个工作台进行的，多工位加工中心的出现使得现在后置处理的制作方 法变的不可能进行。 ( 4 ) 并联机床的投入使用 3 江南大学专业硕i ：学位论文 并联机床与目f i l l 所使用的所有机床都不相同，它是一种新概念机床，传统 的串联机构机床，是属于数学简单而机构复杂的机床，而相对的，并联机 构机床则机构简单而数学复杂，整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运 算，因此虚拟轴并联机床是一种知识密集型机构。这种新型机床完全打破 了传统机床结构的概念，抛弃了固定导轨的刀具导向方式，采用了多杆并 联机构驱动【2 1 1 。而将来这样的机床的后置处理将是一个复杂的技术难题。 将来后置处理的技术将会同新的计算机计算软件密切集合。任何复杂结 构的机床都有相应的计算方法【引，通过这样计算就会将复杂的问题变的简 化，数控技术人员只要输入机床的结构类型、相应参数就可以得到所想要 的后置处理软件。 1 4 本课题主要的研究对象 五轴力n - f _ 中心在目前是比较复杂的的加工中心，其机床的结构多种多样， 但是，无论其结构是多么的复杂，总有规律可寻，本课题研究的是将各类五轴加 工中心进行分类，研究其结构的特点，以及相应的后处理。 1 5 本课题的主要任务 通过对五轴加工中心的分类，研究其各类机床的结构特点，在讨论各类机 床的后置处理计算的基础上，制作特殊双转台加工中心( d m u 5 0 v ) 的专用后置 处理文件，并在研究一零件加工工艺的同时，利用d m u 5 0 v 五轴加工中心加工 出该零件，以验证该后置处理文件。 4 第- 二章五轴加工中心的结构类型及参数 第二章五轴加工中心的结构类型及参数 2 1 铣加工中心的分类 如果按照轴数来区分，铣加工中心一般分为三轴、四轴、五轴等几种。 三轴加工中心一般是立式加工中心，机床只有x 、y 、z 三个方向的直线运 动，三轴联动可以加工一般复杂的零件，使用u g 软件编程比较容易，可以直接 使用u g 自身的通用后处理来生成n c 文件来加工，用u gp o s t - b u i l d e r 制作其 专用后处理也比较简单【4 】。 四轴加工中心一般有立式、卧式两种，与三轴加工中心相比，除了x 、y 、 z 三个方向的直线运动外，还有一个旋转运动，四轴加工中心的旋转运动一般是 绕x 轴( a 轴) 或y 轴( b 轴) 运动，在使用u g 编程时一般也能直接使用 u g 自身的通用后置处理来生成n c 文件，但是需要根据机床性能对n c 文件 进行修改后才能使用，可以直接用u gp o s t b u i l d e r 菜单制作其专用后置处理。 2 2 五轴加工中心类型 随着机械工业的发展，机械零件将会变得越来越复杂，象一些模具类或类似 模具的零件用三轴加工中心来加工的缺陷表现的越来越明显。现代模具加工普遍 使用球头刀具来加工，球头刀具在模具加工中带来的好处非常明显，但是如果用 三轴立式加工中心的话，其底面的线速度为零，这样底面的加工效果就很差，如 果改用四轴、五轴加工中心就可以克服以上的不足。 对于特别复杂，或形位公差要求比较严格的复杂零件加工，在某种情况下要 求一次装夹就要完成加工的的话，使用四轴加工中心加工也不能满足要求，这时 就需要使用五轴加工中心。 使用五轴机床加工复杂零件，可以减少夹具的使用数量，降低刀具成本，提 高零件的加工精度。 但是五轴加工中心的结构一般比较复杂，与一般的三轴加工中心不同的是， 除了x 、y 、z 的直线运动之外，还有二个旋转运动。 五轴机床的机构一般是由头部的摆动和工作台的转动组成，因此，五轴机 床的形式繁多，达几百种之多，但是尽管五轴数控机床的结构千变万化，其基本 的、最常见的形式按照其结构特点的不同可分为三大类： 2 2 1 双转台机床( d u a l - t a b l e ) 5 江南 学寺n 预j j 学位论文 双转台机床( 如图2 - i 所示) ，除了x 、y 、z 三个方向的直线运动外，机 床的两个旋转运动是由工作台分别绕x 轴( a 轴) 和z 轴( c 轴) 组成。刀 轴( 工作头) 沿z 轴作上下运动。 由于双转台机床的刚性好，而且旋转坐标有足够的行程范围，工艺性能好， 所以，目前大多数加工中心( 五轴联动) 都采用这一结构。 双转台机床使用u g c a m 加工编程时，部分可以使用u g 自身通用后置处 理生成的n c 代码加工零件，有时需要将n c 代码作少许改动就可以直接使用。 双转台机床属于标准形式机床，可直接使用u g p o s t - b u i l d e r 菜单制作其专用 后处理。 广_ _ 卜正| 卜麓一| 图2 一l 双转台机床 2 2 2 捶头厦特台机床( h o a da n dt a b l e ) 摆头及转台机床( 如图2 _ 2 所示) ，除了x 、y 、z 三个方向的直线运动外， 机床的两个旋转运动是由工作台绕z 轴( c 轴) 以及工作头绕y 轴( 或x 轴) 组成。刀轴( 工作头) 沿z 轴作上下运动。 摆头及转台机床五轴加工使用比较灵活，刚性介于双转台与双摆头之间，也 是一种常用的五轴机床的结构形式。 在使用u g c a m 作五轴加工编程时，部分可以使用u g c a m 自身通用后处 理生成的i c 代码加工零件，有时需要将n c 代码作少许改动才可以使用。 同双转台机床一样，摆头及转台类五轴加工中心也属于标准形式机床，可直 接使用u gp o s t - b u i l d 呵菜单制作其专用后处理。 第章轴加t 中。的结掏粪肇参数 幽2 - 2 摆头及转台机床 2 2 3 双摆头机床( d u a l h e a d ) 双摆头机床( 如图2 - 3 所示) 也是一种常见的血轴加工中心，它届于刀具摆 动型，其两个转动轴都作用于刀具上，该类机床运动灵活但摆动机构结构较复 杂一般h 0 性较差。 该类机床也属于标准形式的五轴加工中心，同前面两种机床一样，枉使用 u g c a m 编程加工零件时部分l 叮以使用u g 自身通用后处理生成的n c 代码加 工零件，有时需要将n c 代码作少许改动才可以使用。 同双转台和摆头及转台机床一样双摆头五轴加i ：中心也属于标准形式机 床可直接使用u gp o s t - b u i l d e r 菜单制作其专用后处理。 大多数五轴加工中心都属于这三类，也有一些五轴加工中心如德国d m g 公司生产的d m u x x x 系列的加工中心就比较特殊，它们是一种特殊双转台五 轴加工中心也是一种立式机床。 在使用u g c a m 作加工编程时该机床不能直接使用由u g 自身通用后置 处理生成的n c 代码加工零件，也不能单独使用u gp o s t b u i l d e r 菜单制作其专 用后处理。 南大学专n 预l 学位论文 图23 双摆头机环 23 本幸小蛄 轴加工中心的结构类型多种多样，但是无论结构怎样变化都是有规律可 以寻找的，它们的转动轴一般由二处机构来实现：一是头部( 刀轴) 的摆动，另 外是工作台的转动。本章总结了五轴加工中心的类型，他们由三种： 双转台型：全部转动轴均由工作台的转动来实现 摆头及转台型：转动轴由刀轴和工作台的转动组合来实现 双摆头型：全部转动轴均由刀轴的转动来实现。 第二三章五轴加工中心后置处理的运算 第三章五轴加工中心后置处理的运算 随着各种新型数控系统和特殊结构机床的不断涌现，通用后置处理系统总是 落后于数控系统及设备硬件的发展，这就使得新型数控机床特性功能的利用受到 严重的影响：因此针对特殊结构或采用特殊数控系统的数控机床开发专用后置处 理器具有重要的现实意义和工程应用价值。 3 1 双转台五轴加工中心坐标转换 目前，五坐标双转台加工中心可分为两大类，一类是回转台上带旋转台( 图 3 - 1 所示) ，另一类是旋转台上带回转台( 图3 - 3 所示) 。首先，先假定工件坐标 系与机床坐标系各轴的方向一致，然后我们再分别研究两类双转台机床的坐标 转换关系。 图3 1 第一类双转台秽l 床 第一类双转台机床各轴位置关系如图3 - 2 所示，因为旋转轴1 与旋转轴2 不一定相交，所以我们在两轴的投影交点处构造了转换坐标o x y z ，并且两旋转 轴在z 轴方向的位置矢量已知，分别为豆、豆。如果工作台绕两轴分别旋转a 角 和b 角后，使得刀轴矢量方向与z 轴方向相同，那么旋转后刀心位置可写成随卜 r t 户= 厨( 恳一露) 天，( 云) 露( 丘一豆) j i x ( j ) ( 露一豆) 声 式中露( 丘) 是向量声决定的移动矩阵灵x ( q ) 是向量绕k 轴旋转q 角的旋 转矩阵。 a2a r c t g ； ( 3 一) b = 一a r c s i n ( t x )( 3 2 ) 公式中t x 、t y 、t z 为刀轴在x 、y 、z 轴上的方向矢量 江南人学专业硕上学位论文 z “5 ， 图3 - 2 第一类叔转台机床各轴位置关系 第二类双转台机床各轴位置关系如图3 4 所示由于两个旋转轴在工作台上 没有交点，所以我们在轴1 与工作台台面的交点处构造了0 x y z 转换坐标系， 并且已知旋转轴2 与y o z 平面的交点及工件坐标原点在转换坐标系中的位置 向量分别为p 。、p o 。如果工作台绕两轴分别旋转a 角和c 角，使刀轴与z 轴方 向相同，那么旋转后刀心位置可用下式表达出： p = m ( p 2 一只) 尺x 肘( e 一忍) r z ( b 一只) p ( 3 3 ) 式中： a = a r c s i n ( t z ) ( 3 4 ) b = a r c t g ( ) ( 3 吲 图3 - 3 第二类双转台机床 公式中t x 、t y 、t z 为刀轴在x 、y 、z 轴上的方向矢量 1 0 靴 i 图3 4 第二类双转台机床各轴位置关系 3 2 五轴联动摆头及转台机床的坐标转换 一一 图3 5 摆头转台机床 摆头与转台机床见图3 - 5 所示，它的坐标计算方法如下： 厶 。， ， 、“；f ，。 ， 1 l 一 o 图3 - 6 摆头及转台机床位置关系 摆头及转台机床的位置关系见图3 - 6 8 1 。工作台旋转后( 旋转c 角度) 刀具 轴将平行于y o z 平面，假定此时刀心位置为p ，刀轴矢量如图所示，要使刀 具摆动后达到指定位置，则摆头前摆角中心位置应为p 江南人学专业硕j ：学位论文 p = p ”+ z 群= 群 即： p l r = 七孓i l 哎= p ：t + t z l 其中： p 。= m ( 丘一恿) 尺z ( c ) m ( 磊一丘) b = a r c t g 等 小删g 寿 公式中t x 、t v 、t z 为刀轴在x 、y 、z 轴上的方向矢量 3 3 五轴联动双摆头机床的坐标转换 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 五轴联动双摆头机床( 如图3 7 所示) ，它的两个转动轴是由其工作头的摆 动提供的。 图3 7 双摆头机床 双摆头机床的头部关系见图3 - 8 1 2 第三章五轴加工中心的后置处理运算 啸 图3 - 8 双摆头机床的头部 假设刀具中心到a 、b 摆角中心的距离为l ( 图3 8 ) ，刀具绕摆角中心旋转 a 和b 角度后刀具达到预定位置p 7 ( 见图3 9 ) ，摆角中心位置应为p ，即： p r = p + z x ，国r 图3 - 9 双摆头机床坐标关系 只= x p + 以l g = 昂+ 乃l 芝= z p + 乏l 摆动角度应为： a - 一删g 南 x 1 一2 b _ 砩等 公式中t x 、t y 、t z 为刀轴在x 、y 、 x 3 3 3 3 一 ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) z 轴上的方向矢量驷1 ，x ，、y ，、z ，为p 点 在x 、y 、z 轴上的矢量。 3 4 特殊双转台五轴机床( d m u 5 0 v ) 的后处理计算 德玛吉d m u 5 0 v 是特殊双转台五轴联动加工中心，要对其制作专用的后处 理就必须先对其运动的角度和坐标进行计算，列出相应的坐标公式。 3 4 1d m u5 0 v 五轴联动加工中心后置处理算法 1 3 江南大学专业硕 ：学位论文 d m u5 0 v 机床坐标系如图3 一l o 所示，其b 轴位于y o z 平面内且倾斜角q = 4 5 。，图示h = 1 4 5 0 1 m m ，属于特殊双转台结构，机床主轴与z 轴方向一致。 在d m u5 0 v 实际加工过程中，是主轴上刀轴矢量方位不变，由工作台带动工 件经过b 、c 轴的旋转相对于刀轴矢量方向做相对运动，来保证刀具和工件两者 间相对运动关系不变。切削加工仿真时，是工件的方位不动而刀轴矢量的方位在 不断变化，使刀具相对工件做切削运动；由于b 、c 轴转动使在每一个切削瞬时， 加工工件坐标系的方位和原点相对加工初始位置，都发生变化导致了刀轴矢量的 变化，为方便计算且与实际加工过程一致，使刀轴矢量在每一个切削瞬时始终与主 轴方向保持一致需要将加工工件坐标系变换到初始位置的加工工件坐标系即 新的加工工件坐标系，再将刀位点变化到新的加工工件坐标系中。需要开展的主 要工作有以下三个方面： ( 1 ) 相对于初始加工位置，b 、c 轴转动角度值的确定； ( 2 ) 在每一个切削瞬时，加工工件坐标系变换到初始位置的加工工件坐标系 的坐标变化矩阵，即新的加工工件坐标系o lx l y lz l 的建立； ( 3 ) 将该切削瞬时的加工刀位点变换到新的加工工件坐标系o lx ly lz l 中。 图3 1 0b 轴倾斜4 5 。机床坐标系 3 4 2 工作台旋转角度b 、c 的计算 为便于分析将刀轴矢量平移到工件坐标系的原点，且平移b 轴使其通过工 件坐标系的原点。假设工件坐标系中的单位矢量n = ( 0 ，0 ，1 ) ，当工作台绕b 轴顺 时针旋转6 ( o 。6 = 2 b 1 8 0 。) 角度的时，单位矢量n 的端点n o 的运动 轨迹是半圆弧，当工作台再绕z 轴逆时针旋转c 角度，形成一个水平圆弧，由此可 知，任意的刀轴矢量o n = n = ( a x ，a y ，a z ) ，只要先使其端点绕z 轴顺时针旋转 c 角度，再绕b 轴逆时针旋转1 3 角度，就能够保证刀轴矢量o n 与z 轴重合， 如图3 一l l 所示。其中a x ，a y ，a z 为矢量n 在x 、y 、z 轴方向上的分矢量 9 】。 1 4 第三章五轴加工中心的后置处理运算 图3 1 1b 、c 转角度计算 由图3 1 1 所示几何关系，o m = o g + g m 且o m = o e + e m ，根据已知的 刀轴矢量o n = n = ( a x ，a y ，a z ) 可以推导出b 、c 角度的计算公式如下： 如一m 碍每a 1 一 b = a r c c o s ( 2 a 2 - 1 ) 其中： c ”2 a r c t a n 生 a j 9 0 0 a x 0 a x 0 1 8 0 0 + a r c t a n 生 a x 0 a y 0 a y o a y _ o ( 3 - - 2 1 ) a 广o a y 0 a y o a y 0 3 4 3 刀位点的坐标变换矩阵的计算 假设某一瞬时，原工件坐标系中的刀位点p w ( x w ，y w ，乙) 随工作台旋转 b 、c 角度后到了图3 1 2 所示昂( x ，昂，z ) 点位置，则p w 在0 lx ly lz l 中 江南人学专业硕十学位论文 的位置矢量弓= ( x ，yz ) 可以通过如下的坐标变换方式得到 ( 1 ) 亏一弓：将原工件坐标系0 w x wy wz w 平移到o 点，平移距离为( x o ， y o ，z 0 一h ) ，其中( x o ，y o ，z o ) 为工件坐标系原点在机床坐标系中的坐标值，变 换矩阵为 m 1 ：f l o j m 1 一 100 010 oo1 x oy o 磊一日 厂3 = 厂- 【m i 】 ( 3 2 2 ) 公式中h 为工件坐标系在z 轴方向平移距离 图3 一1 2 直线运动坐标值的计算 ( 2 ) 厂3 一厂l ：加工刀位点p - ( x - ，x - ，z - ) 绕z 轴旋转c 角度得到变换 矩阵 m 2 ：再绕b 轴旋转口角度得到变换矩阵 m 。 。 ( 3 ) r 4 一r 7 ：将工件坐标系原点o w 平移到新工件坐标系o 。x 。y ，z 。原 点处的变换矩阵 m 4 。 【m 2 】2 c o s cs i n c00 - s i n cc o s c0 0 00lo oo0l l1 00 嗍= iz c o s 删( - 4 5 。勺) 筹：； 10 00 1 6 0o s i n 4 5 0li c o s 4 5 0lj o l j ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) o 严护恬 。啪：荟o o 鲥鲫 ，o o o ，。l 1iit，j o o o o o o 8 口 淅o o s c8 涫 宝幽o o c 一 。，。l 第三章五轴加工中心的后置处理运算 协rt-r一4it21t,21zo ：l ： ： ：l 一 卜一一1 j ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 3 4 4 变换后的刀位点新坐标值的计算 原工件坐标系o - x 。y z 中任意的刀位点p w 坐标为( x w ，y w ，z w ) ，经过b 、 c 角度旋转后的刀位点的齐次坐标 xyz 。 表达式为： 【x y z1 】= 【x w y w z wl 】【m l 】 m 2 】 m 3 m 4 】 ( 3 2 7 ) 本文首先研究了双转台、转台与摆头、双摆头三类五轴加工中心的坐标转换 并以德玛吉d m u 5 0 v 特殊双转台五轴联动加工中心为例给出了其后置处理算 法。 1 7 第p q 章基于u g 五轴后处理的参数设置 第四章基于u g 五轴后处理的参数设置 我们利用u g c a m 加工模块产生刀轨，首要目的是为了加工工件，但我们 不能直接将这种未修改过的刀轨文件传送给机床进行切削工件，因为机床的类型 很多，每种类型的机床都有其独特的硬件性能和要求来进行后处理文件的制作。 一般的专用后处理程序都可以用u gp o s t b u i l d e r 制作，但少数加工中心如 d m u 5 0 v 加工中心的结构是非标准的特殊转台加工中心，不能完全用u gp o s t b u i l d e r 制作其后处理文件，要实现五轴连动加工功能的话，这是就应当先用u g p o s t b u i l d e r 制作后处理，再用t c l 语言对其完善瞳1 1 3 。 u g 后处理的原理图如图4 - 1 图4 - 1u g 的后处理原理图 4 1u gp o s t - b u i l d e r u gp o s t b u i l d e r 是创建后处理的一个方便工具，用户可以拖动鼠标的方式 来定义输出的内容与格式，包括程序头、尾，操作头、尾以及每一动作事件的处 理。 u gp o s t - b u i l d e r 的操作涉及3 个文件。第一个是定义文件，后缀是木d e f ， 用于定义机床控制系统的的功能和程序格式；另一个是事件处理文件，后缀是 木t c l ，用于定义每一事件的处理方式；第三个是u gp o s t 。b u i l d e r 参数文件，后 缀是水p u i ，包含了在u gp o s t b u i l d e r 里设置的所有数据信息，可以用u gp o s t b u i l d e r 打开并进行修改。 1 8 江南大学专业硕上学位论文 u g 内部刀轨 兰竺竺壁至l 飞 m o m ( 加工输出管理器) 输出文件 图4 - 2u g p o s t 的_ t 作过程示意图 4 1 1 事件生成器 事件生成器是u g 提供的一个程序，它从u g 文件( p a n ) 中提取刀轨数据， 并把它们作为事件和参数传送给m o m 。每一特定事件在机床运行时将导致一些 特别的机床动作，存储在与这个事件相关的参数中的信息用来进一步确定这些特 别的机床动作。比如，一个“l i n e a r - m o v e 事件将导致机床驱动刀具沿直线移 动，而具体移动到的位置则由存储在与此事件相关的参数x 、y 、z 中的数值来进 一步确定。在这个例子中，事件生成器将触发“l i n e a r - m o v e ”事件，并且将代 表终点位置的数据装入相应的参数x 、y 、z ，然后这些信息传送到m o m 去处理。 u g p o s t 的事件很多，分为五大类：设置事件( s e t u p e v e n t ) 、机床控制事件 ( m a c h i n ec o n t r o le v e n t ) 、运动事件( m o v ee v e n t ) 、固定循环事件( c y c l ee v e n t ) 、 用户定义事件( u s e rd e f i n e de v e n t ) 等。有关事件及其相关参数的详细描述，可 参见u g 的帮助文档1 。 在进行后处理时，事件生成器生成各事件有一定的顺序，并且这个顺序是 固定的，不能改变。其生成顺序大致如下： s t a r to fp r o g r a m s t a r tp o s tu d e sa t t a c h e dt ot h ep r o g r a m 第p q 章基于u g 五轴后处理的参数设置 s t a r to fg r o u p s t a r tp o s tu d e sa t t a c h e dt ot h eg r o u p m a c h i n em o d e s t a r to fp a t h s t a r tp o s tu d e sa t t a c h e dt ot h eo p e r a t i o n f i r s tt o o l ( t o o lc h a n g e ，n ot 0 0 1c h a n g e ) l o a dt i o o l m s y s i n i t i a lm o v e ( i n i t i a lm o v e ，f i r s tm o v e ) t o o lp a t h e n dp o s tu d e sa t t a c h e dt ot h eo p e r a t i o n e n do f p a t h e n dp o s tu d e sa t t a c h e dt ot h eg r o u p e n do f g r o u p e n dp o s tu d e sa t t a c h e dt ot h ep r o g r a m e n do fp r o g r a m 4 1 2 事件处理器 事件处理器是为特定机床及其控制系统开发的一套程序。每个事件的处理函 数必须包含一系列指令去处理用户希望u g p o s t 处理的事件，这些指令将定义刀 轨数据如何被处理，以及每个事件在机床上如何被执行。 用来定义事件处理器指令的计算机语言是t c l ( t o o lc o m m a n dl a n g u a g e ) 。 t e l 是一种解释型的计算机语言，以其小巧、灵活、功能强大、易于扩展、易于 集成而闻名。当u g p o s t 进行后处理时，t c l 语言的解释器充当了u g p o s t 的转 换器。 对于希望用u g p o s t 去处理的每个事件，必须有一个t c l 过程与之对应。 事件生成器触发一个事件时，m o m 将调用与之对应的t c l 过程去处理该事件，并 把与此事件相关的参数作为全局( g l o b a l ) 变量传送给处理它的t e l 过程。如果 不希望事件处理器去处理某个特别的事件，在事件处理器中不要包含处理该事件 的t e l 过程或使该事件的t e l 过程为空即可。另外，处理事件的t c l 过程名必 须与事件生成器触发的事件名统一。比如，处理t o o lc h a n g e ( 换刀) 事件的t c l 2 0 南 学专n 颐i 学位论文 过程名必须是m o m _ t o o l c h a n g e 。 当然，能够用u gp o s t b u i l d e r 制作u g 专用后处理是很立的事情，但是有 的机床如d m u5 0 则用u gp o s t b u i l d e r 束制作u g 专用后黄处理围难很大， 典至是不可能的，因为有衅早期购买的机床，m 了二外围对华的技术封锁，西方国 家禁止向中国出售h 轴功能的机床，特别足p 世纪9 0 年代我国购买的五轴加工 巾心往往没有h 轴联动功能模块，凶此要实现五轴联动，就必须拥有j l 轴联动的 模块，实现机床的加 _ 功i i i i 够真正得到应用，制作其专用后处理就特刖重要， 冈此，就得用另外一种方法柬协作制作，也就是用t c l 语吉协作编写。 特殊结构或采用特殊数控系统的数控机床开发专用