國產(chǎn)雙擺頭五軸機(jī)床后置處理的研究*

唐清春，張 健，馬仲亮，劉 謙

(廣西科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,廣西 柳州 545006)

國產(chǎn)雙擺頭五軸機(jī)床后置處理的研究*

唐清春，張 健，馬仲亮，劉 謙

(廣西科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,廣西 柳州 545006)

文中針對漢川機(jī)床廠所研發(fā)的XH/2420雙擺頭五軸聯(lián)動加工中心，通過運(yùn)動求解，系統(tǒng)地推導(dǎo)了該機(jī)床的后置處理算法；并通過變換刀長與擺長值推導(dǎo)出幾種求解方法，基于JAVA平臺，開發(fā)了該機(jī)床專用后置處理軟件，且通過VERICUT7.0對某葉輪仿真加工驗證了該后置處理算法的正確性以及實用性。該后置處理器的開發(fā)為以后開發(fā)同類后置處理軟件提供了一定的經(jīng)驗。

五軸聯(lián)動加工中心；葉輪 ；JAVA ；后置處理

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國對制造業(yè)的要求越來越高，尤其是在航天、航空、船舶、模具以及汽車等行業(yè)中，對其所要加工零件的復(fù)雜性、精度性、產(chǎn)量性等要求甚為嚴(yán)格，為此，普通三軸機(jī)床已經(jīng)無法滿足新時代的加工要求，四軸以及五軸機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生[1]。由于所需生產(chǎn)零件的復(fù)雜性，通常采用CAM軟件(UG、Proe、Cimatron等)進(jìn)行自動編程，生成其刀位源文件，再通過后置處理軟件轉(zhuǎn)換為數(shù)控程序。由此可見，后置處理軟件是實現(xiàn)五軸加工的核心技術(shù),在整個過程中起著橋梁作用；對于五軸雙擺頭機(jī)床后置處理方面的研究，國外已經(jīng)做成專業(yè)化的后置處理軟件。目前我國在后置處理方面正處在起步階段，基本上是基于通用CAM軟件內(nèi)部平臺做一些二次開發(fā)，此類通用后置處理軟件具有如下不足：①不能隨時調(diào)整刀長值、擺長值處理數(shù)控程序；②對影響表面質(zhì)量的非線性誤差不能控制；③不具有動態(tài)速度補(bǔ)償功能。為解決以前使用過程中的缺陷問題，本文以漢川機(jī)床廠研發(fā)的XH/2420雙擺頭五軸機(jī)床為案例，基于JAVA高級語言平臺，相對于通用軟件獨(dú)立開發(fā)，滿足機(jī)床的多種使用場合。

1 XH/2420(A-C)式五軸機(jī)床后置處理算法

1.1 XH/2420后置處理基本算法

圖1 五軸雙擺頭機(jī)床實物圖

圖2 五軸雙擺頭機(jī)床坐標(biāo)變換簡圖

刀位位置Rw(wx,wy,wz)和刀位矢量Rv(vi,vj,vk)通過坐標(biāo)平移及旋轉(zhuǎn)變換由刀具坐標(biāo)系到工件坐標(biāo)系[3-4]。可得：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，有關(guān)運(yùn)動變換矩陣為：

展開式(1)得：

解得：

αA=LAarccos(vk)LA=(1,-1)

(3)

αC=arctan(vi/vj)-LCπLC=(0,1)

(4)

將結(jié)果αA,αC代入式(2)解得：

湯顯祖是享譽(yù)世界的戲劇大師。今天我們紀(jì)念湯顯祖這位戲劇大師，研討他的創(chuàng)作思想、總結(jié)他的藝術(shù)貢獻(xiàn)，向其創(chuàng)作的偉大文學(xué)經(jīng)典致敬，可以從中發(fā)掘中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化中的改革文化和革故鼎新、推陳出新的精神，從中汲取繼續(xù)前進(jìn)的豐厚養(yǎng)分和力量，大力弘揚(yáng)改革開放的時代精神，推動改革再出發(fā)，開放再深入，對于增強(qiáng)民族文化自信、推動中華文化傳承發(fā)展、促進(jìn)中外文化交流互鑒，具有重要意義。

(5)

1.2XH/2420后置處理變換算法

本文跟據(jù)刀長、擺長是否參加計算，推導(dǎo)出以下幾種變換算法：

(1)刀長與擺長均參與后置處理算法計算；

控制刀長、擺長是否參加計算與機(jī)床的擺角A、C無關(guān)，只改變X、Y、Z值。選擇此算法時，應(yīng)將預(yù)先計算好的刀長值H與擺長值K之和賦給式(5) 中的L，進(jìn)而參加后置處理計算。采用該算法時機(jī)床系統(tǒng)不必再考慮刀具長度補(bǔ)償問題。故算法(1)也為后置處理的基本算法。

(2)只有刀長參加后置處理算法計算 ；

選擇此算法時，應(yīng)將刀長值H賦給基本算法中的L，以參加后置處理計算，得到的計算公式如式(6)所示，稱此算法為算法(2)。該算法須在數(shù)控系統(tǒng)加載擺長。

(6)

選擇此算法時，應(yīng)將0賦給基本算法的L，以參加后置處理計算，該方法須在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部加載刀長及擺動半徑值；.變換后的后置處理計算公式如式(7)，后置處理時只完成點對點的轉(zhuǎn)換，其余由機(jī)床自身通過刀長及擺動半徑值自動加載計算。采用該方法，在刀具磨損時容易調(diào)整，只需修改機(jī)床刀長補(bǔ)償值即可，但不能實現(xiàn)非線性誤差補(bǔ)償。該方法為算法(3)。

(7)

2 XH/2420后置處理實現(xiàn)與驗證

2.1 XH/2420后置處理實現(xiàn)

XH/2420(A-C)式機(jī)床屬于龍門式五軸雙擺頭機(jī)床，該機(jī)床配有Siemens 840D數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有長度補(bǔ)償功能。跟據(jù)上述三種不同的后置處理算法，結(jié)合JAVA語言后對置處理軟件進(jìn)行編寫[5]，以某葉輪流道粗加工為例。使用上述三種后置處理算法編寫成的軟件分別對同一流道粗加工程序進(jìn)行處理。經(jīng)處理后的程序如圖3、4、5所示。

如圖1經(jīng)為經(jīng)過算法(1)得到的數(shù)控程序，可以發(fā)現(xiàn)左端數(shù)控程序的X、Y、Z值與其它兩個數(shù)控程序的數(shù)值不同，而A、C角值均不變，且圖3中缺少N6 CYCLE832(0.035,102101)這一行，這是因為算法(1)是采用刀長加擺長均參加算法計算，所以不用CYCLE832命令控制機(jī)床自動加載擺長與刀長值計算。圖4為經(jīng)過算法(2)得到的數(shù)控程序，采用CYCLE832命令自動加載機(jī)床內(nèi)部設(shè)置好的擺長值進(jìn)行計算。圖5為經(jīng)過算法(3)得到的數(shù)控程序，采用CYCLE832命令自動加載機(jī)床內(nèi)部設(shè)置好的擺長值與刀具長度補(bǔ)償值H進(jìn)行計算。由式(4)、(5)可知，計算A、C角與刀長值擺長值無關(guān)，所以不管采用那種后置處理算法旋轉(zhuǎn)角的數(shù)值不變，X、Y、Z值變化。

2.2 XH/2420后置處理軟件驗證

本文以某特型零件葉輪仿真切削來驗證XH/2420后置處理軟件。仿真加工主要采用VERICUT 7.0對同一流道采用三種算法進(jìn)行模擬加工對比，以驗證算法的正確性。

2.2.1 流道加工對比

VERICUT 7.0中的機(jī)床模型完全按照真實機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)置，仿真切削后的效果圖如圖6、7、8所示。根據(jù)切削效果對比，三種切削結(jié)果完全一致，驗證了三種后置處理算法均滿足加工要求，為實際加工零件提供了多種選擇方式。

分別采用三種方法對整體葉輪的葉片、流道進(jìn)行模擬切削加工，加工后的葉輪無過切、干涉等現(xiàn)象，曲面及過渡圓角表面較光滑。經(jīng)殘留值檢測，符合實際加工要求。仿真后的實物圖如圖9所示。

3 結(jié)束語

本文通過對XH/2420五軸雙擺頭機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出該機(jī)床的后置處理算法，根據(jù)改變刀長值、擺長值等多種工況，演化出多種求解方法.雖然該后置處理軟件沒有國外成熟的專業(yè)化后置處理軟件功能強(qiáng)大，但是經(jīng)濟(jì)實用。國內(nèi)對五軸雙擺頭機(jī)床后置處理也進(jìn)行了一定的研究，上海交通大學(xué)的鄭焱在文獻(xiàn)[6]中采用基本后置處理算法開發(fā)出一款五軸雙擺頭后置處理軟件，雖然該款軟件能實現(xiàn)后置處理的基本轉(zhuǎn)換，但是它只適用于單一工況的轉(zhuǎn)換，不能解決多工況問題。本軟件可在不同工況下使用不同的后置處理算法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，解決了在實際加工過程中遇到的多工況問題，同時也為以后開發(fā)同類后置處理軟件奠定了一定的基礎(chǔ)。

[1] 周瑩君. 基于UG NX的5軸聯(lián)動高速銑削加工中心后置處理軟件的研發(fā)[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2005.

[2] 李永橋，陳強(qiáng)，諶永祥. 五軸數(shù)控機(jī)床通用坐標(biāo)運(yùn)動變換及求解方法的研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2010(10):4-5.

[3] 趙世田，孫殿柱，孫肖霞.基UGPOST五軸聯(lián)動加工中心專用后置處理器的研發(fā)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2006(1):26-29.

[4] 唐清春，吳漢夫.基于CimatronE的四軸后置處理軟件開發(fā)[J].設(shè)計與研究，2010(6)：15-17.

[5] 趙真. Eclipse開發(fā)技術(shù)詳解[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[6] 鄭焱. 復(fù)雜曲面五軸聯(lián)動數(shù)控加工的進(jìn)給率規(guī)劃[D]. 上海：上海交通大學(xué),2011.

(編輯 趙蓉)

Study on the Post Processing of the Domestic Double Swing Head of Five-axis Machines

TANG Qing-chun,ZHANG Jian,MA Zhong-liang,LIU Qian

(Engineering Training Center,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou Guangxi 545006,China)

According to the XH/2420 that double swing head of five-axis linkage machining center developed by Han Chuan Machine Tool Works, the paper systematically derived the post processing algorithms of this machine through movement solving and several solving methods by transforming the values of tool length and pendulum length, based on JAVA platform, developed a special post processing software for the machine, machining simulation of an impeller through VERICUT7.0 verities the correctness and practicality of the post processing algorithm and also this postprocessor’s development provides a certain amount of experience for the future of the development of similar post processing software.

five-axis linkage machining center; impelle; JAVA;post processing

1001-2265(2014)04-0035-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.04.009

2013-07-08；

2013-09-06

柳州市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃課題：多功能五軸聯(lián)動機(jī)床后置處理軟件開發(fā)(2011C030107)

唐清春(1972—), 男， 四川綿竹人，廣西科技大學(xué)副教授，碩士，研究方向為多軸數(shù)控機(jī)床的加工與開發(fā)，(E-mail)gxtangqingchun@163.com。

TH164;TG659

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