五軸聯(lián)動數(shù)控加工后置處理研究

范清華

(中航工業(yè)新航集團，河南 新鄉(xiāng) 453049)

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五軸聯(lián)動數(shù)控加工后置處理研究

范清華

(中航工業(yè)新航集團，河南 新鄉(xiāng) 453049)

摘要：五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心是應(yīng)渦輪、復(fù)雜葉型等透平零件的整體機械加工的需求而誕生的，它加工精度高，尺寸一致性好，成品率高，材質(zhì)均勻，在航空、航天、船舶和制氧制氮等行業(yè)應(yīng)用廣泛。近年來，各類企業(yè)大規(guī)模購進五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心，五軸聯(lián)動加工程序的編制成為制約其應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前，五軸聯(lián)動編程都是采用CAM軟件自動生成，了解掌握CAM軟件針對不同機床結(jié)構(gòu)的后置處理算法，對編程員提高編程效率，理解編程原理有重要意義。了解CAM軟件如何經(jīng)后置處理程序編譯生成G代碼，首先應(yīng)了解APT語言中的GOTO指令，然后利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)或矩陣變換即可弄清如何將I/J/K轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度，如何將X/Y/Z轉(zhuǎn)化為刀心點的坐標(biāo)。

關(guān)鍵詞：五軸聯(lián)動數(shù)控加工；雙轉(zhuǎn)臺；后置處理；坐標(biāo)變換；APT

1五軸聯(lián)動加工編程綜述

五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心自誕生以來，一直廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶和制氧制氮行業(yè)等透平葉輪、葉片的制造領(lǐng)域。如何提高編程效率是擁有五軸設(shè)備廠家普遍關(guān)心的問題，由于葉輪、葉片多為空間曲面的連續(xù)加工，手工編程計算量十分巨大，所以目前這類零件的編程基本都靠CAM軟件來實現(xiàn)。每一種CAM軟件針對不同的機床結(jié)構(gòu)輸出不同的加工代碼，編程時應(yīng)結(jié)合機床實際情況對加工代碼的后置處理程序進行設(shè)置，這樣才能得到可用的G代碼程序。本文對后置處理計算的一般過程進行了研究討論，以使編程員了解五軸后置處理算法。

很多CAM軟件生成G代碼的同時，都會生成一個過渡文件——刀位文件。雖然擴展名可能不同，但都可以用文本編輯器打開，它們都是APT格式的文本文件，里面包含程序開頭、結(jié)尾、刀具、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向、刀具運動、冷卻液開關(guān)、主軸啟動和停止等信息，是固定的格式化語句，可以被后置處理程序翻譯為數(shù)控設(shè)備能識別的G代碼。

本文只討論刀具運動定義語句GOTO/多軸聯(lián)動數(shù)據(jù)處理，其語法結(jié)構(gòu)為：GOTO/x,y,z,i,j,k。其中x,y,z表示刀心點在編程坐標(biāo)系中的空間位置，i,j,k表示單位刀軸矢量在編程坐標(biāo)軸X、Y、Z方向上的投影。如：GOTO/3.513659,0.378589,0.022664,-0.11791,0.973647,-0.195215，其中，3.513 659,0.378 589,0.022 664指刀具編程點(一般為刀具中心點)在工件坐標(biāo)系的位置(變換計算時應(yīng)注意公英制的差異)，-0.117 91,0.973 647,-0.195 215為刀軸矢量在X、Y、Z這3個直線軸上的單位投影。在編程過程中，雖然采取刀具移動而工件不動的原則，但實際上有很多機床在設(shè)計時采取工件移動和轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)多軸聯(lián)動加工。-0.117 91，0.973 647，-0.195 215這3個數(shù)值用來計算旋轉(zhuǎn)軸的角度，可以計算出任意2個旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角。五軸編程大多數(shù)情況下是采用2個轉(zhuǎn)動軸來實現(xiàn)加工點的刀軸方向，這與編程點的刀軸方向是一致的。在這3個數(shù)都不為0的情況下，任意2個轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動后，需要對刀心點3.513 659，0.378 589，0.022 664進行重新計算，以確保刀心點位置正確。五軸聯(lián)動后置處理運算實際就是計算旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角，并計算因旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的刀心點位置變化。

2哈默UWF902H五軸聯(lián)動加工中心

本文結(jié)合中航工業(yè)新航集團哈默UWF902H五軸聯(lián)動加工中心的結(jié)構(gòu)特點，以一段直紋曲面渦輪單邊葉片粗加工程序為例，說明五軸聯(lián)動后置處理的計算過程(見圖1)。UWF902H是雙轉(zhuǎn)臺臥式五軸聯(lián)動加工中心，其主軸在Y軸方向，旋轉(zhuǎn)軸為C軸和A軸，旋轉(zhuǎn)中心平行各自直線軸。C軸轉(zhuǎn)角為-135°～+45°，A軸轉(zhuǎn)角為n×360°，A軸置于C軸之上，C軸轉(zhuǎn)動會帶來A軸旋轉(zhuǎn)軸線的改變。這些特征直接影響旋轉(zhuǎn)之后刀心點位置各個方向坐標(biāo)計算的先后順序、轉(zhuǎn)角取值范圍。

圖1　五軸聯(lián)動后置處理的計算過程示意圖

3后置處理算法及驗證

圖2　旋轉(zhuǎn)角度換算圖

A軸轉(zhuǎn)動后，刀心點應(yīng)重新計算以保證其在工件坐標(biāo)系中的位置不發(fā)生改變。刀心點坐標(biāo)換算圖如圖3所示。從圖3可以看出，P點在轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動角度A之后的坐標(biāo)為：

Y2=Y1cosA-Z1sinA

Z2=Z1cosA+Y1sinA

圖3　刀心點坐標(biāo)換算圖

由于是在YOZ平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，所以X坐標(biāo)不變，X2=X1。

由于2個轉(zhuǎn)軸都發(fā)生轉(zhuǎn)動，所以在XOY平面內(nèi)，C軸轉(zhuǎn)動后需再次計算工件坐標(biāo)系中刀心點的位置。根據(jù)上述計算方法，可得：

X3=X2cosC-Y2sinC

Y3=Y2cosA+X2sinA

Z3=Z2

按此方法計算本文示例點，得到：X=89.722 750 13，Y=-1.272 739 078，Z=2.454 837 945，A=-11.337 406 66，C=6.771 497 549 247 17。與CAM軟件自動生成程序?qū)?yīng)點的程序G01 X89.723Y-1.273Z2.455A-11.337C6.771一致。細(xì)微差別來自計算精度的差距。通過應(yīng)用Excel軟件編程計算其余各點，得到與CAM軟件自動生成一致的計算結(jié)果。

另外，還可以以矩陣變換求解[1]。

1)編程坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的變換矩陣為：

2)C軸旋轉(zhuǎn)角度C的變換矩陣為：

3)A軸旋轉(zhuǎn)角度A的變換矩陣為：

那么：

(X3Y3Z31)=(X1Y1Z1d)T1T2T3

展開后可得：

X3=X1cosC+Y1sinC

Y3=-X1sinCcosA+Y1cosCcosA+Z1sinA+dsinA

Z3=X1sinCsinA+Y1cosCcosA+Z1cosA+dcosA

4結(jié)語

五軸聯(lián)動數(shù)控加工程序編制的關(guān)鍵是弄清旋轉(zhuǎn)軸之間的配置關(guān)系，A軸與C軸組合、B軸與C軸組合、A軸與B軸組合編程的實質(zhì)是一樣的，具體要看機床的實際結(jié)構(gòu)。本文介紹的是A軸與C軸組合的臥式機床，按照上述方法便可以推導(dǎo)出其他雙轉(zhuǎn)臺機床的后置處理算法。

參考文獻

[1] 全榮. 五坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控技術(shù)[M]. 長沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

[2] 龐繼偉. 五軸數(shù)控銑削加工后置處理及加工編程研究[D]. 濟南：山東大學(xué)，2007.

責(zé)任編輯鄭練

The Research on Post Processing of Five Axis NC Machining

FAN Qinghua

(AVIC Xinxiang Aviation Industry (Group) Co., Ltd., Xinxiang 453049, China)

Abstract：The five-axis CNC machining center is created because of a turbine, complex leaf and other turbine parts of the overall machine. It has high machining precision, good uniformity in size, the rate of finished products is high and uniform material has been widely used in oxygen and nitrogen industry application of aerospace and marine. In recent years, enterprises of all types of large-scale technical transformation purchases five-axis CNC machining center, five axis linkage processing procedures for the preparation of become key limiting factors, five-axis programming is using CAM software to automatically generate and understand the cam according to the different structure of the machine tool post processing method of programmer. It improves programming efficiency, so understand programming theory has important significance. Understand how the CAM software compiled to generate G code, need to understand the APT language GOTO. Then the coordinate rotation and matrix transformation can figure out how I/J/K transforms to the coordinate axis of rotation angle and how X/Y/Z gets into the tip of point coordinates.

Key words:five axis CNC machining, dual turret, post processing, coordinate transformation, APT

收稿日期：2015-06-23

作者簡介：范清華(1976-)，男，副總經(jīng)理，工程師，大學(xué)本科，主要從事數(shù)控加工編程、編程技巧以及數(shù)控加工操作、維修技術(shù)工人培養(yǎng)、培訓(xùn)等方面的研究。

中圖分類號：TP 391.7

文獻標(biāo)志碼:A