五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心偏移補(bǔ)償算法研究

莊瑛，周奎

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五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心偏移補(bǔ)償算法研究

莊瑛1，周奎2

（1.四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610063；2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000）

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工過程中，MCS是機(jī)床運(yùn)動(dòng)的依據(jù)，也是指令刀位點(diǎn)移動(dòng)的依據(jù)。程序中刀位點(diǎn)的指令位置P＝P'＋ΔP；P'為基礎(chǔ)分量，按轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心O與MCS的坐標(biāo)原點(diǎn)O重合給出；另一分量ΔP是由于事實(shí)上的O與O的不重合而導(dǎo)致假定位置與程序中刀位點(diǎn)的指令位置存在著差異而需要的補(bǔ)償量，它與O在MCS的位置相關(guān)。研究了O與O不重合刀位點(diǎn)指令位置補(bǔ)償量的計(jì)算公式，開發(fā)了能自動(dòng)生成帶有旋轉(zhuǎn)中心偏移自動(dòng)補(bǔ)償功能的數(shù)控加工程序的后置處理程序，適用于數(shù)控系統(tǒng)不具有RTCP功能及旋轉(zhuǎn)中心偏移自動(dòng)補(bǔ)償功能的五軸加工程序編制。

五軸聯(lián)動(dòng)；數(shù)控加工；坐標(biāo)變換；旋轉(zhuǎn)中心；偏移；補(bǔ)償；算法

五軸機(jī)床數(shù)控加工過程中，旋轉(zhuǎn)軸在機(jī)床中存在著固定的位置和姿態(tài)，但其在設(shè)定MCS（Machining Coordinate System，加工坐標(biāo)系）中的位置和姿態(tài)卻必須要在MCS設(shè)定后方能最終確定。靜態(tài)MCS作為機(jī)床運(yùn)動(dòng)的依據(jù)，也是指令刀位點(diǎn)移動(dòng)的依據(jù)。刀位點(diǎn)是相對(duì)于刀尖點(diǎn)的某一固定位置，它由操作人員指定，一經(jīng)指定，便成為了系統(tǒng)控制的對(duì)象。離線編程因不能確切知道轉(zhuǎn)軸物理旋轉(zhuǎn)中心O在MCS中的具體位置而時(shí)常假定為（0, 0, 0），即：假定MCS的坐標(biāo)原點(diǎn)O或刀具的刀尖點(diǎn)與機(jī)床轉(zhuǎn)軸的物理旋轉(zhuǎn)中心O重合而在程序中指令理想刀位點(diǎn)P'位置。由于事實(shí)上的O或刀尖點(diǎn)與O的不重合而導(dǎo)致實(shí)際加工程序中的刀位點(diǎn)P與P'之間存在著位置差異ΔP需要補(bǔ)償[1]。相當(dāng)一部分高端數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)了相應(yīng)的自動(dòng)位置補(bǔ)償功能，而一些低端、老舊數(shù)控系統(tǒng)尚不具備此項(xiàng)自動(dòng)補(bǔ)償功能，須要結(jié)合O在MCS中的位置或O相對(duì)于刀尖點(diǎn)的具體位置而在實(shí)際加工程序中指令刀位點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

1 旋轉(zhuǎn)中心偏移補(bǔ)償算法

1.1 工件旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)中心偏移補(bǔ)償

圖1為某T－T五軸機(jī)床（工作臺(tái)雙擺）加工過程中WCS（Workpiece Coordinate System，工件坐標(biāo)系，自動(dòng)編程前置處理理想刀位點(diǎn)位置的參照系）中某點(diǎn)P（X,Y, Z）順序繞工作臺(tái)的物理轉(zhuǎn)軸Z、X轉(zhuǎn)動(dòng)和角度后，坐標(biāo)變換到MCS中的詳細(xì)情況，其中物理轉(zhuǎn)軸Z、X在MCS的位置和姿態(tài)由矩陣決定：

此種類型的五軸機(jī)床加工過程中，刀尖點(diǎn)作為刀位點(diǎn)接受系統(tǒng)控制，MCS由機(jī)床參數(shù)設(shè)定時(shí)，對(duì)應(yīng)各坐標(biāo)軸與機(jī)床坐標(biāo)軸平行且正方向一致。工件裝夾時(shí)，保證WCS初始位置與MCS完全重合，即對(duì)應(yīng)各軸平行（Xw//Xm, Yw// Ym, Zw//Zm）正方向一致且原點(diǎn)重合。WCS中的點(diǎn)Pw（Xw, Yw, Zw）順序繞Zr軸旋轉(zhuǎn)C角度、繞Xr軸旋轉(zhuǎn)A角度后，坐標(biāo)變換到MCS中的位置Pm（Xm, Ym, Zm）由式（2）、式（3）計(jì)算得到[2]，該點(diǎn)就是實(shí)際加工程序中指令刀位點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。Pm'為Or位置偏移量為（0, 0, 0）時(shí)，指令的理論刀位點(diǎn)位置如（4）所示：ΔPm為Or在MCS中偏移量為（Δx, Δy, Δz）時(shí)，實(shí)際加工程序中刀位點(diǎn)的指令位置與理想刀位點(diǎn)位置間的事實(shí)補(bǔ)償量，如式（5）所示。

由此，實(shí)際加工程序中指令的刀位點(diǎn)的確切位置應(yīng)為P＝P'＋ΔP，如式（6）所示。

1.2 刀軸擺動(dòng)中心偏移補(bǔ)償

圖2所示為H－H型五軸機(jī)床（主軸頭雙擺）刀位點(diǎn)相對(duì)于刀尖點(diǎn)的位置補(bǔ)償算法全過程，X、Z為刀具的物理轉(zhuǎn)軸和，擺動(dòng)中心O作為刀位點(diǎn)接受機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制，O相對(duì)于刀尖點(diǎn)的初始位置為（Δ, Δ, Δ）。數(shù)控加工過程中保證WCS與MCS對(duì)應(yīng)各軸平行（X//X,Y//Y,Z//Z）方向一致，原點(diǎn)重合，姿態(tài)與位置保持固定不變。如T－T五軸機(jī)床一樣，這類機(jī)床數(shù)控加工離線編程時(shí)，由于并不清楚刀位點(diǎn)相對(duì)于刀尖點(diǎn)的初始準(zhǔn)確位置而假定為（0, 0, 0）。理想刀位點(diǎn)在MCS中的位置P'（X',Y',Z'）可直接由WCS唯一確定，即：P'＝P（X'＝X,Y'＝Y,Z'＝Z）。由于刀尖點(diǎn)與刀位點(diǎn)的位置不重合以及刀具擺動(dòng)，擺動(dòng)中心O（刀位點(diǎn)）相對(duì)于刀尖點(diǎn)的位置進(jìn)一步改變而需要準(zhǔn)確補(bǔ)償。位置補(bǔ)償量ΔP由式（7）、式（8）獲取[3]。

圖2 H－H型機(jī)床刀位點(diǎn)的位置補(bǔ)償

實(shí)際數(shù)控加工程序中指令的刀位點(diǎn)位置為P＝P'＋ΔP，即：

特殊情況下，刀具擺長(zhǎng)為＝Δ、Δ＝0、Δ＝0時(shí)，刀位點(diǎn)的位置補(bǔ)償計(jì)算公式為[4]：

2 旋轉(zhuǎn)中心偏移補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)

圖3中，刀具的擺動(dòng)及主軸帶動(dòng)工件的旋轉(zhuǎn)分別為其物理轉(zhuǎn)軸B、C，系統(tǒng)為SINUMERIK 840C，由于年代久遠(yuǎn)，系統(tǒng)老舊，不具有RTCP（Real-time tool center point rotation）功能及旋轉(zhuǎn)中心偏移自動(dòng)補(bǔ)償功能，刀具的擺動(dòng)中心常作為刀位點(diǎn)接受機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制，程序的編制極為困難，重復(fù)利用率低，細(xì)微的參數(shù)調(diào)整，都需要重新編制加工程序。筆者結(jié)合機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和補(bǔ)償量的相應(yīng)算法，設(shè)計(jì)了可編制旋轉(zhuǎn)中心偏移自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臄?shù)控加工程序，使編程變得簡(jiǎn)單，大大提高了程序的重復(fù)利用率。

圖3 奧地利WFL M120 MILLTURN車銑復(fù)合加工中心

補(bǔ)償量可按如下步驟實(shí)現(xiàn)：

（1）獲取五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)信息，確定相應(yīng)的坐標(biāo)變換算法；

（2）讀取離線編制的理想數(shù)控加工程序段N；

（3）數(shù)據(jù)分離，獲取理想數(shù)控加工程序段N中刀位點(diǎn)坐標(biāo)值、轉(zhuǎn)角及擺角信息；

（4）計(jì)算補(bǔ)償量ΔX、ΔY、ΔZ；

（5）理想數(shù)控加工程序段N重新賦值＝＋ΔX，＝＋ΔY，＝＋ΔZ；

（6）返回步驟2。

基于UG NX利用TCL語(yǔ)言開發(fā)的WFL M120 MILLTURN車銑復(fù)合加工中心五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工時(shí)旋轉(zhuǎn)中心偏移補(bǔ)償量的自動(dòng)計(jì)算的后置處理算法[6]為：

proc PB_CMD_Manaul_calculate_comprehension { } {

global mom_pos

global mom_out_angle_pos

MOM_output_literal "R41=[format "%.3f" $mom_out_angle_pos(0)]"

MOM_output_literal "R42=[format "%.3f" $mom_out_angle_pos(1)]"

MOM_output_literal "@630 R45 R41"

MOM_output_literal "@631 R46 R41"

MOM_output_literal "R36=R5*R46"

MOM_output_literal "R31=[format "%.3f" $mom_pos(0)]+R36"

MOM_output_literal "R32=[format "%.3f" $mom_pos(1)]"

MOM_output_literal "R37=R5*R45"

MOM_output_literal "R33=[format "%.3f" $mom_pos(2)]-R37"

}

WFL M120 MILLTURN機(jī)床加工某零件的帶有旋轉(zhuǎn)中心偏移自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臄?shù)控加工程序?yàn)椋?/p>

N0001 %MPF362

N0002 ;Programmer: ScjxZkui Fri Jul 13 18:27:32 2018

N0003 R1=400.000 ;Tool length

N0005 R21=0 ;comprehension

N0006 R5=229.981+R1+R21 ;Pivot distance

N0007 G0 G90 G40 G71 G54 D0;

N0008 T1=3 R1=1 R3=0 R4=0 L106 ;Tool change

N0009 L918 ;milling model

N0010 M3=61 ;S3 milling-spindle

N0011 M3=150 ;relax c-axis

N0012 M6=150 ;Relax B1-axis

N0013 G0 G90 G54 G64 D0 Y1=0

N0014 M3=8 ;inner coolant on

N0015 M1=126

N0016 S3=1200 M3=03

N0025 R41=-0.147

N0026 R42=188.282

N0027 @630 R45 R41

N0028 @631 R46 R41

N0029 R36=R5*R46

N0030 R31=300.467+R36

N0031 R32=-77.731

N0032 R37=R5*R45

N0033 R33=-142.085-R37

N0034 G00 G90 Y1=R32 Z1=R33 B1=-.147 C1=188.282

N0035 G00 E1=R31

……

3 結(jié)束語(yǔ)

一些中高檔數(shù)控系統(tǒng)已成功開發(fā)旋轉(zhuǎn)中心偏移自動(dòng)補(bǔ)償功能，如Heidenhain_iTNC530系統(tǒng)中的M114，編程人員只須在CAD/CAM軟件中按工件坐標(biāo)系編制刀位點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和每一刀位點(diǎn)的刀軸矢量，然后根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及旋轉(zhuǎn)中心偏移量為零的理想狀態(tài)后置處理，操作人員在數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的參數(shù)下輸入實(shí)際的旋轉(zhuǎn)中心偏移量，系統(tǒng)執(zhí)行程序過程中會(huì)自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償后的刀位點(diǎn)軌跡從而進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

本文中提出的算法和基于該算法開發(fā)的自動(dòng)補(bǔ)償編程軟件，特別適用于還不具備旋轉(zhuǎn)中心偏移自動(dòng)補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)，MCS位置、機(jī)床與刀具幾何參數(shù)存放于程序內(nèi)相應(yīng)變量中，刀位點(diǎn)的移動(dòng)位置在程序中進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)讓程序的重復(fù)使用變得可能。

[1]劉偉雄，等. 數(shù)控加工理論與編程技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]蔡永林，席光，查建中. 五坐標(biāo)數(shù)控加工后置處理算法研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2003（9）：17-20.

[3]王華僑. 實(shí)用數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]林勇，彭芳瑜. 五軸聯(lián)動(dòng)的后置處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2005（9）：73-74.

[5]Donald Hearn，M. Pauline Baker. Computer Graphics (Second Edition)[M]. USA：Prentice Hall/Pearson，1994.

[6]張磊. UGNX6后處理技術(shù)培訓(xùn)教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009.

The Algorithm of Compensation for Rotary Center Offset in 5-Axis NC Machining

ZHUANG Ying1，ZHOU Kui2

( 1.Sichuan Provincial Machinery Research & Design Institute, Chengdu 610063, China; 2.Sichuan Engineering Technical College, Deyang 618000, China )

In 5-axis NC machining, MCS ( Machining Coordinate System ) is the basis for the movement of machine tools and it is the basis for NC program, the location of the control pointP＝P'＋ΔP, P'is the base, it is calculated by the center of the rotation axis coincides with the origin of the MCS. The other component ΔPis due to the center of the rotation axis does not coincides with the origin of the MCS, which causes the difference in the position of the assumed position and the position of the tool loci in the program. In this paper, the calculation formula of the position compensation for the position of the control point is studied. The post processing program is developed which can automatically generate the NC program with the automatic compensation function of the rotation center offset. It is suitable for the 5-axis machining program which does not have the function of RTCP and the rotation center offset automatically.

5-axis；NC machining；coordinates transformation；rotary center；offset；compensation；algorithm

TP391.72

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.018

1006－0316 (2018) 07－0077－04

2018－03－09

莊瑛（1969－），女，四川成都人，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造與自動(dòng)化；周奎（1973－），男，四川渠縣人，工程碩士，教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化制造及自動(dòng)檢測(cè)。