基于D-H參數(shù)法的四軸機床UG后處理研究

王守鵬，杜 威

(吉林化工學(xué)院 航空工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

在三軸立式數(shù)控機床上添加一臺A軸回轉(zhuǎn)工作臺，并將A軸回轉(zhuǎn)工作臺控制系統(tǒng)加入機床數(shù)控系統(tǒng)，就可組裝成四軸加工數(shù)控機床.在投入較少的情況下，使該數(shù)控機床的加工范圍得到極大地擴展.如何能使機床發(fā)揮最大的性能，除了機床本身的機械性能外，也離不開功能強大的NX代碼程序控制.由于數(shù)控機床種類及結(jié)構(gòu)多樣且復(fù)雜，無法開發(fā)出滿足所有數(shù)控機床的后處理程序，這就要求每一臺數(shù)控機床都要開發(fā)出其專用的后處理程序.主要研究內(nèi)容：A軸回轉(zhuǎn)的四軸數(shù)控機床坐標(biāo)變換算法，并根據(jù)該算法構(gòu)建后處理程序.

1 四軸數(shù)控機床后置處理算法

圖1是Vericut軟件中建立的四軸機床模型，其機械結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)與實際機床完全相符，在此模型上驗證后處理的準確性可以大大節(jié)省調(diào)試時間.

圖1 帶A轉(zhuǎn)軸的四軸數(shù)控機床

1.1 D-H參數(shù)法坐標(biāo)變換原理

對四軸機床后處理算法的研究，就是對剛體一般運動的研究.其核心是對剛體一般運動的分解.剛體的一般運動可以用位置和姿態(tài)的時間歷程來描述.

即：失徑rc=rc(t)，姿態(tài)qc=qc(t)，其中rc代表失徑，qc代表歐拉角坐標(biāo)陣.

(1)

圖2 刀位點參考基向量圖

(2)

其中AOC是連體坐標(biāo)系相對于工件坐標(biāo)系的方向余弦，刀位點坐標(biāo)可以表示為k點坐標(biāo)方程：

xk=xk(rc(t),q(t)),yk=yk(rc(t),q(t)).

(3)

1.2 帶A軸轉(zhuǎn)臺機床后處理算法

根據(jù)所研究數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)進行分析，其第四軸A軸的Y坐標(biāo)和Z坐標(biāo)位置始終不變，在編程過程中，通常以A軸的Y坐標(biāo)和Z坐標(biāo)作為工件坐標(biāo)系的Y坐標(biāo)和Z坐標(biāo)，以簡化后置程序的復(fù)雜性.此次算法研究將工件坐標(biāo)系的Y坐標(biāo)和Z坐標(biāo)與A軸的相應(yīng)坐標(biāo)建立在同一位置，以便進一步研究.

(4)

其中Ark為刀具與參考基之間的方向余弦[1-5].

根據(jù)運動學(xué)方向余弦的定義:

(5)

因為機床只有A一個旋轉(zhuǎn)軸，其姿態(tài)角可以定義為θ，因此方向余弦可以改寫為：

(6)

通過公式(5)方向余弦Ark和連體基上的刀位點kb求解：

(7)

得出機床各直線軸運動數(shù)據(jù),即得到四軸機床后置處理基本算法[6].

2 UG POST Builder后處理軟件開發(fā)

2.1 后處理工作流程

NX是一款功能十分強大的CAD/CAM軟件，在按工藝要求生成軌跡后，如圖3(a)所示，可以直接導(dǎo)出CLSF刀位文件，如圖3(b)所示.由于機床結(jié)構(gòu)的多樣性，CLSF不能直接驅(qū)動機床，必須對其符號進行替換，其輸出刀位軌跡的姿態(tài)角和連體基都建立在刀位點上，這就要求后處理程序按機床需求對刀位軌跡進行坐標(biāo)變換，最終生成機床能夠識別的NC程序，如圖3(c)所示.

后置處理流程圖，如圖4所示.

(a)刀具軌跡

(b)CLSF刀軌對話框

(c)CLSF刀位點程序圖3 UG生成的CLSF刀位文件

圖4 后置處理工作流程

(7)

2.2 UG Post Builder流程

文中所采用的是原上海Fadal機床廠生產(chǎn)的FAUNC 0I MATE機床，在中期維護后，因教學(xué)需要，該數(shù)控機床通過改造添加A軸回轉(zhuǎn)工作臺(第四軸)，經(jīng)過后處理需要輸出符合ISO標(biāo)準的準備功能G代碼、輔助功能M代碼、刀具功能T代碼、轉(zhuǎn)速功能S代碼[4]，還要對坐標(biāo)功能字X/Y/Z/A坐標(biāo)進行變換輸出.軟件包含標(biāo)準模版，使用者可以根據(jù)自己的需求修改相應(yīng)的模塊；在四軸后處理方面，主要修改三個模塊包括“Program Start Sequence”、“Tool Path”和“Program End Sequence”，如圖5所示.

(a) Program Start Sequence

(b) Tool Path

(c) Program End Sequence圖5 UG Post后處理模版

“Program Start Sequence”主要管理代碼起始段輸出格式，如圖5(a)所示，每一類數(shù)控系統(tǒng)對輸入的代碼都要進行格式檢測，符合要求才能被正確的使用，如Fanuc系統(tǒng)要求在程序的開頭輸入“%換行“O0001”機床才能正確讀寫輸入程序.注：O0001是ISO標(biāo)準程序名.

“Tool Path”是刀位點變換的核心，如圖5(b)所示，包括“Linear Move ”直線插補、“Circular Move ”圓弧插補和“Rapid Move”快速移動三個子模塊，其大體格式包括“G_Motion X-coordinate Y-coordinate Z-coordinate Fourth_axis 4th axis Angle F_Feed Rate M_Spindle S_Spindle speed”.

其中：

X-coordinate:輸出X坐標(biāo)；

Y-coordinate:輸出Y坐標(biāo)；

Z-coordinate:輸出Z坐標(biāo)；

Fourth_axis 4th axis Angle:輸出A軸旋轉(zhuǎn)角度；

F_Feed Rate:根據(jù)CLFS刀位文件輸出F代碼，表示加工進給速度；

M_Spindle:主軸旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)CLSF輸出M03/M04；

S_Spindle speed:輸出主軸轉(zhuǎn)速.

圖6 A軸坐標(biāo)變換表達式對話框

3 生成代碼及仿真驗證

為了提前發(fā)現(xiàn)程序中的干涉、碰撞問題，此次采用當(dāng)今比較流行的仿真軟件VERICUT作為程序驗證工具[7-10]，具體操作流程包括：

1.零件三維數(shù)字建模，生成的模型及毛坯除加工工序使用外還要導(dǎo)出STL格式，為VERICUT軟件驗證提供模型；

2.創(chuàng)建零件的四軸工序，包括：“程序順序視圖”設(shè)置程序列表相關(guān)參數(shù)，“機床視圖”設(shè)置刀具相關(guān)參數(shù)，“幾何視圖”設(shè)置坐標(biāo)系、毛坯和幾何體等相關(guān)參數(shù)，“加工方法視圖”粗精加工與工序有關(guān)的參數(shù)，如圖7(a)所示；

3.后處理生成NC代碼，如圖7(b)所示；

4.在Vericut軟件中進行程序驗證，如圖7(c)所示.

(a) 創(chuàng)建四軸工序

(b) 后處理生成NC代碼

(c) Vericut仿真圖7 加工生成及仿真

4 結(jié) 論

UG多軸加工在生產(chǎn)中具有非常優(yōu)異的性能，優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在數(shù)控加工上，還包括數(shù)字建模、軌跡生成、后處理代碼，直到最后加工等多個環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)互相依存、缺一不可.一個好的后處理程序可以發(fā)揮軟件及加工的全部優(yōu)勢，一個有缺陷的后處理可能造成很大的損失.我國數(shù)控加工起步相對較晚，但發(fā)展迅猛，大量先進機床需要正確和優(yōu)化后的后處理程序.通過D-H算法建立針對四軸數(shù)控機床的數(shù)學(xué)模型，并將該模型通過Ug Post Builder轉(zhuǎn)換成機床能夠使用的四軸后處理程序，通過仿真驗證證明方法的可行及可靠性.