带回转 倾斜工作台5坐标数控铣床后处理.docx

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带回转倾斜工作台5坐标数控铣床后处理

毕业设计（论文）

译文及原稿

译文题目：

带回转/倾斜工作台5坐标数控铣床后处理

原稿题目：

NCpost-processorfor5-axismillingmachineoftable-

rotating/tiltingtype

原稿出处：

JournalofMaterialsProcessingTechnology130–131

（2002）641–646

带回转/倾斜工作台5坐标数控铣床后处理

摘要：

自由曲面，三轴以上机械加工时，需要CAD/CAM系统为刀具提供定位和走向的数据。

这些数据按照工件坐标系定义以后，它们需要转换成基于机床坐标系的机加工控制指令，这一从头尾的转换过程就叫做数控代码的后置处理。

大多数商业化的CAD/CAM软件厂商可以为每一种5坐标数控机床提供这种后处理。

然而，由于旋转轴存在非对称运动极限，；在逆向加工过程中这种处理可能导致一些错误操作。

本项工作为典型的工作台回转/翻转类5坐标数控机床后处理提出了高效率的计算准则。

第一项准则是避免逆向加工过程中工件和机床刀具产生冲突。

第二项是提供较好的加工路径，使加工过程中需要较少的逆向加工。

关键词：

数控；后处理；翻转；逆向加工；CAD/CAM

1引言

为提高加工效率和表面质量，5坐标数控铣床广泛采用先进技术用于加工航空航天，汽车，冲模/模具等制造业工业领域里有价值的复杂3D曲面。

机械加工具有三个以上自由度的自由曲面需要CAD/CAM系统为刀具提供定位和路径的数据。

这些数据按照工件坐标系定义以后，它们需要转换成基于机床坐标系的机加工控制指令，这一从头到位的转换过程就叫做数控代码的后置处理。

与机械手相似，它是可以通过坐标系在机械零件上一系列相互协调的改变来实现。

各种各样的研究都致力于为机床工业解决并发展后处理问题。

Sakamoto和Inasaki[1]按照结构布局把5坐标数控机床分为三类。

Lee和She[2]通过分析得到逆运动的解析方程从而得到数控代码的模型。

Sakamoto和Inasaki.Suhetal.[3]提出5坐标机床联动的计划。

Kruth和Kelwais[4]提出通过数控代码模拟来缓和刀具自由定位产生的冲突，这也就是后处理。

5坐标机床至少有一个旋转轴具有运行限制。

任何后处理器能够处理运行极限但并不适用于上述问题。

大多数的CAD/CAM软件商能够为5轴加工产生走刀路径的数据，并为若干种5轴机床提供这种后处理器。

然而，由于旋转轴存在非对称运动极限，在逆向加工过程中这种处理可能导致一些错误操作。

本项工作致力于开发一种高效的运算法则，用于典型的带回转/翻转工作台5轴数控铣床（TRT）后处理器，这一铣床被广泛的应用于加工中小尺寸的零件。

2五轴铣床的后处理过程

2.1五轴铣床的分类

虽然按照刀具运动所具有的五个自由度（DOF）可以有很多类型，但是按照结构布局可以把五轴铣床分为三种基本类型[1]如图1所示。

图1所示a类铣床主轴具有X,Y和Z三个方向移动的自由度，回转工作台具有两个绕A和C两轴转动的自由度。

这类铣床被认为是最经济的，因为它可以由仅在3轴铣床工作台上增加一回转/翻转机构来实现5个自由度。

这类铣床主要优点叙述如下，主轴不再倾斜，所承担的负荷比其他任何类型的都要小，此外，工作台可绕C轴旋转，这类铣床可较好的加工圆弧和外形轮廓线。

b类铣床铣刀杆具有五个自由度，其中三个直线运动自由度，两个转动自由度。

这类铣床优点是不需要工作台回转或翻转，适合加工大宗笨重的工件。

c类铣床铣刀轴具有3个直线移动和一个转动自由度，工作台具有一转动自由度。

适用范围与a类差不多，广泛的用于加工中小型冲模/模具业零件。

（a）工作台回转/翻转式类（b）主轴回转/翻转式（c）工作台/主轴—倾斜式

图1五轴数控铣床分类

2.2TRT机床的运动学模型

5轴机床从CAD/CAM系统取得的刀位数据是切削刀位置和取向数据，如图2所示，定义工件坐标系如下：

P=[xyz]

（1）

N=[ijk]

（2）

其中P表示圆头槽铣刀半球状部分中心点的位置，N表示刀具的走向失量。

图25轴铣床圆头槽铣刀到位数据

图3TRT类5轴机床动力学模型

对于5轴数控铣床来说，输入到机床控制系统的数据是定义在机床坐标系上的，而不是定义在工件坐标系上的刀位数据。

图3显示出典型TRT类机床动力学模型，也就是这项研究的目标。

一般说来，对数控铣床而言X,Y,Z三坐标轴与主轴传动轴中的移动轴平行。

对旋转运动而言，A轴和C轴自行旋转的正方向是分别沿着X和Z轴的负方向看过去。

工件坐标系位原点于工作台中心，和机床坐标系原点在Dy和Dz方向有一定偏移。

刀位数据是定义在工件坐标系上的，为了用它计算出机床控制指令中的[TXTYTZθXθYθZ]，在某些连接处我们额外定义了一些坐标系[xyzijk]，如图4所示。

图中Xw–Yw–Zw坐标系是为了定义工件坐标系而定义的，认为他是固定不变的全球性坐标系。

坐标系XA–YA–ZA是由工件坐标系在‘α’连接点绕Zw轴旋转θC角度得到的。

XB–YB–ZB坐标系是‘α’坐标系沿YA轴负方向移动DY，在ZA轴正方向移动DZ得到的。

XC–YC–ZC是‘γ’坐标系，由机床坐标系绕XB轴旋转θA得到。

XT–YT–ZT是刀具坐标系，沿‘γ’坐标系在XC坐标轴移动TX，沿YC轴移动TY+DY,沿ZC轴移动TZ-DZ得到。

TX,TY,和TZ是刀具中心相对于工件坐标系原点的位置。

图4坐标系变换矩阵

2.3机床坐标的计算

从CAD/CAM系统得到的刀位数据是刀具的位置和走向，它是定义在工件坐标系的。

而TRT类5轴数控铣床的铣刀轴与机床坐标系的Z轴平行。

因此，5个需要计算出的输入数据中，有三个主轴的直线运动（分别是TX,TY,和TZ），和两个工作台的转动（是θA和θC）。

这些数据必须向CL数据一样，在工件上出同样的刀具的位置和走向。

因此，输入的数据由表示刀具位置和走向的刀具坐标系决定，这一坐标系是根据工件坐标系定义，所输入的数据与已知的CL数据所表示的刀具位置和走向必须一致。

公式3表示同一坐标系的乘法矩阵变换[5]。

公式4表示由公式3和已知位置CL数据计算出的方向向量——[i,j,k]，公式5表示由公式3和已知方向CL数据计算出的刀位数据——[x,y,z]:

（3）

（4）

（5）

式中T表示从上部字母坐标系到下部字母坐标系变化的变换矩阵，W表示工件坐标系，T表示刀具坐标系，A，B和C表示每一连接点处的坐标系。

公式4和5中θA,θC,TX,TY,TZ定义如下：

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

由公式6可以看出，A可以去两个CL值。

这表明，如果变化在机床的操作极限内，TRT类机床的工作台可以做出两个动作，使得刀具实际走向与CL数据信息所反映的走向一致。

3高效率的后处理算法

尽管以前的后处理算式可以计算出机床控制命令的数控代码，但是这些代码在控制5轴机床运行时可能产生一些意外的麻烦。

考虑到TRT类5轴机床的特点，本项目中，我们已经提出一些有效的后处理算法。

3.1逆向加工过程的避免冲突的算法

大多数TRT类5轴机床A轴具有不对称的回转极限。

因此，当一计算出的工作台取向违反了机床的这一运行极限，后处理器不得不选择另一种对称的姿势使其与公式6中的‘A’相一致，这就机床运行产生了不连续性，这一处理过程被称为‘反向处理阶段’。

图5相位反向过程的刀具冲突

后处理器所计算的一系列连续的机床动作我们称为‘加工路径’，由公式（6），（7），（8），（9）和（10）可以看出，在反相处理阶段可能产生一些不必要的加工，造成意外的麻烦。

比如说，在加工过程中，5轴机床的工作台到达了其回转极限时如图5（a）所示，后处理器按图5（b）计算工作台反向动作。

在这一过程中工作台回转并且倾斜到新的位置，刀具直线的运动到新的位置，这样刀具和工作台上的工件之间可能产生图5（b）所示的冲突。

图6避免刀具冲突的反向处理过程

为了防止这一问题的出现，反向处理过程中避免冲突，我们提出全面稳定的计算法则。

在反向操作之初如图6（a）所示，刀具沿Z轴正方向快速移动一段距离，如图6（b）。

然后如图6（c）所示，为了与逆向加方向与现在对称，工作台回转并倾斜。

与此同时，刀具快速移动到与X和Y坐标值对称的位置，如图6（d），而Z的坐标值不变。

最终，在刀具快速降落Δd距离后，使其与原加工点对称，如图6（e），然后刀具以一定切屑速度切入工件，如图6（f）所示。

这一计算法则的优点叙述如下：

（1）刀具在工作台运动范围外移动，避免了与工件冲突。

（2）控制刀具，切削速度，计算管理的大多数步骤在较高的速度下运行，比其他后处理运算要快

3.2一需要较少的反向处理阶段的运算法则

如前所述TRT类机床可以做出两个的动作去适应CL数据中唯一的刀具取向。

因此，许多加工路径有或者没有反向阶段，可能是由每一动作连接处的刀具走向决定，刀具走向数据来源于CL文档。

至今为止，反向阶段造成时间的浪费，并且使机械零件的表面加工质量降低，大多数的后处理器是通过在以前的加工动作中选择相近的一个来制定加工路径。

然而，如果两个动作都符合CL数据的起始点并且在机床运行极限内，这可能保留两种类型的加工路径。

例如，有两个加工路径（a）和（b），开始的方向分别是A和B，此后的起始动作都在机床A轴的运行极限内，如图7所示。

因为（b）路径具有较少的反向处理过程，所以（b）路径比（a）路径效率更高。

图7两个符合CL数据的加工路径

图8以CL文档的形式为两种加工路径做出了图表简介。

图8中，‘A’路径需要两个反向过程。

相反的，‘B’路径只需要一个，这比‘A’路径要好。

为了选择一个具有较少反向过程的号路径，需要从头到尾的检测每一个路径的反向过程数。

在我们提到的算法可以得出，首先具有反向过程的路径比另一路径具有的反向过程多。

也就是说，我们可以在第一个反向过程出现时决定哪条路径是好的，而不用检测到每条路径的末尾，因为首先具有反向过程的路径比另一路径具有的反向过程多。

图8路径较少的反向处理算法

4结论

这一项目中，我们为典型的TRT类5轴机床发展并论证了一后处理器。

这一先进的处理器为机床Heidenhain控制器[6]提供NC代码，这一控制器是5轴机床上应用最为广泛的控制器。

我们用典型的5轴机床加工一轮胎模具，以检查我们的项目是否能够消除反向过程的冲突。

图9（a）显示了应用一典型的商业化后处理器的加工结果，一圆弧显示出，加工过程中出现了错误，因为反向过程中刀具与工件发生干涉。

图9（b）为应用这一先进后处理器的加工结果，表明整个加工过程中没有发生干涉。

（a）通过传统的后处理器模拟火灾模具（b）通过改良后的后处理器加工仿真

图9常规的模拟加工比较和开发的后处理器

5结束语

5轴数控机床广泛的应用于加工复杂3D形状，像冲模和模具零件。

为加工这类零件，机床采用CAD/CAM系统而不是手动或自动编程机（APT）产生CL代码，这需要一后处理器将直线移动转化为加工控制代码，他们不开放一些提示和他们的算法程序，这在后处理问题上给工人造成了很多麻烦。

TRT类5轴数控铣床广泛的应用于加工中小型零件，这一项目中我们为其后处理器提出了新的运算法则，叙述如下。

第一项准则是避免逆向加工过程中工件和机床刀具产生冲突。

我们也已经通过加工一典型的模具，与应用一典型的商业化后处理器相比较证实这一点，除此之外，还提高了加工效率。

第二项优点是提供较好的加工路径，使加工过程中需要较少的逆向加工路径。

它也不需要计算每一种可能的路径的反向数目。

鸣谢

韩国自然科学和工程学协会通过釜山大学的工程研究中心为本项研究提供帮助，作者在此表示感谢！