CN102269984A - 五轴联动数控加工的后置处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五轴联动数控加工的后置处理方法，包括：(1)分离出刀位文件中的规划进给量，以及刀位语句中的六个参数；(2)定义五轴数控机床中的非依赖旋转轴F轴的优势区间和劣势区间，以及相应的优势角θ_Fa和劣势角θ_Fd；(3)得到各刀位点对应的F轴的解θ_F＝arccos(k)，获得刀位文件中对应非依赖轴旋转的最大角度θ_Fmax；(4)确定出首行刀位数据的F轴的角度值

和依赖所述F轴的依赖轴E轴的角度值(5)获得E轴和F轴在各行刀位点上的角度值θ_E和θ_F；根据每行刀位数据对应的角度值，获得各行平动轴的解，即可完成刀位数据的转换，实现后置处理。本发明能够考虑刀位文件以及非依赖轴旋转极限，解决五轴联动数控加工逆向运动学选解问题。

Description

五轴联动数控加工的后置处理方法

技术领域

本发明涉及到多轴数控加工领域，尤其是涉及到将刀位文件转换为五轴联动数控铣床加工代码的后置处理方法。

背景技术

随着航空航天，造船，汽车，能源等工业的发展，多轴联动数控加工技术广泛的运用于高精密复杂曲面薄壁零件的加工中。CAM软件根据零件形状和工艺参数规划好刀路生成的刀位轨迹源文件并不能直接用来驱动数控机床。后置处理就是将刀位文件转换成机床数控系统可以识别并正确驱动机床运动的NC代码的处理过程。五轴联动机床相比于三轴与四轴机床，增加了多个自由度使刀轴方向更灵活，理论上可以加工任意自由曲面。但在后置处理中计算各轴的分量值时，存在两组可行的解，衍生出了选解问题，如果选解不当将造成机床迅猛大幅摆动，控制失衡可能发生严重的部件碰撞，威胁加工安全。Y.H.Jung等人在2002年的Journal of Materials Processing Technology杂志上提出了一种能够优化选解的算法，但是该算法必须首先生成出两种NC代码，然后选用通过角度的反向来确定一个合适的NC代码用于加工，算法很不方便。

发明内容

为了克服后置处理软件中逆向运动学选解不当可能造成的安全问题，以及避免因首个刀位点计算旋转轴角度选解错误造成的不必要的超程处理引发的抬刀-进刀，从而影响加工质量的问题，本发明提供了一种五轴联动数控加工的后置处理方法，综合考虑刀位文件、旋转轴极限和可视化问题，不必生成两个NC程序，就能够解决选解不当造成的加工问题。

五轴后置处理区别于三轴，四轴后置处理在于通过刀轴矢量计算旋转轴角度的时候，存在两组可行解。

以双摆台(B轴C轴)五轴联动机床为例，来说明产生双解的原因：

[i，j，k]^T为刀位点对应的刀轴矢量。B轴为非依赖轴，其旋转角度用θ_B来表示，C轴轴心线依赖于B轴的旋转为依赖轴，其旋转角度用θ_C表示。假设加工坐标系与机床坐标系方位相同，并且固定。刀具坐标系起初与加工坐标系重合此时刀轴矢量如下[0 0 1]^T，经过两次旋转变换，变为刀位点对应的刀轴矢量[i j k]^T，则有如下方程式：

$\mathrm{Rot}(Z,{\mathrm{\θ}}_C)\×\mathrm{Rot}(Y,{\mathrm{\θ}}_B)\×\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ k\end{array}\right]$ (式1)

展开得

$\left(\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_C& -\sin {\mathrm{\θ}}_C& 0\\ \sin {\mathrm{\θ}}_C& \cos {\mathrm{\θ}}_C& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_B& 0& \sin {\mathrm{\θ}}_B\\ 0& 1& 0\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_B& 0& \cos {\mathrm{\θ}}_B\end{array}\right)\×\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ k\end{array}\right]$ (式2)

$\left(\begin{array}{c}\sin {\mathrm{\θ}}_B\cos {\mathrm{\θ}}_C\\ \sin {\mathrm{\θ}}_B\sin {\mathrm{\θ}}_C\\ \cos {\mathrm{\θ}}_B\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}i\\ j\\ k\end{array}\right)$ (式3)

非依赖轴B轴的两个解：θ_B1＝-arccos(k)，θ_B2＝arccos(k)；

将计算出来的非依赖轴B轴角度值θ_B1，θ_B2带入式(3)中，可以计算出对应的依赖轴C轴的旋转角度值θ_C1，θ_C2。

以上可以看出，计算出的非依赖轴B轴的两个旋转角度互为相反数，而依赖轴C轴的两个旋转角度相隔180°，如果选解错误，将造成旋转轴(B轴和C轴)大幅度旋转(非依赖轴朝相反方向旋转，依赖轴迅速旋转180°)造成毛坯，夹具刀具的破坏和主轴的损坏，甚至威胁加工人员安全。

由于CAM软件生成刀路的时候，用许多小直线段来逼近一条曲线。为了保证运动的连续性，后置处理时，应该保证每行刀位点矢量计算出的两个旋转轴的解，都要基于前一行代码的反解，这是满足运动的连续性要求，对于首个刀位点的处理却没有连续性的要求，由此可知首个刀位点计算的非依赖轴的解可以选择正值或者负值。首个刀位点的选解很重要，其后刀位处理的所有解的选取均依赖于首个刀位点的解，选择不当轻则造成不必要的超程，重则造成严重的碰撞(没有加入退刀-进刀的处理)。即使加入超程处理，加工过程中的进退刀也会影响加工的质量。传统后处理算法不能根据待处理的刀位文件来合理选择首行刀位的旋转轴的解，本发明能够处理首行刀位点数据合理的选解，消除由于首行刀位计算出的依赖轴的旋转角度选解不当造成的超程现象，甚至避免未加入超程处理的严重碰撞。

本发明是通过以下的技术方案实现的：

一种五轴联动的后置处理方法，根据被加工部件的造型特征，利用CAM软件生成刀位轨迹源文件(CLSF)简称刀位文件。采用C++语言编制软件，提供接口来接收一些机床参数(如旋转轴极限，可视区间，是否采用刀尖点跟随功能)对刀位文件进行处理。对刀位文件进行处理的步骤有：

读入刀位文件；

接收机床参数；

对机床参数进行预处理；

解析刀位文件，提取刀位点位置和对应的刀轴矢量；

根据后置处理旋转轴选解算法，转化输出NC代码。

所述的机床参数的预处理的步骤包括：

根据非依赖轴行程极限确定非依赖轴的优势区间和劣势区间。

所述的后置处理旋转轴选解算法的步骤包括：

确定首个刀位点非依赖轴反解所在区间的算法；

确定首个刀位点旋转轴的解；

根据依赖轴旋转量最小算法处理余下的刀位文件。

首个刀位点非依赖轴解的区间选择的算法步骤包括：

遍历刀轴矢量[i j k]的k值，计算k值对应的非依赖轴旋转角度。确定所有刀位点非依赖轴能够达到的最大角度值的绝对值，记为

根据旋转轴极限，定义优势角(优势区间的极限值)记为

劣势角(劣势区间的极限值)记为

根据

三者的关系，分三种情况进行处理。在满足要求的情况下，确定首个刀位点的非依赖轴解的所在区间。

在选定的区间中确定最终的非依赖旋转角度值，进而确定对应的非依赖轴旋转角度值。

上述所述三种情况之一：

时，软件提示机床无法满足加工该刀路的要求，请调整刀路或者换用其他机床。

情况之二：

时，若定义了可视区间，则依据可视区间正负将首个刀位点非依赖轴解的选择区间设定在可视区间内。若没有定义可视区间，则依据依赖轴旋转量最小子算法处理。

情况之三：

时，将首个刀位点非依赖轴解的选择区间设定在优势区间内。

所述的依赖轴旋转量最小算法，是指根据刀位文件当前行刀位数据计算出依赖轴的两个解，选择最接近上一行依赖轴角度的解作为本行刀位计算出的依赖轴旋转角度最终解的算法。该算法能够保证运动的连续性，其具体步骤如下：

根据当前刀位点的刀轴矢量计算依赖轴的两个解；

将两个解与前一行刀位数据已经确定的依赖轴角度值比较，选择与前一依赖轴旋转角度最接近的一个解作为此行刀位点依赖轴的最终解；

根据此行刀位点依赖轴的最终解来确定相对应的非依赖轴的解，直到转换完所有的刀位点数据。

用CAM软件为某叶轮规划好刀具路径以后，运用该后置处理算法编制的后置处理软件转换了刀位文件，成功避免了某商用后处理软件因为选解不当造成的干涉和撞刀现象，有重要的现实意义。

附图说明

图1为该后置处理算法的流程图；

具体实施方式

以下将结合各附图进一步阐述具体的实施方式：

附图1所示为本发明后置处理算法的流程图。以MIKRONHSM600U机床加工某叶轮叶片为例，来阐明后置处理算法。该机床结构形式为双转台式，其中B轴为非依赖轴行程极限为-110°～30°，而C轴为依赖轴行程极限为0°～360°。非依赖轴在负角区间的活动范围为-110°～0°大于正角区间活动范围0°～30°，因而定义负角度区间为优势区间，-110°为优势角。正角度区间为劣势区间，30°为劣势角。当非依赖轴旋转为正角度时，该机床上加工的零件被旋转部件遮挡，不便于机床操作人员观察加工过程，而当非依赖轴旋转为负角度时，起床操作人员视线不会被遮挡，可以很方便的观察加工过程，因此定义负区间为可视区间(当加工过程完全呈现在面前时，可以在加工时候及时发现异常情况，尤其是在机床上首次采用某刀路加工零件时)。

首先，数控编程人员根据零件形状和工艺要求在CAM软件中规划好具体的刀路，生成刀位文件，如：UG编制燃油机叶轮的加工程序。UG编写的刀位轨迹源文件即CLSF，后缀名为cls，该文件主要描述的是在加工坐标系下刀位点的坐标以及刀轴矢量，然后对于刀位文件的参数进行提取和处理。

处理过程包括分离CLSF中规划的进给量，以及刀位点总数N，刀位点GOTO/语句中的六个参数[x y z i j k]。前三个参数是在加工坐标系下的刀位点坐标，后三个参数是指加工坐标系下刀轴的矢量方向。用[x y z i j k]ⁿ表示第n行刀位数据即规划的刀路中第n个刀位点的信息，其中n∈[1，N]。将这些参数保留在计算机内存中，做进一步的运算。

与此同时，后置处理软件提供接口来接收机床参数，将接受的机床参数做预处理。机床参数包括旋转轴的极限，是否采用刀尖点跟随，可视区间正负，公差设置，旋转轴之间的偏置关系等。

由于整个后置处理编程系统功能较多比较复杂，而本发明的核心在于考虑旋转轴极限来合理选择运动学反解。所以，这里仅介绍对于旋转轴极限的预处理，对于其他参数的预处理不做介绍。

首先定义优势角、劣势角以及可视区间正负，可视区间的定义并不是必须的。其中，非依赖旋转轴行程的正负区间中，行程较大的区间为优势区间，较小者为劣势区间，优势区间的极限角定义为优势角，劣势区间的极限角定义为劣势角。针对本实施例的机床，其非依赖轴优势角θ_Ba＝-110°，劣势角θ_Bd＝30°，优势区间为负，劣势区间为正，可视区间为负。

将刀位轨迹文件中所有刀位点对应的刀轴矢量[i j k]的k值进行遍历，第n个刀位点刀轴矢量[i j k]ⁿ对应的非依赖轴B轴的解

n从1变化至N时，选择

的最大值作为刀位文件中对应非依赖轴旋转的最大角度θ_Bmax。

比较最大B角θ_Bmax，优势角θ_Ba，劣势角θ_Bd三者的关系，分三种情况进行处理。

情况一：最大B角θ_Bmax＞优势角绝对值|θ_Ba|，提示该机床结构不能加工该刀路，请换机床或者重新规划刀路。

情况二：最大B角θ_Bmax＜劣势角绝对值|θ_Bd|，说明计算出来的B轴旋转值无论在正负区间都在非依赖旋转轴行程极限以内，若定义了可视区间，则将首个刀位点的解区间定义在可视区间。重新逐行读入CLSF文件中GOTO/语句[x y z i j k]。对第一行刀位点在可视区间中唯一确定B值。

计算首行刀位数据[x y z i j k]¹对应的非依赖轴B轴在可视区间中的解，本实施例的机床的可视区间为负，则

参数的上标数是表示刀位文件中待处理的刀位序号，以及由该序号刀位点求解的结果；然后确定首行GOTO/语句中的依赖轴C角度值

如下计算公式：

j＝0，i＜0时

j＝0，i＞0时

j＞0时

j＜0时

若不定义可视区间，则根据首行刀位数据[x y z i j k]¹计算出对应依赖轴C轴的两个解，

j＝0，i＜0时

j＝0，i＞0时

j＞0时

j＜0时

选择使C轴旋转量最小的一个解作为首行刀位数据的依赖轴最终解

根据此解求唯一对应的非依赖轴首行刀位B轴解

当

若

则依赖轴角度

${\mathrm{\θ}}_C^1={\mathrm{\θ}}_{C1}^1;$

若

则依赖轴角度

${\mathrm{\θ}}_C^1={\mathrm{\θ}}_{C2}^1;$

当

若

则依赖轴角度

${\mathrm{\θ}}_C^1={\mathrm{\θ}}_{C1}^1;$

若

则依赖轴角度

${\mathrm{\θ}}_C^1={\mathrm{\θ}}_{C2}^1;$

若

则首行刀位非依赖轴B轴角度解的所在区间为负， ${\mathrm{\θ}}_B^1=-\arccos \left(k\right);$

若

则首行刀位非依赖轴B轴角度解的所在区间为正， ${\mathrm{\θ}}_B^1=\arccos \left(k\right);$

情况三：|θ_Bd|＜θ_Bmax＜|θ_Ba|，说明在优势区间满足非依赖轴加工行程的要求，而在劣势区间不满足非依赖轴加工的行程要求。此时刀位文件中GOTO/语句的首个刀位点计算出的非依赖轴B轴的解区间应该选择在优势区间。

本实施例中，优势区间是在负区间，第一行刀位数据[x y z i j k]¹计算的非依赖轴解(如果优势区间是在正区间则非依赖轴角度值

然后根据所求的B轴的角度值

最终确定首行刀位数据依赖轴C轴的角度值

有如下的计算公式：

j＝0，i＜0时

j＝0，i＞0时

j＞0时

j＜0时

对情况二和情况三的处理已经得出首行刀位数据计算的旋转轴角度值

和接下来从第二行刀位点数据开始读取，读入刀位文件中的刀位数据，如下的处理步骤完成后置处理过程：

①将n赋予初值，n＝2；

②根据第n行刀位数据中的刀轴矢量[i j k]ⁿ计算出依赖轴C轴旋转角度的两个数值解其中

③将所得

分别与前一行刀位数据计算出的依赖轴C轴终解

对比，选择致使依赖轴C轴的旋转量最小的解作为第n行刀位数据计算出C轴的最终旋转角度然后计算该C轴旋转角度对应的B轴解作为B轴第n行刀位数据的最终值

结合第n行刀位点坐标[x y z]ⁿ输出各移动轴(X轴Y轴Z轴)和旋转轴(B轴C轴)的值。

④n值自增1。

⑤重复②③④步直到完成最后一行刀位数据的转换过程即n＝N时。

根据第n行刀位数据[i j k]ⁿ求解依赖轴两个解

有如下计算方法：

j＝0，i＜0时

j＝0，i＞0时

j＞0时

j＜0时

根据第n行刀位数据对应的依赖轴C轴的两个解

以及依赖轴C轴前一行刀位数据的最终解

确定第n行刀位点的C轴旋转角以及进一步确定B轴旋转角

的过程，有如下的计算方法：

定义

分别为第n行刀位依赖轴取解

时对应的依赖轴C轴的旋转量。

当

时

当

时 ${\mathrm{\Δ\θ}}_{C1}^n=|{\mathrm{\θ}}_{C1}^n-{\mathrm{\θ}}_C^{n-1}|$

当时

当时 ${\mathrm{\Δ\θ}}_{C2}^n=|{\mathrm{\θ}}_{C2}^n-{\mathrm{\θ}}_C^{n-1}|$

当时

此时依赖轴解的所在区间为负，

${\mathrm{\θ}}_B^n=-\arccos \left(k\right);$

当

时

此时依赖轴解的所在区间为正，

${\mathrm{\θ}}_B^n=\arccos \left(k\right);$

Claims (10)

1.一种五轴联动数控加工的后置处理方法，包括如下步骤：

(1)对刀位文件的参数进行提取和处理，分离出刀位文件中的规划进给量，以及刀位语句中的六个参数；

(2)定义五轴数控机床中的非依赖旋转轴F轴的优势区间和劣势区间，以及相应的优势角θ_Fa和劣势角θ_Fd；

其中，优势区间指非依赖旋转轴F轴行程的正负区间中行程较大的区间，劣势区间为行程较小的区间，优势角即优势区间的极限角，劣势角为劣势区间的极限角；

(3)将刀位文件中所有刀位点对应的刀轴矢量[i j k]中的k值进行遍历，得到各刀位点对应的F轴的解θ_F＝arccos(k)，比较各刀位点所得的θ_F，得到刀位文件中对应F轴旋转的最大角度θ_Fmax；

(4)比较所述最大角度θ_Fmax，优势角θ_Fa，劣势角θ_Fd三者的关系，确定出首行刀位数据的F轴的角度值

和依赖所述F轴的依赖轴E轴的角度值

(5)从第二行刀位数据开始，逐行对刀位数据中的刀轴矢量[i j k]进行处理，获得E轴和F轴在各行刀位点上的角度值θ_E和θ_F；

根据每行刀位数据对应的角度值θ_F和θ_E，获得各行平动轴的解，完成刀位数据的转换，即可实现后置处理。

2.根据权利要求1所述的后置处理方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，确定首行刀位数据的F轴的角度值

和依赖轴E轴的角度值

的具体过程为：

(一)如果θ_Fmax＜|θ_Fd|，则首先根据首行刀位点数据[x y z i j k]¹计算依赖轴E轴的两个解

其中

再选择使所述E轴旋转量最小的一个解作为首行刀位的E轴的角度值

最后根据得到的角度值

获得的非依赖轴F轴的角度值

(二)如果|θ_Fd|＜θ_Fmax＜|θ_Fa|，此时刀位文件中的首个刀位点对应的F轴的角度值选择在优势区间，即若优势区间为负区间，则角度值

否则

然后根据所求的角度值

确定出首行刀位点对应的依赖轴E轴的角度值

3.根据权利要求1或2所述的后置处理方法，其特征在于，所述的步骤(一)中，还可通过先确定可视区间，从而得到首行刀位数据中非依赖轴F轴的角度值

和依赖轴E轴的角度值

其中，所述可视区间指加工的零件不被旋转部件遮挡的区间，具体过程为：

首先，将首个刀位点的非依赖轴的解定义在可视区间，再对于第一行刀位语句，在可视区间中确定非依赖轴F轴的解

然后根据首行刀位点数据[x y z i j k]¹计算非依赖轴

若可视区间为负则

否则

最后确定首行刀位中

所对应的依赖轴E轴的角度值

4.根据权利要求2或3所述的后置处理方法，其特征在于，所述的步骤(5)中，从第二行开始，确定各行刀位数据的F轴和E轴的角度值和的具体步骤如下，其中，n表示正在处理的刀位点序号，N表示刀位文件中刀位点总数：

(5.1)将n赋予初值，n＝2；

(5.2)根据第n行刀位数据中的刀轴矢量[i j k]ⁿ计算出E轴旋转角度的两个数值解

其中

(5.3)将所得

分别与前一行刀位数据计算出的E轴终解

对比，选择致使E轴的旋转量最小的解作为第n行刀位数据计算出E轴的最终旋转角度

然后计算E轴旋转角度对应的F轴解作为F轴第n行刀位数据的最终值结合第n行刀位点坐标[i j k]ⁿ输出各移动轴和旋转轴的值；

(5.4)n值自增1；

(5.5)重复步骤(5.2)-(5.4)，直到完成最后一行刀位数据的转换过程即n＝N时。

5.根据权利要求1-4之一所述的后置处理方法，其特征在于，所述五轴联动数控机床为双转台式BC轴机床，B轴为非依赖旋转轴，C轴为依赖旋转轴，根据第n行刀位数据[i j k]ⁿ求解C轴两个解

的计算过程如下：

j＝0，i＜0时

j＝0，i＞0时

j＞0时

j＜0时

6.根据权利要求5所述的后置处理方法，其特征在于，所述步骤(二)中，根据所求的B轴角度值

确定出首行刀位点对应的依赖轴C轴的角度值

的具体过程为：

(I)若

为负：

j＝0，i＜0时，

j＝0，i＞0时，

j＞0时，

j＜0时，

(I)若

为正：

j＝0，i＜0时，

j＝0，i＞0时，

j＞0时，

j＜0时，

7.根据权利要求2-4之一所述的后置处理方法，其特征在于，所述五轴联动数控机床为双转台式BC轴机床，B轴为非依赖旋转轴，C轴为依赖旋转轴，所述步骤(一)中根据首行刀位数据计算出的依赖轴C轴的两个解

和

选择使首行刀位数据依赖轴C轴旋转量最小的一个解

的具体过程为：

(i)

时

若

则依赖轴角度 ${\mathrm{\θ}}_C^1={\mathrm{\θ}}_{C1}^1;$

若

则依赖轴角度 ${\mathrm{\θ}}_C^1={\mathrm{\θ}}_{C2}^1;$

(ii)当

若

则依赖轴角度 ${\mathrm{\θ}}_C^1={\mathrm{\θ}}_{C1}^1;$

若

则依赖轴角度 ${\mathrm{\θ}}_C^1={\mathrm{\θ}}_{C2}^1;$

8.根据权利要求7所述的后置处理方法，其特征在于，所述步骤(一)中确定非依赖轴B轴解的具体过程为：

若

则首行刀位非依赖轴B轴角度解的所在区间为负，

${\mathrm{\θ}}_B^1=-\arccos \left(k\right)$

若则首行刀位非依赖轴B轴角度解的所在区间为正，

${\mathrm{\θ}}_B^1=\arccos \left(k\right)$

9.根据权利要求4-8所述的后置处理方法，其特征在于，所述五轴联动数控机床为双转台式BC轴机床，B轴为非依赖旋转轴，C轴为依赖旋转轴，所述步骤(5.3)中，选择使依赖旋C轴的旋转量最小的解作为第n行刀位数据计算出C轴的最终旋转角度

的具体过程为：

定义

分别为第n行刀位依赖轴取解

时对应的依赖轴C轴的旋转量，

当

时

当

时 ${\mathrm{\Δ\θ}}_{C1}^n=|{\mathrm{\θ}}_{C1}^n-{\mathrm{\θ}}_C^{n-1}|$

当

时

当时 ${\mathrm{\Δ\θ}}_{C2}^n=|{\mathrm{\θ}}_{C2}^n-{\mathrm{\θ}}_C^{n-1}|$

若

若 ${\mathrm{\Δ\θ}}_{C1}^n>{\mathrm{\Δ\θ}}_{C2}^n,$ ${\mathrm{\θ}}_C^n={\mathrm{\θ}}_{C2}^n.$

10.根据权利要求9所述的后置处理方法，其特征在于，所述步骤(5.3)中确定非依赖轴B轴解

的具体过程为：

当时，依赖轴解的所在区间为负， ${\mathrm{\θ}}_B^n=-\arccos \left(k\right);$

当

时，此时依赖轴解的所在区间为正， ${\mathrm{\θ}}_B^n=\arccos \left(k\right).$

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