CN102402198A - 一种多轴数控机床通用后置处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴数控机床通用后置处理方法，包括如下步骤：(1)根据机床结构建立机床运动变换链(2)根据步骤(1)中所建立的机床运动变换链，建立从刀具到工件的变换矩阵Q_WT(3)输入初始刀位点CL₁的机床各平动轴运动坐标Δ₁(4)计算出所述初始刀位点CL₁后续的任一刀位点CL_i+1的平动轴运动坐标Δ_i+1(5)判断i的值是否小于n，如果小于n则返回步骤(4.1)，将i增加1后继续计算，否则，计算结束，输出各刀位点对应的机床平动轴运动坐标和旋转轴运动坐标。本发明克服了一般后置处理方法中机床各轴运动坐标计算公式需要手工推导的缺点，可以满足各类多轴数控机床的后置处理需求，具有求解速度快、求解精度高的优点。

Description

一种多轴数控机床通用后置处理方法

技术领域：

本发明涉及多轴数控加工领域，具体是一种多轴数控机床通用后置处理方法。

背景技术：

随着新能源、航空航天、造船等行业的发展，对主要功能部件如风电叶片、飞机进气道、螺旋桨等的加工质量要求越来越高。这类零件外形及工作型面形状复杂，加工精度高，只有采用多轴数控机床才能完成加工。

在五轴数控加工中，后置处理的主要任务是将CAM软件生成的加工刀位轨迹源文件转换成为特定机床可接受的数控NC代码，目前多轴数控机床后置求解，主要包含手工推导和数值计算这两种方法。手工推导方法不仅过程复杂、容易出错，而且得到的计算公式只能用于特定结构的机床，不具备通用性；数值方法具有通用性，但是计算时间较长，在某些情况下求解精度不高，造成加工误差。随着加工零件日益复杂，机床结构不断更新，对后置处理的求解效率和求解精度提出了更高的要求，因此具有快速性和精确性的通用后置求解算法具有重要意义。

发明内容：

针对现有的通用后置处理方法的不足，本发明提出一种多轴机床通用后置处理方法，根据机床结构建立机床运动变换链，再采用数值方法和全微分方法计算刀位源文件中其他刀位点对应的机床各轴运动量，进而获得数控机代码。本发明为工艺人员提供一种适合于各种机床结构的通用后置方法，减少了人工推导计算公式的环节，有利于提高后置处理的速度和效率。

实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下：

一种多轴数控机床通用后置处理方法，包含如下步骤：

(一)根据机床结构建立机床运动变换链，机床运动链包括刀具到机床运动链Q_MT和工件到机床运动链Q_WM，刀具刀位点方向矢量和位置经运动变换得到工件上加工点的方向矢量和位置信息；

(二)根据步骤(一)中所建立的机床运动变换链，建立从刀具到工件的变换矩阵Q_WT；

(三)输入初始刀位点CL₁的机床各平动轴运动坐标Δ₁；

(四)计算出初始刀位点CL₁后续的各刀位点CL_i+1的平动轴运动坐标Δ_i+1，具体为：

1.输入刀位点CL_i+1的位置矩阵该矩阵表明该刀位点的位置坐标。第一次进入步骤(四)中的子步骤(1)时i的取值为1，其中i＝1，2…，n；

2.设定全微分算法初始迭代条件，即取CL_i+1，1为迭代计算初始刀位点，通过迭代计算，最终使其与目标刀位点CL_i+1重合，自然，刀位点CL_i+1，1对应的机床运动坐标与目标刀位点CL_i+1相同，即Δ_i+1，1＝Δ_i(下标中逗号前数值表示第i+1个刀位点，逗号后的数值表示进行第一次迭代)

3.令k＝1，利用全微分算法对每个刀位点CL_i+1进行迭代计算，建立第k+1次迭代计算的中间刀位点CL_i+1，k+1与第k次迭代计算的中间刀位点CL_i+1，k之间机床各平动轴和转动轴的运动坐标增量dΔ_k的关系，求解出dΔ_k。第一次进入(四)中3时k的取值为1；

4.根据步骤(四)中子步骤(3)得到的机床各平动轴和转动轴运动坐标增量dΔ_k，求出第k+1次迭代计算的中间刀位点CL_i+1，k+1的机床运动坐标Δ_i+1，k+1；

5.根据机床运动变换链，通过所述第k+1次迭代计算中间刀位点CL_i+1，k+1对应的机床运动坐标Δ_i+1，k+1，得到刀位点CL_i+1，k+1对应的位置矩阵

6.如果第k+1次迭代计算中间刀位点CL_i+1，k+1对应的机床运动坐标Δ_i+1，k+1对应的位置矩阵

与目标刀位点CL_i+1对应的位置矩阵小于设定的误差δ之内，或者k的值大于设定的迭代次数t，则此时目标刀位点CL_i+1所对应的机床运动坐标Δ_i+1＝Δ_i+1，k+1，否则，将k的值增加1，返回步骤(四)中子步骤(3)，，进行再次计算；

(五)判断i的值是否小于n，如果小于n则返回步骤(四)中子

步骤1，将i增加1后继续计算，否则计算结束，输出各刀位点对应的机床平动轴运动坐标和旋转轴运动坐标。

本发明通过机床结构建立机床运动变换链，根据微分算法求解刀位源文件中各刀位点对应的机床各轴运动量，得到机床机代码。

本发明所建立的多轴数控机床通用后置处理方法，其有益成果在于：本发明消除了手工推导方法中机床各轴运动量计算公式的推导环节，简化了机床后置处理的流程，提高后置处理的速度；本发明消除了数值处理方法计算时间长，求解精度不稳定的缺点，提高了后置处理的精度；适用于任意结构多轴机床后置处理，具有求解速度快，求解精度高的特点。

附图说明：

图1为多轴机床通用后置处理流程图

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

多轴机床通用后置处理方法，包括如下步骤：

(一)对多轴数控机床各运动部件之间相对位置关系进行分析测量，建立机床运动变换链，机床运动链包括刀具到机床运动链Q_MT和工件到机床运动链T_WM，刀具刀位点方向矢量和位置经运动变换得到工件上加工点的方向矢量和位置信息，关系如下面方程组所示：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{MW}}{\left[\begin{array}{cc}{U}_W& 0\end{array}\right]}^T=Q_{\mathrm{MT}}{\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 0\end{array}\right]}^T\\ Q_{\mathrm{MW}}{\left[\begin{array}{cc}{P}_W& 1\end{array}\right]}^T=Q_{\mathrm{MT}}{\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T\end{array}\right.$

其中Q_MT是刀具相对于机床床身的变换矩阵，Q_MW是工件相对于机床床身的变换矩阵。[0010]^T是刀具坐标系中刀位点位置矩阵，[0001]^T是刀具坐标系中刀位点方向矢量，U_W是工件坐标系中刀位点位置矩阵，该矢量通过U_X，U_Y，U_Z三个数值分别描述该位置矩阵在X，Y，Z方向上的分量，P_W是工件坐标系中刀位点方向矢量，该矢量通过P_X，P_Y，P_Z三个数值表示该方向矢量在X，Y，Z方向上的分量。

具体实现步骤如下：

1.建立刀具到机床运动链的变换矩阵Q_MT，该变换矩阵计算公式如下：

Q_MT＝Q_M，n×…×Q_i，j×…Q_1，T

其中Q_M，n是刀具到机床运动链中第n个运动部件到机床床身的运动变换矩阵，Q_i，j是刀具到机床运动链中第j个运动部件到第i个运动部件的运动变换矩阵，Q_1，T是刀具到机床运动链中刀具到第1个运动链的变换矩阵，上述Q_M，n、Q_i，j和Q_1，T三类变换矩阵反映机床不同运动部件相对位置关系，该类矩阵可以通过机床运动模型导出。

2.建立从工件到机床运动链的变换矩阵Q_MW，该变换矩阵计算公式如下：

Q_MW＝Q_M，n×…×Q_i，j×…Q_1，W

其中Q_M，n是工件到机床运动链中第n个运动部件到机床床身的运动变换矩阵，Q_i，j是工件到机床运动链中第j个运动部件到第i个运动部件的运动变换矩阵，Q_1，W是工件到机床运动链中刀具到第1个运动链的变换矩阵。

上述Q_M，n、Q_i，j和Q_1，W三类变换矩阵反映机床不同运动部件相对位置关系，该类矩阵可以通过机床运动模型导出。

3.将1和2步骤中得到的从刀具到机床运动链的变换矩阵Q_MT和从工件到机床运动链的变换矩阵Q_MW带入如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{MW}}{\left[\begin{array}{cc}{U}_W& 0\end{array}\right]}^T=Q_{\mathrm{MT}}{\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 0\end{array}\right]}^T\\ Q_{\mathrm{MW}}{\left[\begin{array}{cc}{P}_W& 1\end{array}\right]}^T=Q_{\mathrm{MT}}{\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T\end{array}\right.$

即可建立机床运动变换链。

(二)根据(一)中所建立的机床运动变换链，可以建立从刀具到工件的变换矩阵Q_WT：

Q_WT＝Q_MW ^-1×Q_MT

Q_MW ^-1为(一)中所建立的工件相对于机床床身的变换矩阵的逆矩阵，而Q_MT为(一)中所建立的刀具相对于机床床身的变换矩阵。

(三)输入初始刀位点CL₁的机床各平动轴运动坐标Δ₁。

(四)计算出刀位点CL_i+1的平动轴运动坐标Δ_i+1：

1.输入刀位点CL_i+1的位置矩阵

该矩阵表明该刀位点的位置坐标。第一次进入(四)时i的取值为1，其中i＝1，2…，n；

2.设定全微分算法初始迭代条件，取CL_i+1，1为迭代计算初始刀位点，通过迭代计算，最终使其与目标刀位点CL_i+1重合，自然，刀位点CL_i+1，1对应的机床运动坐标与目标刀位点CL_i+1相同，即Δ_i+1，i＝Δ_i；

3.根据全微分方法，可以建立第k+1次迭代计算中间刀位点CL_i+1，k+1与第k次迭代计算中间刀位点CL_i+1，k之间机床各平动轴和转动轴运动坐标增量dΔ_k的关系，求解出dΔ_k。第一次进入(四)中3时k的取值为1；

4.根据(四)中3得到的机床各平动轴和转动轴运动坐标增量dΔ_k，即可求出第k+1次迭代计算中间刀位点CL_i+1，k+1的机床运动坐标Δ_i+1，k+1；

5.根据机床运动变换链，通过第k+1次迭代计算中间刀位点CL_i+1，k+1对应的机床运动坐标Δ_i+1，k+1，得到刀位点CL_i+1，k+1对应的位置矩阵

6.如果第k+1次迭代计算中间刀位点CL_i+1，k+1对应的机床运动坐标对Δ_i+1，k+1应的位置矩阵

与目标刀位点CL_i+1对应的位置矩阵

小于设定的误差δ(如1e-3)之内，或者k的值大于设定的迭代次数t(如10000)，则此时目标刀位点CL_i+1所对应的机床运动坐标Δ_i+1＝Δ_i+1，k+1，否则，返回(六)中，将k的值增加1，再次计算。

上述1-6步骤如图2所示，其中虚线框内的内容为(四)步骤中的输入量，而实线框内的内容则对应1-6步骤。

(五)判断i的值是否小于n，如果小于n则返回(四)中，将i增加1后继续计算，否则计算结束，输出各刀位点对应的机床平动轴运动坐标和旋转轴运动坐标。

整体流程图如图1表示。

Claims (1)

1.一种多轴数控机床通用后置处理方法，包括如下步骤：

(1)根据机床结构建立机床运动变换链，其中，所述机床运动链包括刀具到机床运动链Q_MT，工件到机床运动链Q_WM，以及刀具刀位点方向矢量和位置经运动变换得到的工件上加工点的方向矢量和位置；

(2)根据步骤(1)中所建立的机床运动变换链，建立从刀具到工件的变换矩阵Q_WT；

(3)输入初始刀位点CL₁的机床各平动轴运动坐标Δ₁；

(4)计算出所述初始刀位点CL₁后续的任一刀位点CL_i+1的平动轴运动坐标Δ_i+1，其中i＝1，2…，n，n为正整数，具体为：

(4.1)输入所述刀位点CL_i+1的位置矩阵

该矩阵表明该刀位点的位置坐标，其中第一次进入步骤(4.1)时i的取值为1；

(4.2)利用全微分算法对刀位点CL_i+1进行迭代计算，建立第k+1次迭代计算的中间刀位点CL_i+1，k+1与前一次迭代计算的中间刀位点CL_i+1，k之间机床各平动轴和转动轴的运动坐标增量dΔ_k的关系，求解出dΔ_k，其中第一次进入步骤(4.2)时k的取值为1；

(4.3)根据所述的运动坐标增量dΔ_k，求出第k+1次迭代计算的中间刀位点CL_i+1，k+1的机床运动坐标Δ_i+1，k+1；

(4.4)根据机床运动变换链，通过所述第k+1次迭代计算中间刀位点CL_i+1，k+1对应的机床运动坐标Δ_i+1，k+1，得到刀位点CL_i+1，k+1对应的位置矩阵

(4.5)如果第k+1次迭代计算中间刀位点CL_i+1，k+1对应的机床运动坐标Δ_i+1，k+1对应的位置矩阵与目标刀位点CL_i+1对应的位置矩阵小于设定的误差δ之内，或者k的值大于设定的迭代次数t，则此时目标刀位点CL_i+1所对应的机床运动坐标Δ_i+1＝Δ_i+1，k+1，否则，将k的值增加1，跳转到步骤(4.2)重新计算。

(5)判断i的值是否小于n，如果小于n则返回步骤(4.1)，将i增加1后循环计算，否则，计算结束，输出各刀位点对应的机床平动轴运动坐标和旋转轴运动坐标。

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