CN102566495A - 一种向导式多轴数控机床运动学参数配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种向导式多轴数控机床运动学参数配置方法，包括以下步骤：在多轴机床上，确定各旋转轴所在位置信息，同时选择已确定的旋转轴所属线性轴信息；对于已经确定线性轴属性的旋转轴信息，确定旋转轴正运动方向和运动行程信息；在确定了多轴机床的所配置的旋转轴位置情况基础上，确定与结构相关旋转轴位置补偿矢量信息；确定初始刀具轴方向矢量和刀具轴向长度补偿矢量信息；确定编程坐标系原点到工作台坐标系原点的补偿矢量信息。本发明方法通过友好的人机界面，使使用者可以快捷准确地完成数控系统内对所控制的多轴机床的运动学参数的配置，从而能够在编程坐标系下进行不需要考虑机床结构的一系列高级五轴加工功能。

Description

一种向导式多轴数控机床运动学参数配置方法
技术领域
本发明涉及本发明涉及一种数控技术领域中的五轴加工技术，具体的说是一种向导式多轴数控机床运动学参数配置方法。
背景技术
作为加工金属模具等的自由曲面的多轴数控机床，使用在线性移动轴基础上具有旋转轴的部件。已知具有X、Y、Z的线性移动轴和一个或者两个旋转轴的多轴机床，在进行多轴加工时，因为旋转轴的出现，使刀具能够以不同的角度对工件进行加工。同时因为旋转轴的出现，在进行多轴加工编程时，需要进行运动学转换即根据机床的结构和各轴之间的运动关系把工件坐标系中包含刀具方向矢量和刀具中心位置矢量的刀位数据(CLdata)转化为机床坐标系中数控机床各坐标轴的运动坐标。
为了数控系统可以使用基于CAD/CAM系统或者仿形数据直接进行多轴加工，而不需要考虑所控制机床的机械结构。数控系统需要首先具有对其所控制的多轴机床的描述能力，在系统内进行相应的运动学转换，使多轴加工的工件坐标系下的编程得以实现。具体的转换方法已经成为众知。但是因为多轴数控机床种类繁多，机构构成复杂，空间运动变换关系取决于具体机床结构，机床结构不同，其运动变换计算关系也不同。各种文献都是针对特定的机床进行分析处理，对于系统的使用者来说，配置结构参数复杂繁琐，难于理解。
发明内容
针对现有技术中存在的多轴机床结构参数复杂繁琐导致的数控系统内多轴运动相关参数配置过程复杂困难，易错和难于理解等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种可以快捷准确地完成数控系统内对所控制的多轴机床的运动学参数的配置的向导式多轴数控机床运动学参数配置方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明向导式多轴数控机床运动学参数配置方法，用于通过控制具有线性轴和在刀具架或者工作台上，至少有一个旋转轴的多轴机床用的数控系统，包括以下步骤：
(1)在多轴机床上，确定各旋转轴所在位置信息，同时选择已确定的旋转轴所属线性轴信息；
(2)对于已经确定线性轴属性的旋转轴信息，确定旋转轴正运动方向和运动行程信息；
(3)在确定了多轴机床的所配置的旋转轴位置情况基础上，确定与结构相关旋转轴位置补偿矢量信息；
(4)确定初始刀具轴方向矢量和刀具轴向长度补偿矢量信息；
(5)确定编程坐标系原点到工作台坐标系原点的补偿矢量信息。
根据旋转轴数量，机床结构分为单旋转轴多轴机床和双旋转轴多轴机床。
单旋转轴多轴机床运动轴构成为两个或三个线性运动轴加上一个旋转轴，旋转轴为绕其中一个线性轴旋转的旋转轴机构。
双旋转轴多轴机床运动轴构成为三个线性运动轴加上两个旋转轴，旋转轴分别为绕其中两个线性轴旋转的旋转轴机构。
旋转轴所在位置信息和旋转轴所属线性轴信息设定为数控系统内的参数。
所述的旋转运动正方向信息和运动行程信息设定为数控系统内的参数。
所述的结构相关的旋转轴位置补偿矢量信息设定为数控系统内的参数。
所述的初始刀具轴方向矢量信息和刀具轴向长度补偿矢量信息，通过从外部仪器到数控系统的信号来设定为数控系统内的参数。
所述的编程坐标系原点到工作台坐标系原点的补偿矢量信息，通过从外部仪器测量来设定为数控系统内的参数。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明方法通过友好的人机界面，提供一种问答式的参数配置过程，使使用者可以快捷准确地完成数控系统内对所控制的多轴机床的运动学参数的配置，从而能够在编程坐标系下进行不需要考虑机床结构的一系列高级五轴加工功能。
附图说明
图1为实施本发明方法的数控系统结构图；
图2为本发明方法应用的通用多轴机床结构简图；
图3为本发明方法应用的通用多轴机床结构对应的运动链；
图4为本发明方法可以适用的AC双转台五轴机床结构图；
图5为本发明方法流程图。
具体实施方式
如图5所示，本发明向导式多轴数控机床运动学参数配置方法，用于通过控制具有线性轴和在刀具架或者工作台上，至少有一个旋转轴的多轴机床用的数控系统，包括以下步骤：
(1)在多轴机床上，确定各旋转轴所在位置信息，同时选择已确定的旋转轴所属线性轴信息；
(2)对于已经确定线性轴属性的旋转轴信息，确定旋转轴正运动方向和运动行程信息；
(3)在确定了多轴机床的所配置的旋转轴位置情况基础上，确定与结构相关旋转轴位置补偿矢量信息；
(4)确定初始刀具轴方向矢量和刀具轴向长度补偿矢量信息；
(5)确定编程坐标系原点到工作台坐标系原点的补偿矢量信息。
根据旋转轴数量，机床结构分为单旋转轴多轴机床和双旋转轴多轴机床。
图1是适用本发明参数配置方式的数控系统10结构图。基于组件模型，用总线将数控系统结构包含了人机接口组件21、任务控制器组件22、PLC组件24、运动控制器组件23和控制总线25组件连接到数控系统10中。
其中人机接口组件21：负责用户管理、数据采集、发送新数据到控制器以及为各种设备提供一致的用户接口，同时还需要显示用户所需要的各种信息，如加工程序、目前机床状态、正在处理的数据等。
任务控制器组件22：负责解释和执行加工指令序列、加工时工艺顺序控制以及对于错误的检测诊断和处理功能。依据零件加工程序，任务控制器控制运动控制器和I/O控制器完成加工任务。
PLC组件24：负责传感器和执行器的I/O控制，主要包括机床上下电、急停开关、冷却开关等。
运动控制器组件23：负责检测各运动轴当前位置、计算下一个运动位置以及将计算结果以命令形式发送到控制总线组件以控制执行等。
控制总线组件25：负责从运动控制器组件和PLC组件中接收命令，并将命令发送到总线驱动卡中以驱动数字伺服26，同时将伺服状态反馈给运动控制器组件23和PLC组件24。
在本实施方式中，用数控系统10控制多轴机床，具有线性轴的X轴、Y轴、Z轴的3个或者其中两个轴和A轴、B轴、C轴中的1个或者2个旋转轴。各个轴的轴控制结构来自控制总线25的轴运动指令，将各轴指令输出到伺服26。伺服26结构指令，驱动各轴的伺服马达34。同时伺服马达34内置有速度/位置检测器，将来自该速度/位置检测器的速度/位置反馈信号反馈会伺服26中，进行速度/位置的反馈控制。
从数据输入装置31通过人机界面(HMI)21输入包含使用CAD/CAM系统或者仿形数据直接进行多轴加工的加工程序。在准备加工前，需要对数控系统10所控制的多轴机床进行运动学配置。因为在具有旋转轴的多轴机床，有多种类型(结构差异，旋转轴配置差异)。首先在图2所示的通用多轴机床上，选择旋转轴的位置信息，和旋转轴所对应的线性轴信息。图2中，把固定在工作台上的第一旋转轴和第二旋转轴用Iw1和Iw2表示，在刀具(主轴)端则分别用Is1和Is2表示第一旋转轴和第二旋转轴。第一旋转轴是指在位置上更靠近机床的轴，第二旋转轴是在第一旋转轴旋转运动后再进行旋转运动，第一旋转轴和第二旋转轴也叫做主动轴和从动轴。如果两个旋转轴Os1与Os2，Ow1与Ow2的旋转中心并不是相交的，他们之间的补偿矢量分别为Js＝Js，xi+Js，yj+Js，zk和Jw＝Jw，xi+Jw，yj+Jw，zk，Lw，w2＝Lw，w2，xi+Lw，w2，yj+Lw，w2，zk为编程坐标系原点到工作台坐标系原点的补偿矢量，tp为刀具中心点位置矢量，L为第二旋转中心到刀具中心点的长度，tax为当各旋转轴为“0”时的刀具轴方向。则有图3所示坐标系连接关系，通用多轴机床结构的形状创成函数为：
Figure BDA0000037140000000041
Figure BDA0000037140000000042
式(1)中ns1、ns2、nw1、nw2表示对应的旋转中心轴，
Figure BDA0000037140000000043
和则为绕对应轴旋转的角度。如果ns1、ns2、nw1、nw2中两个定义为X、Y或Z，表示任意结构的正交五轴机床；当ns1与ns2(或者nw1和nw2)被定义，并且第二旋转轴的初始矢量为空间任一矢量，则表示为非正交倾斜旋转轴类五轴机床的形状创成函数；如果只有一个旋转轴有意义时，也可以表示拥有三个平动轴和一个旋转轴的四轴机床的空间机构构成。
以图4所示的AC双转台五轴机床为例进行说明，旋转轴分别为A轴和C轴，他们所对应的线性轴为X轴和Z轴，其中A轴为主动轴。
在图1所示的多轴数控机床上安装数控系统10时，根据该多轴数控机床的旋转轴配置情况，在显示器33提供的图2上旋转轴配置情况选择界面中，通过键盘32选择Iw1和Iw2为旋转轴，并且根据旋转轴所属线性轴将其赋值X和Z。此时通过总线将相关参数存入系统中的ns1、ns2、nw1、nw2(式(1)、步骤(1))。通过对两个旋转轴AC进行正指令运行，通过机床运动观察，如果A轴和C轴的运动方向如图4中所示方向，即符合右手定则，则直接通过键盘32将参数nw1和nw2存入系统中式(1)；如果某轴的运动方向与右手定则相反，则在-nw1或-nw2存入系统中(步骤(2))。另外，将通过外部仪器测量得到的两个旋转轴Os1与Os2，Ow1与Ow2的旋转中心之间的补偿矢量，通过键盘32存入系统中的Js和Jw(步骤(3))。同时，通过外部仪器测得刀具长度补偿量存入系统L中，通过数控系统将AC轴赋值为“0”，然后将此时的刀具轴方向存入系统中的tax。通过L和tax计算出初始的刀具中心点位置矢量存入系统中的tp(步骤(4))。最后，在实际加工时的工件坐标系原点到工作台面原点的补偿矢量存入系统中的Lw，w2(步骤(5))。
如上所述，本发明通过向导式的方式结合系统内的运动学转换方法，完成数控系统对其所控制的多轴机床的结构参数配置。在参数配置后，可以直接在进行工件坐标系下的程序编制，而不需要再考虑机床旋转机构对运动的影响。

Claims (9)

1.一种向导式多轴数控机床运动学参数配置方法，用于通过控制具有线性轴和在刀具架或者工作台上，至少有一个旋转轴的多轴机床用的数控系统，其特征在于包括以下步骤：
(1)在多轴机床上，确定各旋转轴所在位置信息，同时选择已确定的旋转轴所属线性轴信息；
(2)对于已经确定线性轴属性的旋转轴信息，确定旋转轴正运动方向和运动行程信息；
(3)在确定了多轴机床的所配置的旋转轴位置情况基础上，确定与结构相关旋转轴位置补偿矢量信息；
(4)确定初始刀具轴方向矢量和刀具轴向长度补偿矢量信息；
(5)确定编程坐标系原点到工作台坐标系原点的补偿矢量信息。
2.根据权利要求1所述的向导式多轴数控机床运动学参数配置方法，其特征在于：根据旋转轴数量，机床结构分为单旋转轴多轴机床和双旋转轴多轴机床。
3.根据权利要求2所述的向导式多轴数控机床运动学参数配置方法，其特征在于：单旋转轴多轴机床运动轴构成为两个或三个线性运动轴加上一个旋转轴，旋转轴为绕其中一个线性轴旋转的旋转轴机构。
4.根据权利要求2所述的向导式多轴数控机床运动学参数配置方法，其特征在于：双旋转轴多轴机床运动轴构成为三个线性运动轴加上两个旋转轴，旋转轴分别为绕其中两个线性轴旋转的旋转轴机构。
5.根据权利要求1所述的向导式多轴数控机床运动学参数配置方法，其特征在于：旋转轴所在位置信息和旋转轴所属线性轴信息设定为数控系统内的参数。
6.根据权利要求1所述的向导式多轴数控机床运动学参数配置方法，其特征在于：所述的旋转运动正方向信息和运动行程信息设定为数控系统内的参数。
7.根据权利要求1所述的向导式多轴数控机床运动学参数配置方法，其特征在于：所述的结构相关的旋转轴位置补偿矢量信息设定为数控系统内的参数。
8.根据权利要求1所述的向导式多轴数控机床运动学参数配置方法，其特征在于：所述的初始刀具轴方向矢量信息和刀具轴向长度补偿矢量信息，通过从外部仪器到数控系统的信号来设定为数控系统内的参数。
9.根据权利要求1所述的向导式多轴数控机床运动学参数配置方法，其特征在于：所述的编程坐标系原点到工作台坐标系原点的补偿矢量信息，通过从外部仪器测量来设定为数控系统内的参数。
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