CN104460515A

CN104460515A - 一种基于后置处理五轴刀具长度补偿方法

Info

Publication number: CN104460515A
Application number: CN201310440378.9A
Authority: CN
Inventors: 徐汝锋; 陈志同; 郭前建
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2033-09-25
Also published as: CN104460515B

Abstract

本发明公开了一种基于后置处理五轴刀具长度补偿方法。首先通过分析给定五轴数控机床的结构，建立该机床运动学模型并进行求解。然后，利用数控系统提供的宏变量和数学运算功能，基于VisualC++平台开发出一套带五轴刀具补偿功能的后置处理软件。最后，利用该软件将刀具摆长作为宏变量写入后置处理后的数控加工程序中，进而通过修改数控加工程序中摆长宏变量就可以方便实现五轴刀具长度的补偿。本发明能够解决不具备五轴刀具长度补偿功能机床的刀具补偿问题，避免了重新对前置刀位数据文件再次进行后置处理，从而提高了数控加工程序的可重用性。实践证明，该方法能方便实现五轴刀具长度补偿功能，且成本低廉，具有较强的工程应用价值。

Description

一种基于后置处理五轴刀具长度补偿方法

技术领域

本发明涉及一种多轴数控机床刀具长度补偿方法，尤其涉及一种基于后置处理五轴刀具长度补偿方法，属于五轴数控加工领域。

背景技术

刀具长度补偿是现代计算机数控系统（CNC）所具有的重要功能之一。在三轴数控加工过程中，当刀具长度发生变化，即刀具磨损或更换新刀，此时通过修改数控系统寄存器中刀具长度值，并利用数控系统提供的刀具补偿功能来实现刀具长度补偿，而原有的数控加工程序仍然可以继续使用。而在五轴数控加工过程中，由于刀轴矢量方向不断变化，刀具长度补偿方法相对较难实现。目前国外著名的数控系统公司所开发的五轴数控系统都已经具备五轴刀具长度补偿功能。因此，可以采用通用的五轴后置处理软件或CAM软件自带的后置处理器对刀位数据文件进行后置处理，并得到相应的数控加工程序。

针对不具备五轴刀具长度补偿功能的数控机床，尤其是航空、航天等企业拥有国外早期的数控机床。现有技术中，能够实现五轴刀具长度补偿功能的技术途径主要有两种：

现有技术一，在五轴数控加工过程中，若刀具长度发生变化，则原有的数控加工程序将无法继续使用。此时只能通过修改刀具长度值来对原刀位数据文件进行后置处理，并得到新的数控加工程序。

现有技术二，可以通过购买五轴功能模块对原有的数控系统进行升级改造。

上述现有技术至少存在以下缺点：

现有技术一将大幅增加工艺人员的工作量，以及零件的总加工时间，从而提高了零件的制造成本。而现有技术二对五轴数控机床的升级改造费用较高，将大幅增加机床的使用成本，从而提高了零件的制造成本。由此可见，以上两种技术不是额外增加机床使用费用，就是增加工艺员的工作量和零件实际加工时间。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于后置处理五轴刀具长度补偿方法，解决不具备五轴刀具长度补偿功能机床的刀具长度补偿问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于后置处理五轴刀具长度补偿方法，包括步骤：

A、分析指定摆头转台类五轴数控机床的结构；

B、根据摆头转台类五轴数控机床的结构，建立该五轴数控机床的运动学模型，并进行相应的逆运动学求解计算；

C、根据上述五轴数控机床的运动学模型计算结果，利用数控系统提供的宏变量和数学运算功能，基于Visual C++平台开发出一套带五轴刀具补偿功能的后置处理软件；

D、利用该软件将刀具摆长作为宏变量写入后置处理后的数控加工程序中，进而通过修改数控加工程序中摆长宏变量就可以方便实现五轴刀具长度的补偿。

由上述发明技术方案可以看出，本发明的基于后置处理五轴刀具长度补偿方法，首先分析指定摆头转台类五轴数控机床的结构；其次，根据摆头转台类五轴数控机床的结构，建立该五轴数控机床的运动学模型，并进行相应的逆运动学求解计算；然后，根据上述五轴数控机床的运动学模型计算结果，利用数控系统提供的宏变量和数学运算功能，基于Visual C++平台开发出一套带五轴刀具补偿功能的后置处理软件；最后，利用该软件将刀具摆长作为宏变量写入后置处理后的数控加工程序中，进而通过修改数控加工程序中摆长宏变量就可以方便实现五轴刀具长度的补偿。

附图说明

图1为五轴刀具长度补偿示意图；

图2为机床的结构示意图；

图3为摆头转台类五轴数控机床运动链；

图4为摆头转台类五轴数控机床坐标系；

图5为后置处理软件的界面；

图6为刀位数据文件；

图7为带宏变量的数控加工程序。

具体实施方式

本发明的基于后置处理五轴刀具长度补偿方法，其较佳的具体实施方式是，包括：

A、分析指定摆头转台类五轴数控机床的结构；

通过分析该机床的具体结构（参见图2），得出该机床各坐标轴之间的运动关系，即机床运动链。它是由回转工作台、平动工作台、床身、主轴和刀具等单元按顺序串联而成，如图3所示。

为描述机床各坐标轴之间的运动，建立图4所示机床坐标系统。其中O _m X _m Y _m Z _m为机床坐标系，机床原点O _m位于A轴右端面中心；O _m1 X _m1 Y _m1 Z _m1为与旋转轴B固连的坐标系，原点O _m1为主轴中心线与B轴回转中心线的交点，其各坐标轴方向与机床坐标系一致；O _w X _w Y _w Z _w为与工件固连的工件坐标系，其各坐标轴方向与机床坐标系一致，前置刀位数据是在该坐标系下给出；O _t X _t Y _t Z _t为与刀具固连的刀具坐标系，其原点设在刀心或刀尖点上，其各坐标轴方向与机床坐标系一致。在机床初始状态时，假设刀具轴线平行于Z轴，坐标系O _m1 X _m1 Y _m1 Z _m1与O _m X _m Y _m Z _m的原点重合，点O _w在机床坐标系O _m X _m Y _m Z _m中的位置矢量为(x ₀, y ₀ z ₀)^T；在刀具坐标系O _t X _t Y _t Z _t下，刀心点的位置矢量和刀轴矢量分别为(0, 0, 0)^T和(0, 0, 1)^T；设刀具原摆长值为L，实际刀具摆长值为L’，，ΔL为刀具长度变化量，则刀心点O _t在坐标系O _m1 X _m1 Y _m1 Z _m1中的位置矢量为(0, 0, - L’)^T。假设机床平动轴相对于初始状态的平移矢量为 r _s(X, Y, Z)^T，旋转轴相对于初始状态的转角分别为B和A（其正方向如图4所示），此时在工件坐标系O _w X _w Y _w Z _w中，刀位点和刀轴矢量分别为(x, y, z)^T和(i, j, k)^T。其运动变换的过程是由刀具坐标系转换到机床坐标系，再由机床坐标系转换到工件坐标系，最后通过机床各坐标轴的运动得到工件坐标系下的刀位点和刀轴矢量。

由机床各坐标轴的运动关系进行相应的坐标变换，可得：

(1)

(2)

式中， T 和 R 分别为机床各坐标轴平动和转动的齐次变换矩阵，，，，，

由式(1)可以得到：

(3)

假设B轴转动的范围，A轴转动的范围，则可以由式(3)求得机床回转轴角度值：

(4)

(5)

由式(4)、(5)和(2)可以得到机床各平动轴的值：

(6)

因此，由(4)、(5)和(7)就可以确定机床各坐标轴的运动量，即对前置刀位数据进行后置处理而获得的机床各坐标轴的数值。至此，我们得到了当工件坐标系与机床坐标系的坐标轴方向一致时的机床运动变换方程及其解。由刀具长度补偿原理可知，刀具长度变化不会影响刀轴矢量，只影响刀位点的位置矢量，因此在后置处理程序中转动角是保持不变的，仍可由式(4)和式(5)来计算。当刀具长度发生变化时，需通过沿刀轴矢量方向移动刀具长度变化量ΔL来实现五轴刀具长度补偿功能。

利用步骤B中推导出的五轴机床各坐标轴的计算公式，将实际刀具摆长值作为宏变量来计算机床各平动轴的数值，其中该宏变量可以根据数控系统不同进行相应的设定。然后，基于Visual C++ 6.0平台利用C语言开发了一种摆头转台类五轴数控机床的后置处理专用软件，该软件的界面如图4所示。该软件不仅可以根据实际刀具摆长值直接生成相应的数控加工程序，而且也可以将刀具摆长作为宏变量写入数控加工程序，并通过修改宏变量的数值来实现刀具长度补偿。譬如，西门子系统宏变量为R参数，则可以设刀具摆长为R1，通过单击“宏变量后置处理”命令，可以得到带宏变量参数的数控加工程序。

首先，利用CAM软件加工某航空发动机叶片曲面所得到刀位数据文件，如图6所示。然后，利用本发明开发的后置处理软件对上述刀位文件进行后置处理，并得到带宏变量的数控加工程序，如图7所示。

本发明的五轴刀具长度补偿的基本原理如下：

五轴端铣加工复杂曲面时，常用的刀具主要有球头刀、平底刀和环形刀等类型。由于环形刀可以通过改变几何参数得到其他类型刀具，所以下文以环形刀为对象来阐述刀具长度补偿原理。如图1所示，S为设计曲面，P为曲面上切触点，且环形刀与曲面S相切于点P；设环形刀外圆半径为R，圆角半径为r；设主轴中心线与B轴回转中心线交于点O _piv，该点为主轴回转中心点，刀位点到该点的距离为刀具摆长；设刀位点为O _pos，其在工件坐标系O _W X _WY_WZ_W中的位置矢量为，刀轴矢量为 i 。初始状态时，刀位点O _pos到主轴回转中心O _piv的距离为L。当刀具长度发生改变，即刀具摆长（刀位点O _pos到主轴回转中心O _piv的距离）变为L'，则刀具长度变化量。若数控系统不具备RTCP(rotate around tool center point)功能，执行原有的数控加工程序，则新的刀位点将变为O' _pos。为保证刀具与设计曲面S相切，则必须将刀具长度改变后的刀位O' _pos沿刀轴矢量方向进行补偿。

(7)

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于后置处理五轴刀具长度补偿方法，其特征在于，包括步骤：

A、分析指定摆头转台类五轴数控机床的结构；

2.根据权利要求1所述的基于后置处理五轴刀具长度补偿方法，其特征在于，所述步骤A中，通过分析指定五轴数控机床的具体结构，得出该机床各坐标轴之间的运动关系，即机床运动链，通常它由回转工作台、平动工作台、床身、主轴和刀具等单元按顺序串联而成。

3.根据权利要求1和2所述的基于后置处理五轴刀具长度补偿方法，其特征在于，所述步骤B中，首先，要利用步骤A中得到的五轴数控机床运动链，建立机床坐标系统；然后，建立前置刀位数据与机床各坐标轴之间的关系方程，即机床的运动学模型；最后，对上述模型进行计算求解，得出机床各坐标轴的数值。

4.根据权利要求3所述的基于后置处理五轴刀具长度补偿方法，其特征在于，所述步骤C中，首先，要利用步骤B中运动学模型的求解结果得到的机床各坐标轴与前置刀位数据之间的关系式；然后，结合数控系统提供的宏变量和数学运算功能，利用C++语言基于Visual C++平台开发出一套带五轴刀具补偿功能的后置处理软件。

5.根据权利要求4所述的基于后置处理五轴刀具长度补偿方法，其特征在于，所述步骤D中，利用该软件将刀具长度或刀具摆长作为宏变量写入后置处理后的数控加工程序中，进而通过修改数控加工程序中摆长宏变量就可以方便实现五轴刀具长度的补偿。