CN104460516B - 一种基于后置处理五轴刀具半径补偿方法 - Google Patents
一种基于后置处理五轴刀具半径补偿方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于后置处理五轴刀具半径补偿方法。首先研究五轴刀具半径补偿的基本原理，针对常用的三种类型端铣刀，分别推导出其刀具半径补偿方向和补偿后刀位点的矢量。然后，建立前置刀位数据与机床各轴运动数据之间的关系方程，并结合补偿后刀位点的矢量，推导出补偿后的刀位数据与机床各坐标轴之间的关系方程。最后，利用Visual C++ 6.0开发出一套带有刀具半径补偿功能的后置处理软件。本发明能够解决不具备五轴半径补偿功能机床的刀具半径补偿问题，避免刀具半径尺寸改变后必须返回CAM系统重新生成刀轨和再次进行后置处理的繁琐过程，从而缩短零件总加工时间和提高了数控加工程序可重用性，具有较强的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种多轴数控机床刀具半径补偿方法，尤其涉及一种基于后置处理五轴刀具半径补偿方法，属于五轴数控加工领域。
背景技术
刀具补偿是现代计算机数控（CNC）系统所具有的重要功能之一，可分为刀具半径补偿和刀具长度补偿两种。针对二维轮廓加工，目前数控系统都具备刀具长度和刀具半径补偿的功能。然而在五轴数控加工过程中，由于刀触点和刀轴矢量方向都不断变化，因此刀具半径补偿功能较难实现。国内外学者已对五轴数控加工中刀具半径补偿技术进行了大量研究，目前已在一些国外商用数控系统中进行了部分应用。总的来说，五轴刀具半径补偿功能实现主要有两种途径：
现有技术一，数控系统本身具有五轴刀具半径补偿功能，并支持带刀具半径补偿向量的程序段格式，此时数控程序需要提供刀具半径补偿向量。
现有技术二是在后置处理程序中进行刀具半径补偿，生成刀具半径补偿后的数控程序，这时数控系统不需要提供专门的程序段格式。
上述现有技术至少存在以下缺点：
现有技术一，将需要数控系统提供五轴刀具半径补偿功能，对于不具备五轴半径补偿的数控系统来说，则需要购买相应的软件包对数控系统进行升级改造，将大幅增加机床的使用成本，从而提高了零件的加工费用。同时，还需要CAM软件能够生成带有补偿向量的刀位文件，然后利用专用后置处理软件生成带有刀具半径补偿向量的数控加工程序。
现有技术二，是在对刀位文件进行后置处理时，考虑到刀具半径补偿值，进行了相应计算，并输出到数控加工程序中。但当刀具半径发生变化时，需要重新对原有刀位文件进行后置处理，并得到新的补偿后数控加工程序。这个过程非常繁琐，且数控加工程序的可重用性较差，必将大幅增加工艺人员的工作量，以及零件的总加工时间，从而提升零件的制造成本。
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半径补偿方法，解决不具备五轴刀具半径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、研究了五轴刀具半径补偿的基本原理，针对常用的三种类型端铣刀，如球头刀、平底刀和环形刀，分别推导出其刀具半径补偿方向和补偿后刀位点的矢量方程；
B、以摆头转台类五轴数控机床为例，建立前置刀位数据与机床各轴运动数据之间的关系方程，结合补偿后刀位点的矢量方程，推导出补偿后的刀位数据与机床各轴运动数据之间的关系方程，并对其进行求解计算；
C、利用步骤B中计算结果，基于Visual C++ 6.0开发出一套带有刀具半径补偿功能的后置处理软件，该软件不仅可以直接生成半径补偿后的数控加工程序，而且可以生成带有半径补偿宏变量的数控加工程序；
D、利用该软件将刀具半径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半径宏变量就可以方便实现五轴刀具半径的补偿。
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，研究了五轴刀具半径补偿的基本原理，针对常用的三种类型端铣刀，如球头刀、平底刀和环形刀，分别推导出其刀具半径补偿方向和补偿后刀位点的矢量方程；然后，以摆头转台类五轴数控机床为例，建立前置刀位数据与机床各轴运动数据之间的关系方程，结合补偿后刀位点的矢量方程，推导出补偿后的刀位数据与机床各轴运动数据之间的关系方程，并对其进行求解计算；之后，利用步骤B中计算结果，基于Visual C++ 6.0开发出一套带有刀具半径补偿功能的后置处理软件，该软件不仅可以直接生成半径补偿后的数控加工程序，而且可以生成带有半径补偿宏变量的数控加工程序；最后，利用该软件将刀具半径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半径宏变量就可以方便实现五轴刀具半径的补偿。
附图说明
图1为球头刀半径补偿原理示意图；
图2为平底刀半径补偿原理示意图；
图3为环形刀半径补偿原理示意图；
图4为五轴联动叶片机床；
图5为后置处理软件界面；
图6为含切触点信息的刀位文件；
图7为带半径补偿宏变量的数控程序。
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、研究了五轴刀具半径补偿的基本原理，针对常用的三种类型端铣刀，如球头刀、平底刀和环形刀，分别推导出其刀具半径补偿方向和补偿后刀位点的矢量方程；
在五轴端铣加工曲面过程中，常用刀具类型有球头刀、平底刀和环形刀等，为研究五轴刀具半径补偿的基本原理，下文将针对以上三种类型刀具分别推导其半径补偿方向和补偿后刀位点矢量方程。
1、球头刀半径补偿方向和补偿后刀位点矢量
如图1所示，S为设计曲面，P为曲面上的切触点，球头刀在点P处与曲面S相切，球头刀的半径为R，O为刀心点，O pos为刀尖点，i为切触点P处刀位的刀轴矢量，n为切触点P处曲面的法矢量，以上两矢量均为单位矢量。假设球头刀半径发生改变，即半径由R变为R'时，为保持球头刀在切触点P处与曲面S相切，则刀心点O必须沿切触点P处的法矢方向进行平移。因此，n为球头刀半径补偿方向矢量，补偿量。于是，在工件坐标系O W X WYWZW中补偿后的刀心点O'的位置矢量为
(1)
式中，，。而刀尖点实际上是由刀心点沿刀轴矢量反向偏移一个刀具半径，所以在工件坐标系O W X WYWZW中补偿后的刀尖点O' pos的位置矢量为
(2)
式中，，。
2、平底刀半径补偿方向和补偿后刀位点矢量
如图2所示，S为设计曲面，P为曲面上的切触点，平底刀在点P处与曲面S相切，设平底刀的半径为R，O pos为刀尖点（此时刀心点与刀尖点重合），i为切触点P处刀位的刀轴矢量，n为切触点P处曲面的法矢量，m为垂直于刀轴方向的矢量，以上三矢量均为单位矢量。假设平底刀半径发生改变，即半径由R变为R'时，为保持平底刀在切触点P处仍与曲面S相切，则刀尖点O pos必须沿矢量m方向进行平移。因此，m为平底刀半径补偿方向矢量，补偿量。于是，在工件坐标系O W X WYWZW中补偿后的刀尖点O' pos的位置矢量
(3)
式中，，。
3、环形刀半径补偿方向和补偿后刀位点矢量
如图3所示，S为设计曲面，P为曲面上的切触点，环形刀在点P处与曲面S相切，设环形刀的外圆半径为R，圆角半径为r，环心圆半径为R c，O为刀心点，O pos为刀尖点，i为切触点P处刀位的刀轴矢量，n为切触点P处曲面的法矢量，m为垂直于刀轴方向的矢量，以上三矢量均为单位矢量。假设环形刀半径发生改变，即外圆半径由R变为R'、圆角半径由r变为r'和环心圆半径由R c变为R' c时，为保持环形刀在切触点P处仍与曲面S相切，则刀心点O必须沿切触点P处的法矢量n和垂直于刀轴方向的矢量m进行平移。因此，环形刀半径补偿方向矢量是由矢量m和n来确定，两个方向的补偿量分别为和，其中。于是，在工件坐标系O W X WYWZW中补偿后的刀心点O'的位置矢量为
(4)
式中，矢量n和m都是未知量，下面将给出其具体求解方法。
如图3所示，利用空间向量叉积性质，则有
(5)
式中，。而矢量n则为
(6)
至此，已经求解出环形刀半径补偿方向的两个向量，而刀尖点实际上是由刀心点沿刀轴矢量反向偏移刀具半径，即，，再联立式(4)可得到补偿后刀位点O pos的位置矢量
(5)
通过比较式(2)、(3)和(7)可以看出，当r=R时，式(7)变为式(2)；当r=0时，式(7)变为式(3)。由此可见，式(7)是上述三种类型刀具补偿后刀位点矢量方程的一般形式。以上分析了五轴端铣加工复杂曲面时刀具半径补偿的基本原理，推导出刀具半径补偿方向和补偿后刀位点的矢量方程的一般形式，为实现五轴刀具半径补偿的后置处理程序开发提供了理论基础。
B、以摆头转台类五轴数控机床为例，建立前置刀位数据与机床各轴运动数据之间的关系方程，结合补偿后刀位点的矢量方程，推导出补偿后的刀位数据与机床各轴运动数据之间的关系方程，并对其进行求解计算；
针对不具备五轴刀具半径补偿功能的CNC系统，为实现其五轴刀具半径补偿，以摆头转台类五轴数控机床为例，给出五轴刀具半径补偿的具体实现方法。
1、摆头转台类五轴数控机床后置处理的坐标变换方程
以五轴联动叶片机床为例，如图4所示，可以得到后置处理后机床各平动轴与前置刀位数据之间关系方程
(8)
式中， L为刀具摆长，B为摆头转动的坐标值，A为工作台转动坐标值，X、Y、Z分别为机床各平动轴的坐标值，x、y、z分别为工件坐标系中刀位点矢量分量，x 0、y 0、z 0分别为工件坐标系原点相对于机床坐标系的偏移矢量分量。由步骤A中刀具半径补偿原理可知，刀具半径补偿不影响刀轴矢量，仅影响刀位点的位置矢量，因此后置处理程序中的回转角是保持不变的。而刀具半径尺寸发生改变时，只能通过补偿向量方向来移动刀位点，从而实现刀具的半径补偿。
2、补偿后刀位点计算公式
根据刀具尺寸改变后的刀具半径是常量还是变量的情况，分别给出了两种情况的刀具补偿后刀位点计算公式。
（1）刀具尺寸改变后刀具半径是常量的情况
假设刀位文件中给出了刀位点O pos (x, y, z)，切触点P(x P, y P, z P)，刀轴矢量为(i, j, k)，以及刀具摆长为L，刀具半径为R，圆角半径为r，而刀具尺寸改变后刀位点为O' pos (x', y', z')，刀具半径为R'，圆角半径为r'，且R'、r'为已知常量。若刀具为环形刀，即r<R，则由式(7)可推导出刀具半径补偿后刀位点O' pos 的计算公式：
(9)
式中，，，
（2）刀具尺寸改变后刀具半径是变量的情况
假设刀位文件中给出了刀位点O pos (x, y, z)，切触点P(x P, y P, z P)，刀轴矢量为(i, j, k)，以及刀具摆长为L，刀具半径为R，圆角半径为r，而刀具尺寸改变后刀位点O' pos(x', y', z')，刀具半径为R'，圆角半径为r'，且R'、r'为未知变量。若刀具为环形刀，即r<R，则由式(7)可推导出刀具半径补偿后的刀位点O' pos
(10)
式中，，，
，，
3、后置处理后机床平动轴的坐标值
根据刀具尺寸改变后刀具半径是常量还是变量，可以分别求得后置处理后机床各平动轴的坐标值。当刀具尺寸改变后刀具半径为常量时，将式(9)中刀具补偿后的刀位点(x', y', z')代入式(8)，则可以得到机床各平动轴的坐标值：
(11)
当刀具尺寸改变后刀具半径为变量时，将式(10)中补偿后的刀位点(x', y', z')代入式(8)，则可以得到机床各平动轴的坐标值：
(12)
C、利用步骤B中计算结果，基于Visual C++ 6.0开发出一套带有刀具半径补偿功能的后置处理软件，该软件不仅可以直接生成半径补偿后的数控加工程序，而且可以生成带有半径补偿宏变量的数控加工程序；
利用Visual C++ 6.0开发出一种带有刀具半径补偿功能的后置处理软件，其界面如图5所示。该软件不仅可以根据刀具半径数值直接生成刀具半径补偿后的数控程序，而且也可以将刀具半径作为宏变量写入数控加工程序中，并通过修改宏变量的值即可得到刀具半径补偿后的数控程序。因此，当刀具的实际尺寸改变后，可以在数控加工程序中直接修改这些宏变量的值便能够实现五轴刀具半径补偿功能。由此可见，该方法能够增强了数控加工程序的通用性，弥补现有五轴数控系统在刀具半径补偿方面的不足，避免了因刀具实际尺寸改变后必须返回到CAM软件重新生成刀具轨迹和再次进行后置处理的繁琐过程，提高了数控加工程序可重用性。
D、利用该软件将刀具半径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半径宏变量就可以方便实现五轴刀具半径的补偿。
在UG/CAM中，可以通过勾选“机床控制”项中的“输出接触数据”生成包含切触点信息的刀位文件，如图6所示。利用步骤C中开发的后置处理软件可以生成带半径补偿宏变量的数控加工程序（若采用西门子数控系统，其宏变量为R参数），如图7所示。在生成的数控程序中，宏变量R1代表刀具摆长，宏变量R2代表刀具直径，宏变量R3代表刀具圆角半径。
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)
1.一种基于后置处理五轴刀具半径补偿方法，其特征在于，包括步骤：
A、研究了五轴刀具半径补偿的基本原理，针对常用的三种类型端铣刀，如球头刀、平底刀和环形刀，分别推导出其刀具半径补偿方向和补偿后刀位点的矢量方程；
B、以摆头转台类五轴数控机床为例，建立前置刀位数据与机床各轴运动数据之间的关系方程，结合补偿后刀位点的矢量方程，推导出补偿后的刀位数据与机床各轴运动数据之间的关系方程，并对其进行求解计算；
C、利用步骤B中计算结果，基于Visual C++6.0开发出一套带有刀具半径补偿功能的后置处理软件，该软件不仅可以直接生成半径补偿后的数控加工程序，而且可以生成带有半径补偿宏变量的数控加工程序；
D、利用该软件将刀具半径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半径宏变量就可以方便实现五轴刀具半径的补偿；步骤A中，推导出在工件坐标系中球头刀半径补偿后的刀位点O'pos的位置矢量
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式中，n为球头刀半径补偿方向矢量，球头刀半径变化量ΔR＝R′-R，R为球头刀半径，R′为变化后的球头刀半径，为半径补偿前的刀位点Opos的位置矢量，i为切触点P处刀位的刀轴矢量；在工件坐标系中平底刀半径补偿后的刀位点O'pos的位置矢量
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式中，m为平底刀半径补偿方向矢量，rP为曲面上的切触点P的位置矢量；在工件坐标系中环形刀半径补偿后刀位点Opos的位置矢量
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式中，ΔR为环形刀半径变化量，ΔR＝R′-R，R和R′分别为环形刀半径变化前后的变量；Δr为环形刀的圆角半径变化量，Δr＝r′-r，r和r′分别为环形刀的圆角半径变化前后的变量；m和n为环形刀半径补偿方向矢量，且 通过比较式(1)、(2)和(3)可以看出，当r＝R时，式(3)变为式(1)；当r＝0时，式(3)变为式(2)；因此式(3)是上述三种类型刀具补偿后刀位点矢量方程的一般形式；
步骤B中，建立前置刀位数据与机床各轴运动数据之间的关系方程：
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式中，L为刀具摆长，B为摆头转动的坐标值，A为工作台转动坐标值，X、Y、Z分别为机床各平动轴的坐标值，x、y、z分别为工件坐标系中刀位点矢量分量，x0、y0、z0分别为工件坐标系原点相对于机床坐标系的偏移矢量分量；根据所述步骤A中刀具半径补偿后刀位点的矢量方程式(3)，进而得到刀具半径补偿后刀位点O'pos的计算公式：
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式中，
x、y、z为刀具半径补偿前刀位点Opos的坐标分量，xP、yP、zP为刀具与工件之间的切触点P的位置矢量分量，i、j、k为刀轴矢量分量，R为环形刀半径，r为环形刀的圆角半径；而x'、y'、z'为刀具尺寸改变后刀位点O'pos的坐标分量，R'为刀具尺寸改变后环形刀半径，r'为刀具尺寸改变后环形刀的圆角半径，且R'、r'为未知变量；再结合前置刀位数据与机床各轴运动数据之间的关系方程式(4)，推导出机床各平动轴的坐标计算公式：
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最后对上述方程进行求解计算，便可得到机床各平动轴的坐标值。
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