CN105204430B - 基于机床实体模型的五轴后置处理方法 - Google Patents

基于机床实体模型的五轴后置处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于机床实体模型的五轴后置处理方法，包括以下步骤：S1、刀位源文件的预处理；S2、运动学逆解；S3、高级修正；S4、智能选解。本发明的有益效果是：具备了通用性、实用性和很强的自适应性。

Description

基于机床实体模型的五轴后置处理方法
技术领域
本发明涉及机床加工，尤其涉及一种基于机床实体模型的五轴后置处理方法。
背景技术
在汽车、航天以及军事等领域造型复杂的部件都可以通过五轴数控机床加工出来，其加工刀轨编程较为困难，需要借助CAM（computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）编程软件来实现。CAD/CAM系统可以对模型进行刀路编辑从而生成刀位源文件（简称CLSF），该文件也称为前置处理文件，刀位源文件不仅包括了刀尖点和刀轴矢量，还有机床加工的相关信息，比如说进给率，水冷和换刀指令等。 五轴机床基本上是由三个平动轴和两个旋转轴组成，机床配备的控制系统也不尽相同，所以刀位文件不能直接用于数控加工当中，需要借助于后置处理器来将CLSF转换成特定机床和控制器所能识别的数控加工代码，该处理过程称为后置处理技术。传统五轴加工流程图如图1所示。
国外的后置处理器主要可分为以下三种类型：CAM软件自带后置处理器、捆绑式后置处理器、独立式后置处理器。这几种后置处理器的使用费用昂贵，且自带后置处理并不对编程人员进行开放，不好做二次开发。国内有基于CAD/CAM配置后置处理器和利用编程工具开发后置处理器，但是：
1)通用性不强，很多后置处理系统只针对特定的机床来进行后处理，而五轴机床大体可以分为三种形式，分别为双摆头，双转台和摆头+转台形式，可以分别建立运动学模型从而将刀位文件转换为各轴的运动量。
2)功能单一，大多数后置处理系统只是进行运动学求解，并没有考虑实际的加工环境，比如说加工过程中的碰撞问题，超程问题，奇异问题，这些都会给机床带来很严重的后果，不能保证后处理后的数控代码能最终用于实际加工。
3)未考虑机床模型，这是现在普遍后置处理器存在的问题，也就是说，若没有考虑实际的加工环境，而五轴机床各轴的运动很难去想象，其刀轴姿态的变化不好估计，只有在实体模型基础上进行代码优化才能最终保证加工的安全性和正确性。
4)缺少解的优化，现有后置处理器会按照用户要求生成一组解，一般同一个刀位点是有两组解的，最后加工尽量选取同一个逆解公式求解出来的解，但是不能智能选取一组没有干涉的解集，这个是要借助实体模型才能实现的。
本发明将从五轴后置处理技术出发，对该过程中若干关键技术进行系统集成，开发出一套具有高级修正和智能选解功能且具有自主知识产权的后置处理方法。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种通用性、实用性、自适应性很强的基于机床实体模型的五轴后置处理方法。
本发明提供了一种基于机床实体模型的五轴后置处理方法，包括以下步骤：
S1、刀位源文件的预处理；
S2、运动学逆解；
S3、高级修正；
S4、智能选解。
作为本发明的进一步改进，步骤S3包括以下子步骤：
S301、去除奇异、非线性；
S302、旋转轴优化；
S303、平动轴优化。
作为本发明的进一步改进，步骤S3还包括以下子步骤：
S304、装夹位置优化；
S305、对步骤S301至S304中的任意步骤进行干涉检测。
作为本发明的进一步改进，步骤S301中，选用上个刀位旋转轴的角度值来代替奇异点时旋转轴的任意取值；借助于干涉检测模块来判断在奇异域中的刀轴是否可以作刀轴矢量的修正，以去除刀轴经过奇异域导致的旋转轴多余且不必要的运动。
作为本发明的进一步改进，步骤S302中，对退刀点的旋转轴超程值直接用轴的极限值来进行修正；步骤S303中，利用机床工件侧的C轴来解决三轴加工的平动轴超程问题。
作为本发明的进一步改进，步骤S4中，对于两个逆解集，若其有问题的刀位区域没有发生重叠，则可以进行解集重组，重组过程中，逆解段的过渡采用抬刀处理以避免干涉，通过结合运动学模型和干涉检测模块来确定刀具和毛坯的装夹位置，最后基于最短路径原则来选取最优解。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中，对CAM的刀位源文件进行预处理，生成中间数据文件。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中，通过CLSF解析器将CAM的刀位源文件生成中间数据文件。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，用中间数据文件统一描述刀位信息，刀位信息包括刀尖点位置和刀轴矢量，对机床建立运动学模型，建立刀具坐标系和工件坐标系之间的变换关系，由刀位信息在刀具坐标系、工件坐标系下的变换关系进行运动学逆解。
本发明的有益效果是：通过上述方案，具备了通用性、实用性和很强的自适应性。
附图说明
图1是传统五轴加工流程图。
图2是本发明一种基于机床实体模型的五轴后置处理方法的系统框图。
图3是本发明一种基于机床实体模型的五轴后置处理方法的流程图。
图4是本发明一种基于机床实体模型的五轴后置处理方法的特性示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示
本发明提供了一种基于机床实体模型的五轴后置处理方法，包括以下步骤：
S1、刀位源文件的预处理，对CAM的刀位源文件进行预处理，生成中间数据文件，通过CLSF解析器将CAM的刀位源文件生成中间数据文件；
S2、运动学逆解，用中间数据文件统一描述刀位信息，刀位信息包括刀尖点位置和刀轴矢量，对机床建立运动学模型，建立刀具坐标系和工件坐标系之间的变换关系，由刀位信息在刀具坐标系、工件坐标系下的变换关系进行运动学逆解；
S3、高级修正；
步骤S3包括以下子步骤
S301、去除奇异、非线性，选用上个刀位旋转轴的角度值来代替奇异点时旋转轴的任意取值；借助于干涉检测模块来判断在奇异域中的刀轴是否可以作刀轴矢量的修正，以去除刀轴经过奇异域导致的旋转轴多余且不必要的运动；
S302、旋转轴优化，对退刀点的旋转轴超程值直接用轴的极限值来进行修正；
S303、平动轴优化，利用机床工件侧的C轴来解决三轴加工的平动轴超程问题；
S304、装夹位置优化；
S305、对步骤S301至S304中的任意步骤进行干涉检测；
S4、智能选解，对于两个逆解集，若其有问题的刀位区域没有发生重叠，则可以进行解集重组，重组过程中，逆解段的过渡采用抬刀处理以避免干涉，通过结合运动学模型和干涉检测模块来确定刀具和毛坯的装夹位置，最后基于最短路径原则来选取最优解。
本发明将针对国内现有五轴后置处理器中优化功能的不足，将五轴后置处理过程中的相关技术与干涉检测相结合，设计一套通用性、实用性和自适应性很强的后置处理方法，改善国内五轴后置处理软件几乎全靠进口的局面。基于机床实体模型的五轴后置处理方法的系统总体结构如图2所示，主要由用户接口层、数据访问层和数据处理层组成，其中用户接口层主要是用户的参数入口，包括用于干涉仿真的机床实体模型，机床各轴行程参数以及系统针对刀位文件的优化报告；数据访问层包括运动学模型库，刀位语句基本规则库和NC代码基本规则库，方便用户在基本规则库基础上进行自定义刀位和加工代码规则库；数据处理层是本文的重点内容，该层主要是针对刀位逆解的高级修正和智能选解过程，也是本系统与国内其他后置处理系统的不同之处，即结合干涉检测实现全局的修正和基于最短路径原则的最优解选取。
（1）刀位预处理
该过程主要针对UG和Mastercam这两个市场占有率较高的CAM软件产生的刀位源文件进行预处理，将其中的加工信息采用统一的数据形式进行存储，即生成中间数据文件，方便系统的数据处理。
（2）运动学模型库
本文分析了通用双摆头、双转台和摆头+转台形式的五轴机床运动学模型，建立刀具运动链和工件运动链之间的坐标系变换关系，最后获得通用性强的运动学正逆解求解公式。系统首先需要提取刀位文件中的关键加工信息，用中间数据文件去统一描述刀位信息（刀尖点位置和刀轴矢量）。然后对机床建立运动学模型，利用机器人学旋量的相关知识建立刀具坐标系和工件坐标系的关系，由刀位信息在这两坐标系下的变换关系获得逆解求解公式，即可得到刀轴位姿对应的机床各轴运动量，一般情况下一个刀位对应两个逆解。
（3）高级修正功能
该修正功能主要包括三方面：第一，奇异问题的修正，主要是解决机床奇异点位置时奇异轴取值为任意值的问题，另外，还有因刀轴经过奇异域导致的旋转轴角度大幅度变化问题，借助于干涉检测模块来判断在奇异域中的刀轴是否可以作刀轴矢量的修正；第二，针对旋转轴的超程问题，这里主要讨论退刀点旋转轴超程的解决方法；第三，利用机床工件侧的C轴来解决三轴加工的平动轴超程问题。
（4）智能选解
对于两个逆解集，若其有问题的刀位区域没有发生重叠，则可以进行解集重组，重组过程中逆解段的过渡需要采用抬刀处理以避免干涉。除此之外，系统还可以通过结合运动学模型和干涉检测模块来确定刀具和毛坯的装夹位置，最后基于最短路径原则来选取最优解。
本发明提供的一种基于机床实体模型的五轴后置处理方法具有以下优点：
1、实用性：基于实体模型的全局优化
高级修正功能体现了系统的实用性，主要包括三方面：第一，选用上个刀位旋转轴的角度值来代替奇异点时旋转轴的任意取值，这样可以最大可能地解决解的不确定性。借助于干涉检测模块来判断在奇异域中的刀轴是否可以作刀轴矢量的修正，以去除刀轴经过奇异域导致的旋转轴多余且不必要的运动；第二，对退刀点的旋转轴超程值直接去轴的极限值来进行修正；第三，利用机床工件侧的C轴来解决三轴加工的平动轴超程问题，即C轴扩大了五轴机床上的三轴加工范围。
智能选解部分针对已经修正过的逆解集，重组过程中逆解段的过渡需要采用抬刀处理以避免干涉，这种方法比较适合于需要重组的刀位较少的情况，这样可以不用回到CAM中去修改刀路。除此之外，系统还可以通过结合运动学模型和干涉检测模块来确定刀具和毛坯的安装位置区间，该区间的取值可以供编程人员参考，最后基于最短路径原则来选取最优解。
2、通用性：适合任意五轴机床
为了实现系统的通用性，系统的数据访问层包括的刀位语句规则库主要是针对市场占有率较高的UG和Mastercam软件生成的刀位文件建立的，用户可以自行对规则库的解析过程进行参数录入，先将重要的刀轴运动信息和加工信息提取出来并存储为中间数据文件，然后利用运动学模型库中刀具坐标系和工件坐标系的关系建立机床的运动学逆解公式，求得的逆解结果即为各轴的运动量。
3、自适应性：适应未来格式的变化
CLSF解析器：该CLSF解析器主要将针对UG和Mastercam这两个市场占有率较高的CAD/CAM软件产生的CLSF进行预处理， 这里主要是将刀位文件中的加工信息统一格式进行表述，生成中间文件，方便系统对数据进行处理。加工代码规则库方便用户修改输出格式以适应不同机床的控制器。
本发明提供的一种基于机床实体模型的五轴后置处理方法，属于工业五轴数控加工技术领域，基于机床实体模型的五轴后置处理技术能最大程度地优化刀位源文件。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于机床实体模型的五轴后置处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、刀位源文件的预处理；
S2、运动学逆解；
S3、高级修正；
S4、智能选解；
其中，
步骤S3包括以下子步骤：
S301、去除奇异、非线性；
S302、旋转轴优化；
S303、平动轴优化；
S304、装夹位置优化；
S305、对步骤S301至S304中的任意步骤进行干涉检测；
步骤S301中，选用上个刀位旋转轴的角度值来代替奇异点时旋转轴的任意取值；借助于干涉检测模块来判断在奇异域中的刀轴是否可以作刀轴矢量的修正，以去除刀轴经过奇异域导致的旋转轴多余且不必要的运动；
步骤S302中，对退刀点的旋转轴超程值直接用轴的极限值来进行修正；步骤S303中，利用机床工件侧的C轴来解决三轴加工的平动轴超程问题。
2.根据权利要求1所述的基于机床实体模型的五轴后置处理方法，其特征在于，步骤S4中，对于两个逆解集，若其有问题的刀位区域没有发生重叠，则可以进行解集重组，重组过程中，逆解段的过渡采用抬刀处理以避免干涉，通过结合运动学模型和干涉检测模块来确定刀具和毛坯的装夹位置，最后基于最短路径原则来选取最优解。
3.根据权利要求1所述的基于机床实体模型的五轴后置处理方法，其特征在于，步骤S1中，对CAM的刀位源文件进行预处理，生成中间数据文件。
4.根据权利要求1所述的基于机床实体模型的五轴后置处理方法，其特征在于，步骤S1中，通过CLSF解析器将CAM的刀位源文件生成中间数据文件。
5.根据权利要求1所述的基于机床实体模型的五轴后置处理方法，其特征在于，步骤S2中，用中间数据文件统一描述刀位信息，刀位信息包括刀尖点位置和刀轴矢量，对机床建立运动学模型，建立刀具坐标系和工件坐标系之间的变换关系，由刀位信息在刀具坐标系、工件坐标系下的变换关系进行运动学逆解。
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