CN105302070A - 一种非正交摆头转台类五轴机床后置处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非正交摆头转台类五轴机床后置处理方法。本发明以平动轴Y和回转轴B作为倾斜轴的摆头转台类五轴机床作为研究对象，分析该类型机床的结构特点。然后，分别将倾斜轴Y轴与OXZ平面之间夹角和刀具摆长作为变量，建立前置刀位数据与该类机床各坐标轴之间的运动变换方程，并推导出各坐标轴的计算公式。在此基础上，利用C++语言开发出适用于该类型五轴数控机床的后置处理软件。该方法不仅能够将刀位文件转换为机床可以识别的数控程序，而且可以在数控程序中进行五轴刀具长度补偿、工件原点偏置补偿功能和非正交轴角度可以修改。

Description

一种非正交摆头转台类五轴机床后置处理方法

技术领域

本发明涉及一种数控机床后置处理方法，尤其涉及一种非正交摆头转台类五轴机床后置处理方法，属于五轴数控加工机床领域。

背景技术

五轴数控机床通常由三平动轴和两回转轴组成，通过平动轴和回转轴的不同配置而构成各种不同类型的五轴机床。一般可将其分为三种基本类型：1）双摆头类型，2）双转台类型，3）摆头转台类型，而其他类型的五轴机床都是在其基础上演化而来。因此，许多学者针对各种类型五轴数控机床后置处理方法开展了大量研究工作，如双摆头类五轴机床、双转台类五轴机床、摆头转台类五轴机床、非正交回转轴双转台五轴机床等。现有技术中，主要是针对非正交回转轴的双转台五轴机床开发的专用后置处理程序，其中非正交轴仅指回转轴，而没有考虑平动轴也为非正交轴的情况。因此，目前文献对于非正交摆头转台类五轴机床，尤其平动轴和回转轴同时为非交情况研究较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有在数控程序中进行五轴刀具长度补偿、工件原点偏置补偿和非正交轴角度修改功能的非正交摆头转台类五轴机床后置处理方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种非正交摆头转台类五轴机床后置处理方法，该方法包括以下步骤：

A、分析以平动轴Y和回转轴B作为倾斜轴的摆头转台类五轴机床的结构特征，分别将倾斜轴Y轴与OXZ平面之间夹角和刀具摆长作为变量，建立前置刀位数据与该类机床各坐标轴之间的运动变换方程，并推导出各坐标轴的计算公式；

B、在机床各平动轴和回转轴的计算公式基础上，结合西门子数控系统或其他数控系统提供的宏变量（如R参数）功能，基于VC++6.0平台利用C++语言开发出一种适用于非正交摆头转台类五轴控机床的后置处理软件；其中在该软件界面中，刀具摆长可以作为宏变量或数值输入，倾斜轴Y轴与OXZ平面之间夹角作为数值输入，工件原点在机床坐标系中的偏置量作为数值输入。

由上述发明技术方案可以看出，该方法不仅能够将刀位文件转换为机床可以识别的数控程序，而且具有在数控程序中进行五轴刀具长度补偿、工件原点偏置补偿和非正交轴角度修改功能。

附图说明

图1为非正交摆头转台类五轴机床；

图2为非正交摆头转台类五轴机床运动链；

图3为非正交摆头转台类五轴机床中的坐标系；

图4为后置处理软件界面。

具体实施方式

本发明的非正交摆头转台类五轴机床后置处理方法，以平动轴Y和回转轴B作为倾斜轴的摆头转台类五轴机床为例进行阐述，如图1所示，其较佳的具体实施方式是，包括：

A、分析以平动轴Y和回转轴B作为倾斜轴的摆头转台类五轴机床的结构特征，分别将倾斜轴Y轴与OXZ平面之间夹角和刀具摆长作为变量，建立前置刀位数据与该类机床各坐标轴之间的运动变换方程，并推导出各坐标轴的计算公式。

首先，以平动轴Y和回转轴B作为倾斜轴的摆头转台类五轴数控机床作为研究对象，如图1所示；该机床由三平动轴X、Y、Z和两回转轴A、B组成，其中X轴和Y、Z轴夹角都等于90°，而Y轴与Z轴夹角小于90°，且回转轴B的中心平行于Y轴，与Z轴夹角亦小于90°，回转轴A的中心平行于X轴，机床主轴与回转轴B夹角大于90°。X、Z轴方向的平动和绕A轴的转动由机床转台实现，而Y轴方向的平动和绕B轴的转动由机床主轴实现；根据该机床的具体结构，可以得到该机床各坐标轴之间的运动关系，即机床运动链，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，如图2所示。

其次，为将由CAM得到的刀位数据转换为机床数控加工程序，需要根据该机床的结构特点来确定机床的运动变化关系，然后再将刀位数据变换分解到机床各坐标轴上，从而获得机床各坐标轴的数值。为描述该机床运动，在该五轴机床上建立图3所示各相关坐标系，其中O _m X _m Y _m Z _m为机床坐标系，其原点O _m位于A轴转台右端面中心，X _m轴方向平行于A轴回转中心，Z _m轴方向为竖直向上，Y _m轴方向则垂直于O _m X _m Z _m平面；O _m1 X _m1 Y _m1 Z _m1为与回转轴B固连的坐标系，其原点为主轴回转中心与B轴回转中心的交点，各坐标轴方向与机床坐标系一致；O _m2 X _m2 Y _m2 Z _m2为与回转轴B固连的坐标系，是机床Y轴、B轴实际运动的坐标系，其原点为主轴回转中心与B轴回转中心的交点，各坐标轴方向由机床坐标系绕X _m轴旋转α角得到；O _w X _w Y _w Z _w为与工件固连的工件坐标系，其原点在机床坐标系中的位置矢量=(d _x ,d _y ,d _z )，且各坐标轴方向与机床坐标系一致，而前置刀位数据是在该坐标系下表示；O _t X _t Y _t Z _t为与刀具固连的刀具坐标系，其原点设在刀位点上，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 _m2 X _m2 Y _m2 Z _m2与机床坐标系O _m X _m Y _m Z _m的原点重合。假设坐标系O _m1 X _m1 Y _m1 Z _m1的原点到刀具坐标系的原点O _t的距离为L（即刀具摆长），则刀位点O _t在坐标系O _m1 X _m1 Y _m1 Z _m1中的位置为(0,0,-L)；在刀具坐标系中，刀位点的位置矢量和刀轴矢量分别为(0,0,0)和(0,0,1)。假设机床平动轴相对于初始状态的移动量为(X,Y,Z)，回转轴相对于初始状态的转动量分别为B和A（其正方向如图3所示），工件坐标系中刀位点和刀轴矢量分别为(x,y,z)和(i,j,k)。

根据该机床运动链和各坐标系，可分别建立回转轴和平动轴的运动变换方程：

(1)

(2)

式中： T 和 R 分别为平移和回转运动的齐次变换矩阵：

，，，，；是由编程坐标系O _w X _w Y _w Z _w到机床坐标系O _m X _m Y _m Z _m的变换矩阵：。

由式(1)可以得到：

(3)

若该机床B轴运动范围(-0.5π,0.5π)，A轴运动范围[-π,π]，则。由式(3)可解得

(4)

式中：

由式(2)可以得到各平动轴的计算公式：

(5)

因此，由式(4)和式(5)就可以确定机床各回转轴和平动轴的数值，即对前置刀位数据进行后置处理而得到机床可以识别执行的数控加工程序，其中机床平动轴计算公式中包含刀具摆长变量L、工件原点偏置变量d _x 、d _y 、d _z 和倾斜轴Y _m2与O _m X _m Y _m平面之间夹角α。

B、在机床各平动轴和回转轴的计算公式基础上，结合西门子数控系统或其他数控系统提供的宏变量（如R参数）功能，基于VC++6.0平台利用C++语言开发出一种适用于非正交摆头转台类五轴控机床的后置处理软件；其中在该软件界面中，刀具摆长可以作为宏变量或数值输入，倾斜轴Y轴与OXZ平面之间夹角作为数值输入，工件原点在机床坐标系中的偏置量作为数值输入。

在步骤A所得到的机床各平动轴和回转轴的计算公式基础上，结合西门子数控系统或其他数控系统所提供的宏变量（如R参数）功能，基于VC++6.0平台利用C++语言开发出一种适用于非正交摆头转台类五轴控机床的后置处理软件。该软件界面主要包括文件输入输出设置、刀具摆长的设置、倾斜轴Y与OXZ平面夹角、工件原点在机床坐标系中的位置、回转轴的运动范围、后置处理命令按钮等，如图4所示。此外，刀具摆长既可以输入数值也可以输入宏变量。对于不带“RTCP/RPCP”功能的五轴数控机床，若工件坐标原点不在A转台回转中心时，则可以根据工件原点在机床坐标系中的实际位置进行相应的补偿，避免了重新返回CAM软件中进行数控编程；若刀具长度发生变化，通过采用“宏变量后置处理”命令则可将刀具摆长作为宏变量写入数控加工程序，通过直接修改数控程序中宏变量的数值即可实现五轴刀具长度补偿。

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 (3)

1.一种非正交摆头转台类五轴机床后置处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、分析以平动轴Y和回转轴B作为倾斜轴的摆头转台类五轴机床的结构特征，分别将倾斜轴Y轴与OXZ平面之间夹角和刀具摆长作为变量，建立前置刀位数据与该类机床各坐标轴之间的运动变换方程，并推导出各坐标轴的计算公式；

B、在机床各平动轴和回转轴的计算公式基础上，结合西门子数控系统或其他数控系统提供的宏变量（如R参数）功能，基于VC++6.0平台利用C++语言开发出一种适用于非正交摆头转台类五轴控机床的后置处理软件；其中在该软件界面中，刀具摆长可以作为宏变量或数值输入，倾斜轴Y轴与OXZ平面之间夹角作为数值输入，工件原点在机床坐标系中的偏置量作为数值输入。

2.根据权利要求1所述的一种非正交摆头转台类五轴机床后置处理方法，其特征在于，步骤A中，首先分析该非正交摆头转台类五轴机床的结构特点，进而得到该类五轴机床各坐标轴之间的运动关系，即机床运动链，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；

其次，在该非正交摆头转台五轴机床上建立各相关坐标系，如工件坐标系、机床坐标系、倾斜轴的坐标系等，根据该机床运动链和各坐标系，建立回转轴和平动轴的运动变换方程

(1)

(2)

式中， T 和 R 分别为平移和回转运动的齐次变换矩阵

，，，，；是由编程坐标系O _w X _w Y _w Z _w到机床坐标系O _m X _m Y _m Z _m的变换矩阵；

最后，通过求解回转轴和平动轴的运动变换方程式(1)和(2)来确定机床各回转轴和平动轴的数值，由式(1)可以得到

(3)

若该机床B轴运动范围(0.5π,π]，A轴运动范围[-π,π]，则；由式(3)可以得到

(4)

式中，

结合式(4)，通过求解式(2)可以得到各平动轴的计算公式

(5)

因此，由式(4)和式(5)就可以确定机床各回转轴和平动轴的数值，即对前置刀位数据进行后置处理而得到机床可以识别执行的数控加工程序，其中机床平动轴计算公式中包含刀具摆长变量L、工件原点偏置变量d _x 、d _y 、d _z 和倾斜轴Y _m2与O _m X _m Y _m平面之间夹角α。

3.根据权利要求1所述的一种非正交摆头转台类五轴机床后置处理方法，其特征在于，步骤B中，刀具摆长既可以输入数值也可以输入宏变量；对于不带“RTCP/RPCP”功能的五轴数控机床，若工件坐标原点不在A转台回转中心时，则可以根据工件原点在机床坐标系中的实际位置进行相应的补偿，避免了重新返回CAM软件中进行数控编程；若刀具长度发生变化，通过采用“宏变量后置处理”命令则可将刀具摆长作为宏变量写入数控加工程序，通过直接修改数控程序中宏变量的数值即可实现五轴刀具长度补偿。