CN107748538B - 基于bc型五轴数控机床后处理五轴鼓型刀半径补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BC型五轴数控机床后处理五轴鼓型刀半径补偿方法，包括如下步骤：研究鼓型刀五轴侧铣加工复杂曲面半径补偿的基本原理，推导出五轴鼓型刀半径补偿方向和补偿后刀位点矢量计算方程；建立前置刀位数据与BC型五轴数控机床各坐标轴之间的关系方程；利用五轴鼓型刀半径补偿后刀位点矢量计算方程，推导出五轴鼓型刀半径补偿后刀位数据与BC型五轴数控机床各坐标轴之间的关系方程；针对BC型五轴机床利用C++语言开发出一套具有五轴鼓型刀半径补偿功能的后置处理软件；利用该后置处理软件生成含有鼓型刀半径补偿宏变量的数控加工程序，根据实际鼓型刀半径尺寸直接修改其宏变量的值来实现五轴鼓型刀半径补偿。该方法能够避免鼓型刀半径尺寸改变后必须返回CAM系统重新计算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数控加工程序可重用性，具有较强的实际应用价值。

Description

基于BC型五轴数控机床后处理五轴鼓型刀半径补偿方法

技术领域

本发明涉及一种五轴数控机床刀具半径补偿方法，尤其涉及一种基于BC型五轴数控机床后处理五轴鼓型刀半径补偿方法，属于数控加工领域。

背景技术

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，主要是针对五轴端铣加工时刀具半径补偿进行研究，现有五轴刀具半径补偿功能实现主要有三种途径：

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，在后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。

现有技术三，结合数控系统提供的宏变量和数学运算功能，开发专用的后处理程序，并生成含有刀具半径宏变量的数控程序，直接通过修改数控程序中宏变量的数值来实现五轴刀具半径的补偿，具体参见文献【徐汝锋，陈志同.基于后置处理五轴刀具半径补偿方法[J].机械工程学报.2014,50(13):157-164】和专利【一种基于后置处理五轴刀具半径补偿方法，申请号：CN201310440414.1】。

上述现有技术至少存在以下缺点：

现有技术一，需要数控系统具备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数据文件，然后利用专用后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，在对刀位数据文件进行后处理时，考虑到刀具半径补偿值，并输出到数控加工程序中。但当刀具半径发生变化时，需要再次对原有刀位数据文件进行后处理，进而得到新的半径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。

现有技术三，主要针对于五轴端铣加工，仅适用于球头刀、平底刀和环形刀等端铣刀，而对于五轴侧铣加工，尤其鼓型刀五轴侧铣加工复杂曲面，其补偿的基本原理不同，因此其专用的后置处理程序很难适用于五轴鼓型刀侧铣加工。

发明内容

为克服现有鼓型刀五轴侧铣加工复杂曲面时刀具发生磨损后很难实现在线五轴半径补偿的问题，本发明提供一种基于BC型五轴数控机床后处理五轴鼓型刀半径补偿方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于BC型五轴数控机床后处理五轴鼓型刀半径补偿方法，包括以下步骤：

A、研究鼓型刀五轴侧铣加工复杂曲面半径补偿的基本原理，推导出五轴鼓型刀半径补偿方向和补偿后刀位点矢量计算方程；

B、建立前置刀位数据与BC型五轴数控机床各坐标轴之间的关系方程；

C、利用五轴鼓型刀半径补偿后刀位点矢量计算方程，建立五轴鼓型刀半径补偿后刀位数据与BC型五轴数控机床各坐标轴之间的关系方程；

D、针对BC型五轴数控机床利用C++语言开发出一套具有五轴鼓型刀半径补偿功能的后处理软件；

E、利用步骤D的后处理软件生成含有鼓型刀半径补偿宏变量的数控加工程序。本发明的有益效果是，该方法可以方便实现不具备五轴鼓型刀半径补偿功能数控系统的刀具半径补偿，避免刀具半径尺寸改变后必须返回CAM系统重新计算刀轨和再次进行后处理的繁琐过程，从而缩短了零件总加工时间和提高了数控加工程序可重用性，具有较强的实际应用价值。

附图说明

图1为基于BC型五轴数控机床后处理五轴鼓型刀半径补偿方法流程图；

图2为五轴鼓型刀半径补偿原理示意图；

图3为双转台BC型五轴数控机床运动链；

图4为双转台BC型五轴数控机床的坐标系；

图5为含有五轴鼓型刀半径补偿宏变量的数控加工程序。

具体实施方式

本发明的一种基于BC型五轴数控机床后处理五轴鼓型刀半径补偿方法，其基本流程如图1所示，其较佳的具体实施方式是，包括：

步骤A、研究鼓型刀五轴侧铣加工复杂曲面半径补偿的基本原理，推导出五轴鼓型刀半径补偿方向和补偿后刀位点矢量计算方程。所述步骤A具体为：

如图2所示，S为设计曲面，P为曲面上的刀触点，鼓型刀具在点P处与曲面S相切；假设鼓型刀径向最大回转圆半径为R，鼓型圆弧母线圆半径为r，鼓型母线切削刃高度为h，O为刀心点，O_pos为刀位点，O₁为鼓型圆弧母线的圆心，且位于鼓型刀径向最大回转圆直径上，OO_pos＝h/2；i为刀触点P处刀位的刀轴矢量，n为刀触点P处曲面的法矢量，m为垂直于刀轴方向的矢量O₁O，以上三矢量均为单位矢量。

假设鼓型刀具半径发生改变，即最大回转圆半径由R变为R'、鼓型圆弧母线半径由r变为r'时，为保持鼓型刀具在刀触点P处仍与曲面S相切，则刀心点O必须沿刀触点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，鼓型刀具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ΔR＝R′-R和Δr＝r′-r。于是，在工件坐标系O_WX_WY_WZ_W中补偿后的刀心点O'的位置矢量为

r_O′＝r_O+(Δr-ΔR)·m+Δr·n (1)

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2所示，利用空间向量叉积性质，则有

式中，

而矢量n则为

至此，已经求解出鼓型刀半径补偿方向的两个矢量，而刀位点实际上是由刀心点沿刀轴矢量反向偏移h/2而得到，即

再联立式(1)可得到鼓型刀半径补偿后刀位点O_pos的位置矢量

式(4)是鼓型刀具补偿后刀位点矢量方程的一般形式，这为实现五轴鼓型刀具半径补偿的后处理程序开发提供了理论基础。

步骤B、建立前置刀位数据与BC型五轴数控机床各坐标轴之间的关系方程。所述步骤B具体为：

根据机床回转轴所在位置不同，BC型五轴数控机床又可以分为双摆头、双转台和摆头转台三种基本类型，下文将主要以双转台BC型五轴数控机床作为研究对象，阐述鼓型刀前置刀位数据与双转台BC型五轴数控机床各坐标轴之间的关系。图3所示为双转台BC型五轴数控机床的运动链。为描述上述双转台BC型五轴机床的运动，建立图4所示的坐标系统，其中O_mX_mY_mZ_m为机床坐标系，其坐标原点O_m位于C轴转台表面中心；O_m1X_m1Y_m1Z_m1为与B轴固连的坐标系，初始方向与机床坐标系一致，其原点O_m1在机床坐标系中位置矢量

为[x_m1,y_m1,z_m1]；O_wX_wY_wZ_w为与工件固连的工件坐标系，其初始各坐标轴方向与机床坐标系一致，其原点O_w在机床坐标系中位置矢量

为[x₀,y₀,z₀]，前置刀位数据是在该坐标系下给出；O_tX_tY_tZ_t为与刀具固连的刀具坐标系，其原点设在刀位点上，其初始各坐标轴方向与机床坐标系一致。

在机床初始状态时，假设刀具坐标系O_tX_tY_tZ_t原点O_t与机床坐标系O_mX_mY_mZ_m的原点O_m重合，工件坐标系O_wX_wY_wZ_w的原点O_w在机床坐标系中的位置矢量

为[x₀,y₀,z₀]。在刀具坐标系O_tX_tY_tZ_t中，刀位点的位置矢量和刀轴矢量分别为(0,0,0)^T和(0,0,1)^T。假设机床平动轴相对于初始状态平移矢量为r_s(X,Y,Z)，回转轴相对于初始状态转角分别为B和C(其正方向如图4所示)，此时在工件坐标系O_wX_wY_wZ_w中刀位点和刀轴矢量分别为(x,y,z)和(i,j,k)。由机床运动链进行齐次坐标变换，可得：

(i,j,k,0)^T＝R(C)R(B)(0,0,1,0)^T (5)

式中，T和R分别为平移和回转运动的齐次变换矩阵：

由式(5)可以得到：

假设B轴回转工作台的范围B∈[-120°,0]，C轴回转工作台的范围C∈[-180°,180°]，则由式(7)可得

由式(6)可以得到五轴数控机床各平动轴的计算公式：

步骤C、利用五轴鼓型刀半径补偿后刀位点矢量计算方程，建立五轴鼓型刀半径补偿后刀位数据与BC型五轴数控机床各坐标轴之间的关系方程。所述步骤C具体为：

(1)五轴鼓型刀半径补偿后刀位点计算公式

由步骤A中五轴鼓型刀半径补偿原理可知，五轴刀具半径补偿时不影响刀轴矢量，仅影响刀位点的位置矢量，因此后处理程序中机床回转角在刀具半径补偿前后是保持不变的。而鼓型刀半径尺寸发生改变时，只能通过补偿方向矢量来移动刀位点，从而实现五轴刀具的半径补偿。对于鼓型刀半径补偿后刀位点计算刀公式需要包含鼓型刀半径变化量。

设刀位数据文件中给出刀位点O_pos(x,y,z)，刀具与工件曲面的刀触点P(x_P,y_P,z_P)，鼓型刀径向最大回转圆半径为R，鼓型圆弧母线半径为r，而刀具半径尺寸改变后刀位点为O'_pos(x',y',z')，鼓型刀径向最大回转圆半径为R'，鼓型圆弧母线半径为r'，且R'、r'为未知变量。由式(4)可推导出五轴鼓型刀半径补偿后刀位点O'_pos的计算公式：

式中，

(2)五轴鼓型刀刀位点半径补偿后机床各平动轴的坐标值

根据鼓型刀尺寸改变后刀具半径变化量是变量，可以分别求解出五轴鼓型刀刀位点半径补偿后机床各平动轴的坐标值。将式(10)中补偿后的刀位点(x',y',z')代入式(9)，则可以得到机床各平动轴的坐标值：

步骤D、针对BC型五轴数控机床利用C++语言开发出一套具有五轴鼓型刀半径补偿功能的后处理软件。所述步骤D具体为：

(1)从刀位数据文件中读入一行刀位数据，对该数据进行处理，获得刀位点位置矢量、刀轴矢量和刀触点位置矢量；

(2)根据所获得的刀轴矢量利用式(7)可以计算机床回转轴B和C；

(3)根据所获得刀位点位置矢量、刀轴矢量和刀触点位置矢量，利用式(10)可以得到鼓型刀径向半径和鼓型圆弧母线圆半径变化量为变量时机床各平动轴的坐标值X、Y和Z；

(4)重复上述步骤，直到所有刀位数据都转化为机床各坐标轴数据X、Y、Z、B和C。

步骤E、利用步骤D中后处理软件生成含有鼓型刀半径补偿宏变量的数控加工程序。所述步骤E具体为：

在步骤D后处理软件所生成含有五轴鼓型刀半径补偿宏变量的数控加工程序中，根据实际鼓型刀半径尺寸直接修改其宏变量的值即可实现五轴鼓型刀半径的补偿功能，如图5所示。

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，如双摆头、摆头转台类BC型五轴数控机床五轴鼓型刀半径补偿方法等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于BC型五轴数控机床后处理五轴鼓型刀半径补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、研究鼓型刀五轴侧铣加工复杂曲面半径补偿的基本原理，推导出五轴鼓型刀半径补偿方向和补偿后刀位点矢量计算方程；

B、建立前置刀位数据与BC型五轴数控机床各坐标轴之间的关系方程；

C、利用五轴鼓型刀半径补偿后刀位点矢量计算方程，建立五轴鼓型刀半径补偿后刀位数据与BC型五轴数控机床各坐标轴之间的关系方程；

D、针对BC型五轴数控机床利用C++语言开发出一套具有五轴鼓型刀半径补偿功能的后处理软件；

E、利用步骤D的后处理软件生成含有鼓型刀半径补偿宏变量的数控加工程序；步骤A中，

(1)在工件坐标系中五轴鼓型刀半径补偿后刀心点O'的位置矢量为

r_O′＝r_O+(△r-△R)·m+△r·n (1)

式中，P为曲面上的刀触点，n为刀触点P处曲面的单位法矢量，m为垂直于刀轴方向的单位矢量，△R和△r分别代表m和n补偿方向的补偿量，△R＝R′-R和△r＝r′-r，R和R′分别为鼓型刀尺寸变化前后径向最大回转圆半径，r和r′分别为鼓型刀尺寸变化前后鼓型圆弧母线半径，O为鼓型刀的刀心点；

(2)五轴鼓型刀半径补偿方向矢量为

式中，

O_pos为鼓型刀的刀位点，P为曲面上的刀触点，i为刀触点P处刀轴矢量；

式中，h为鼓型刀切削刃高度，O₁为鼓型圆弧母线的圆心；

(3)鼓型刀的刀位点实际上是由鼓型刀的刀心点沿刀轴矢量反向偏移h/2而得到，即

通过联立式(1)可得到五轴鼓型刀半径补偿后刀位点O′_pos的位置矢量：

步骤B中，根据BC型五轴数控机床具体结构、机床运动链和机床各坐标系之间关系，建立前置刀位数据与BC型五轴数控机床各坐标轴之间的关系方程：

(i,j,k,0)^T＝R(C)R(B)(0,0,1,0)^T (5)

式中，i、j、k分别为工件坐标系中刀轴矢量分量，x、y、z分别为工件坐标系中刀位点矢量分量，X、Y、Z分别为机床各平动轴的坐标值，B为绕机床平动轴Y旋转的回转轴相对于初始状态转角，C为绕机床平动轴Z旋转的回转轴相对于初始状态转角，机床坐标系原点O_m位于C轴转台表面中心，与B轴固连的坐标系的原点O_m1在机床坐标系中位置矢量

为[x_m1,y_m1,z_m1]，工件坐标系原点O_w在机床坐标系中位置矢量

为[x₀,y₀,z₀]，r_s为机床平动轴相对于初始状态平移矢量，T和R分别为平移和旋转运动的齐次变换矩阵：

设B轴回转工作台的范围B∈[-120°,0°]，C轴回转工作台的范围C∈[-180°,180°]，则由式(5)可以得到机床回转轴的计算公式：

由式(6)可以得到机床各平动轴的计算公式：

步骤C中，

(1)由式(4)推导出五轴鼓型刀半径补偿后刀位点O'_pos的计算公式：

式中，(x,y,z)和(i,j,k)为刀位点O_pos的刀位数据，(x_P,y_P,z_P)为鼓型刀与工件曲面的刀触点P的位置矢量，(x',y',z')为鼓型刀半径尺寸改变后刀位点O'_pos的位置矢量，

(2)五轴鼓型刀刀位点半径补偿后机床各平动轴的坐标值

当鼓型刀径向半径和鼓型圆弧母线圆半径变化量为变量时，将式(9)中半径补偿后的刀位点(x',y',z')代入式(8)，则可以得到刀位点半径补偿后机床各平动轴的坐标值：

2.根据权利要求1所述的一种基于BC型五轴数控机床后处理五轴鼓型刀半径补偿方法，其特征在于，所述步骤D具体为：

(1)从刀位数据文件中读入一行刀位数据，对该数据进行处理，获得刀位点位置矢量、刀轴矢量和刀触点位置矢量；

(2)根据所获得的刀轴矢量利用式(7)可以计算机床回转轴转角B和C；

(3)根据所获得刀位点位置矢量、刀轴矢量和刀触点位置矢量，利用式(10)可以得到鼓型刀径向半径和鼓型圆弧母线圆半径变化量为变量时机床各平动轴的坐标值X、Y和Z；

(4)重复上述步骤，直到所有刀位数据都转化为机床坐标轴数据X、Y、Z、B和C。

3.根据权利要求1所述的一种基于BC型五轴数控机床后处理五轴鼓型刀半径补偿方法，其特征在于，所述步骤E中，在含有五轴鼓型刀半径补偿宏变量的数控加工程序中，根据实际鼓型刀半径尺寸直接修改其宏变量的值来实现五轴鼓型刀半径补偿。

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