CN108345266A - 一种五轴数控机床数控程序生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种五轴数控机床数控程序生成方法，涉及数控技术领域，包括：S1根据刀具的基本参数建立刃线方程；S2根据刃线方程得到刃线上任意一点的位置矢量和方向矢量；S3根据刀位文件定义刀具中心点位置矢量和方向矢量；S4根据数控机床的运动情况依次得到线性轴发生平移运动和/或旋转轴发生旋转运动过程中的变换矩阵；S5根据步骤S3中的刀具中心点位置矢量和方向矢量与变换矩阵计算处理得到机床各轴运动公式；S6根据机床各轴运动公式借助编程软件生成加工程序。大大简化了数控机床的后置处理操作，节约人力成本，且生成的文本文档格式的点坐标文件可以被通用数控系统识别并直接用于加工。

Description

一种五轴数控机床数控程序生成方法

技术领域

本发明涉及数控技术领域，尤其涉及一种五轴数控机床数控程序生成方法。

背景技术

数控机床(Computer numerical control machine tools)是一种装有数控系统的自动化机床，其能够处理具有控制编码或其他符号指令程序，并将其译码后用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。数控系统处理数控装置发出的各种控制信号，以此控制机床运作，按要求将零件自动加工出来。

随着经济的发展，刀具的种类越来越丰富，在很多情况下需要五轴联动的数控机床才能满足加工要求。目前，五轴联动数控机床的型式较多，控制系统可以分为具有RTCP(Rotational Tool Center Point，围绕刀具中心转)功能的数控系统和不带RTCP功能的数控系统。

对于不带RTCP功能的数控机床来说，俗称“假五轴”，在工作过程中，其需要通过手动的方式生成或采用CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)编程的方式生成的刀位文件，事先规划好刀路，但是该刀位文件不能直接用于加工，在加工之前需要手动进行后置处理，较为繁琐，耗费大量的人力。对于带RTCP功能的机床来说，虽然其能够实现五轴连动的功能，但是这类机床多维国外制造，成本非常昂贵。可见，如何让不带RTCP功能的数控机床真正实现五轴联动成为一个亟需解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供了一种五轴数控机床数控程序生成方法，有效解决了现有“假五轴”数控机床中生成的刀位文件不能直接用于加工的技术问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种五轴数控机床数控程序生成方法，包括三个线性轴和两个旋转轴，所述五轴数控机床数控程序生成方法中包括：

S1根据刀具的基本参数建立刃线方程；

S2根据所述刃线方程得到刃线上任意一点的位置矢量和方向矢量；

S3根据刀位文件定义刀具中心点位置矢量和方向矢量；

S4根据数控机床的运动情况依次得到线性轴发生平移运动和/或旋转轴发生旋转运动过程中的变换矩阵；

S5根据步骤S3中的刀具中心点位置矢量和方向矢量与变换矩阵计算处理得到机床各轴运动公式；

S6根据所述机床各轴运动公式借助编程软件生成加工程序。

进一步优选地，在步骤S2中，采用齐次矩阵表示所述刃线上任意一点的位置矢量和方向矢量；在步骤S3中，采用齐次矩阵表示所述刀具中心点位置矢量和方向矢量。

进一步优选地，在步骤S5中具体包括：

S51依照数控机床的运动顺序将平移运动和/或旋转运动的变换矩阵相乘得到总变换矩阵；

S52根据所述总变换矩阵与刀尖位置矢量和刀尖切向矢量左乘得到可执行的点位坐标文件。

进一步优选地，在步骤S3中，所述数控机床的空间坐标系中具体包括刀具坐标系、刀轴坐标系、工件坐标系以及固定坐标系。

进一步优选地，在所述刀具坐标系中，坐标原点为刀具中心点；

在所述刀轴坐标系中，坐标原点为主轴绕一旋转轴的回转平面与该旋转轴轴线的交点，所述刀具安装在主轴上；

在所述工件坐标系中，坐标原点为工件中心；

在所述固定坐标系中，坐标原点为机床机械原点，且该点与刀具坐标系中坐标原点之间的距离、与工件坐标系中坐标原点之间的距离为已知定长。

进一步优选地，在步骤S52中，所述点位坐标文件包括机床可识别的刀具加工程序。

在本发明中，从最基本的刀具参数开始，分析数控机床型式和运动顺序，以此得到数控机床在运动过程中的变换矩阵，进而根据该变换矩阵借助编程软件(如Visal Basic)开发出后置处理算法，生成可执行的点坐标文件，以此数控机床根据该点坐标文件中的刀具参数、机床参数、插补精度等自动加工。

另外，本发明提供的五轴数控机床数控程序生成方法适用于各种刀具的加工，尤其类似球头铣刀的需要采用五轴联动的复杂刀具的加工。对不同规格的刀具、同一型式的不同型号的机床、不同加工精度要求的程序进行后置处理生成点坐标文件，修改方便，大大简化了数控机床的后置处理操作，节约人力成本，且生成的文本文档格式的点坐标文件可以被通用数控系统识别并直接用于加工。

最后，本发明提供的五轴数控机床数控程序生成方法，使国内数控系统具备五轴联动的功能，以此减少对国外高端五轴数控机床的依赖，极大了降低了设备的成本，为国内所有不带RTCP功能的数控系统后置处理方法提供了一种极具参考价值的方法。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为本发明中五轴数控机床结构示意图；

图2为本发明中五轴数控机床数控程序生成方法流程示意图；

图3为本发明中刀具刃线上任一点P与圆心之间的角度关系示意图；

图4为本发明中空间坐标系示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

如图1所示为本发明中数控机床结构示意图，从图中可以看出，在该不带RTCP功能的数控机床属于XYZ+AC型，包括三个线性轴(X、Y和Z)和两个旋转轴(A和C)，且其附属关系具体为：本体1、第一线性轴X、第一旋转轴A以及工件相互连接，本体1、第二线性轴Y、第三线性轴Z、第二旋转轴C、主轴以及刀具相互连接。

基于此，如图2所示为本发明提供的五轴数控机床数控程序生成方法流程示意图，从图中可以看出，在该五轴数控机床数控程序生成方法中包括：S1根据刀具的基本参数建立刃线方程；S2根据刃线方程得到刃线上任意一点的位置矢量和方向矢量；S3根据刀位文件定义刀具中心点位置矢量和方向矢量；S4根据数控机床的运动情况依次得到线性轴发生平移运动和/或旋转轴发生旋转运动过程中的变换矩阵；S5根据步骤S3中的刀具中心点位置矢量和方向矢量与变换矩阵计算处理得到机床各轴运动公式；S6根据机床各轴运动公式借助编程软件生成加工程序。

更具体来说，在步骤S2中，采用齐次矩阵表示刃线上任意一点的位置矢量和方向矢量；在步骤S3中，同样采用齐次矩阵表示刀具中心点位置矢量和方向矢量。在步骤S5中，依照数控机床的运动顺序将平移运动和/或旋转运动的变换矩阵相乘得到总变换矩阵；根据总变换矩阵与刀尖位置矢量和刀尖切向矢量左乘得到可执行的点位坐标文件，在该点位坐标文件中包括机床可识别的刀具加工工序，以此数控机床根据该点位坐标文件进行加工操作。

以下以德国舒特WU405工具磨床为例，其附属关系如图1所示：本体1、第一线性轴X、第一旋转轴A以及工件相互连接，本体1、第二线性轴Y、第三线性轴Z、第二旋转轴C、主轴以及刀具相互连接。该磨床原来配有具备RTCP功能的西门子数控系统，现在改造成配有不具备RTCP功能的台达数控系统，用来加工球头铣刀，则在这个过程中：

1.根据刀具建立相关数学模型。我们知道，球头铣刀的刃口曲线是前刀面或后刀面与球面的交线，为“S”型等螺旋角刀刃曲线，其曲线方程齐次坐标表示为：

其中，β为螺旋角，r为球头半径，θ为刃线上任一点P与球心连线和oxy平面的夹角，为刃线上任一点P的回转角，如图3所示。

之后，求得刃线上任一点P处的单位切矢T_W齐次坐标为：

则在球面坐标系中，点位坐标(x,y,z)和刀轴矢量(i,j,k)表示为：

2.根据需求，建立空间坐标系，如图4所示，其中：

刀具坐标系O0xyz，坐标原点O0在刀具中心点；

刀轴坐标系O1x'y'z'，坐标原点O1在主轴绕C轴(第二旋转轴)回转平面与C轴轴线交点，其中，刀具安装在主轴上；

工件坐标系O2x”y”z”，坐标原点O2在工件中心；

固定坐标系O3x”'y”'z”'，坐标原点O3为机床机械原点，且该点与刀具坐标系中坐标原点O0之间的距离、与工件坐标系中坐标原点O2之间的距离为已知定长N。

另外，工件坐标系的坐标原点O2和刀具坐标系的坐标原点O0分别与初始位置重合(0,0,0)；

工件坐标系的坐标原点O2在固定坐标系O3x”'y”'z”'中的位置为(N,0,0)；

刀轴坐标系的坐标原点O1在刀具坐标系O0xyz中的位置为(L,M,0)；

刀位文件已知，可以手动编写或者利用CAM软件自动生成，刀位文件中定义点位坐标(x,y,z)，刀轴矢量(i,j,k)。

3.根据数控机床的运动情况依次得到线性轴发生平移运动和/或旋转轴发生旋转运动过程中的变换矩阵

(1)刀具坐标系平移到刀轴坐标系，若平移距离为(L,M)，则相应的平移矩阵T1为：

(2)刀轴坐标系绕C轴旋转，若旋转角度为C，则旋转矩阵R1为：

(3)刀轴坐标系平移到工件坐标系，若平移矩阵T2，则刀轴坐标系中坐标原点O1平移到工件坐标系中坐标原点O2，需要经过刀具坐标系坐标原点O0的点位坐标转换。假设刀具移动的实际位置为(X,Y,Z)，即该位置为数控系统中的点位坐标。

于此，初始位置刀轴坐标系坐标原点O1的坐标为(X+L,Y+M,Z)，工件坐标系坐标原点O3的坐标为(N,0,0)，刀具直径H，平移矩阵T2为：

(4)工件坐标系围绕A轴旋转，若旋转角度为A，则旋转矩阵R2为：

(5)工件坐标系平移到固定坐标系，平移矩阵T3为：

综合以上5次变换，得到总变化矩阵T：

T＝T1*R1*T2*R2*T3

则

[x y z 1]^T＝T1*R1*T2*R2*T3*[0 0 0 1]^T

[i j k 0]^T＝*T1*R1*T2*R2*T3*[0 -1 0 0]^T

其中，[0 0 0 1]^T是刀具中心点位置矢量，

[0 -1 0 0]^T是刀具中心点方向矢量，则：

从而计算得到刀具移动的实际位置为(X,Y,Z)和旋转的角度A和C：

基于上述过程，使用Visal Basic开发出后置处理算法，以此，在工作过程中，只需在程序界面窗口中输入各参数，包括：工件直径Φ、砂轮直径D、螺旋角β、砂轮距离第一线性轴X方向的分量L、砂轮距离第二线性轴Y方向的分量M、工件前端到第一旋转轴A端面的长度N等，即可生成数控机床可执行的点位坐标文件(.txt格式)，之后将其导入数控系统即可直接执行。最后，要说明的是，在其他实施方式中，可以采用其他编程软件(如VB/C/C++等)生成加工程序，只要最后能够生成.txt格式的加工程序，都包括在本发明的内容中。

以上通过分别描述每个过程的实施场景案例，详细描述了本发明，本领域的技术人员应能理解。在不脱离本发明实质的范围内，可以作修改和变形。

Claims (6)

1.一种五轴数控机床数控程序生成方法，其特征在于，所述数控机床中包括三个线性轴和两个旋转轴，所述五轴数控机床数控程序生成方法中包括以下步骤：

S1根据刀具的基本参数建立刃线方程；

S2根据所述刃线方程得到刃线上任意一点的位置矢量和方向矢量；

S3根据刀位文件定义刀具中心点位置矢量和方向矢量；

S4根据数控机床的运动情况依次得到线性轴发生平移运动和/或旋转轴发生旋转运动过程中的变换矩阵；

S5根据步骤S3中的刀具中心点位置矢量和方向矢量与变换矩阵计算处理得到机床各轴运动公式；

S6根据所述机床各轴运动公式借助编程软件生成加工程序。

2.如权利要求1所述的五轴数控机床数控程序生成方法，其特征在于，在步骤S2中，采用齐次矩阵表示所述刃线上任意一点的位置矢量和方向矢量；在步骤S3中，采用齐次矩阵表示所述刀具中心点位置矢量和方向矢量。

3.如权利要求1或2所述的五轴数控机床数控程序生成方法，其特征在于，在步骤S5中具体包括：

S51依照数控机床的运动顺序将平移运动和/或旋转运动的变换矩阵相乘得到总变换矩阵；

S52根据所述总变换矩阵与刀尖位置矢量和刀尖切向矢量左乘得到可执行的点位坐标文件。

4.如权利要求3所述的五轴数控机床数控程序生成方法，其特征在于，在步骤S52中，所述点位坐标文件包括机床可识别的刀具加工程序。

5.如权利要求1或2所述的五轴数控机床数控程序生成方法，其特征在于，在步骤S3中，所述数控机床的空间坐标系中具体包括刀具坐标系、刀轴坐标系、工件坐标系以及固定坐标系。

6.如权利要求5所述的五轴数控机床数控程序生成方法，其特征在于，

在所述刀具坐标系中，坐标原点为刀具中心点；

在所述刀轴坐标系中，坐标原点为主轴绕一旋转轴的回转平面与该旋转轴轴线的交点，所述刀具安装在主轴上；

在所述工件坐标系中，坐标原点为工件中心；

在所述固定坐标系中，坐标原点为机床机械原点，且该点与刀具坐标系中坐标原点之间的距离、与工件坐标系中坐标原点之间的距离为已知定长。