CN109759627A - 一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，包括以下主要步骤：（1）计算旋转轴B的角度值、（2）实现刀尖跟随功能（即RTCP功能）、（3）控制四轴联动时直线运动的非线性公差、（4）调整进给速度。本发明既有效解决了Z轴行程受限的问题，又避免了坐标系换算麻烦和接刀痕的问题，提高了编程效率和零件加工表面质量。

Description

一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法

技术领域

本发明属于CAM技术领域，具体涉及一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法。

背景技术

随着CAM技术的进步，数字化制造技术得到了快速发展，数控机床的普及率越来越高，数控系统的功能越来越丰富，数控机床的种类也趋于多样化。数控铣床按主轴的布置形式一般可分为立式和卧式、立卧两用式三种。立式机床主轴与工作台垂直，常用于板块类和箱体类零件的轮廓加工；卧式机床主轴与工作台平行，适用于加工垂直于工作台的各种型面，如配置数控转台后，可实现对工件侧面轮廓的连续回转加工；立卧两用式机床既可进行立式加工，又可实现卧式加工，适用范围更广，功能更强，但是价格昂贵。将卧式铣床进行立式转换，以低成本方式实现万能加工，对提高箱体类、模具类零件加工的效率和质量具有重要意义。

目前，在生产实践中可以在数控四轴卧式铣床的主轴上安装直角刀柄，实现主轴竖直布局。但受限于卧式铣床的结构，机床主轴的Z轴负向极限位于工作台旋转中心附近，有效的加工范围局限在旋转中心靠立柱一侧。对于大型零件的加工，由于上述Z轴加工行程受限，只能先加工一半部位，然后工作台旋转180度，再加工另一半部位。该方法虽然避免了行程限制，但是会出现坐标系换算麻烦，存在加工接刀痕等问题，使得编程效率低，零件加工表面质量差。

发明内容

要解决的技术问题

针对上述问题，本发明通过开发三轴刀路的后置处理算法，将立式三轴加工刀路转换为立式四轴联动加工程序，即程序中添加B轴，为数控四轴卧式铣床实现立式转换提供了一种高效、高质量的解决方案。

技术方案

一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，包括以下主要步骤：

步骤1：计算旋转轴B的角度值；

步骤2：实现刀尖跟随功能；

步骤3：控制四轴联动时直线运动的非线性公差；

步骤4：调整进给速度，操作完成。

进一步的，所述的步骤1中计算旋转轴B的角度值包括以下步骤：先通过工作台旋转中心坐标系OXYZ和编程坐标系O₁X₁Y₁Z₁推导出从编程坐标系变换到旋转中心坐标系的转换公式(1)，再设工件上需要加工的点为P点，并将P点在编程坐标系O₁X₁Y₁Z₁中的坐标值带入公式(1)中，求得P点经转换后在工作台旋转中心坐标系OXYZ中的坐标值(x，z)；其转换公式为：

式中x₁、z₁为P点相对于O₁X₁Y₁Z₁的坐标值，offset_x、ffset_z分别为O相对于O₁的偏置量，x、z为P点经转换后相对于OXYZ坐标系的坐标值。其中，O为工作台旋转中心坐标系的原点，O₁为编程坐标系的原点。

进一步的，通过所述的公式(1)求得的P点经转换后相对于OXYZ坐标系的坐标值x、z，将P点顺时针旋转到+Z轴上，设此旋转的角度为B角；当P点在不同的象限，其B角求解公式不同；根据P点所在的象限选择其对应的B角求解公式，求解出B角的值；P点所在各个象限其对应的B角求解公式如下：

第一象限：

第二象限：

第三象限：

第四象限：

进一步的，所述的步骤2实现刀尖跟随功能包括以下步骤：设刀位点为M点，并将M点在编程坐标系O₁X₁Y₁Z₁中的坐标值带入公式(1)中，求得M点经转换后在工作台旋转中心坐标系OXYZ中的坐标值(x₀，z₀)；将刀位点M点同样随着P点按顺时针方向旋转B角，然后通过公式(6)求出M点在工作台旋转中心坐标系OXYZ中的新坐标(x₀′、z₀′)的值，公式(6)如下所示：

进一步的，将所述的M点在工作台旋转中心坐标系中的新坐标值(x₀′、z₀′)通过下列公式再转换回到编程坐标系O₁X₁Y₁Z₁中，可得M点在编程坐标系O₁X₁Y₁Z₁中的新坐标(x_01′、z_01′)，其转换公式如下所示：

式中，x_01′、z_01′为M点在编程坐标系中的新坐标，x₀′、z₀′为M点在OXYZ坐标系下的新坐标，offset_x、ffset_z分别为O相对于O₁的偏置量，其中，O为工作台旋转中心坐标系的原点，O₁为编程坐标系的原点。

进一步的，所述的步骤3中控制非线性公差的步骤如下：设工作台旋转中心点为O点，工作台旋转中心点至工件的加工点的直线设为直线|OP|；将|OP|设为旋转半径，并以O点为圆心，P点为起始点做弧线，再通过用户输入的已知非线性公差Δ，通过公式(8)求出走刀步长L的值；

然后根据公式(9)将走刀步长L均匀分割，从而形成一系列均匀分布的中间插入点；公式(9)如下所示：

N＝int(dis/L)+1 (9)

式中，N为均匀分割的份数，dis为直线刀轨的长度，int表示取整；最后再求取均匀分布的中间插入点的坐标，其坐标根据直线两端的端点坐标算出，再通过步骤1和步骤2的方式算出各个中间插入点在编程坐标系中的坐标。

进一步的，所述的步骤4中调整进给速度的步骤如下：首先在编程软件中植入下列公式：

式中，F₀为用户编程时输入的进给速度(单位为mm/min)，1/F₀为刀具走1mm所花的时间(单位为min)，ω为恒定的工作台旋转角速度(单位为rad/min)；

然后在编程时，用户输入F₀的值后，编程后台通过F₀的值从而求得恒定的工作台旋转角速度ω的值，再根据下列公式得到稳定的进给速度F的值；公式如下：

F＝ω·R (11)

式中，F为每个加工点的进给速度(单位为mm/min)，R为|OP|的长度。在得到进给速度F的值后，操作完成。

有益效果

本发明提出的一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，与现有技术相比较，其具有以下有益效果：

(1)本发明所提出的数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，实现了三轴立式加工刀路转换为四轴联动加工程序，有效地解决了Z轴行程受限的问题。

(2)本发明所提出的数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，实现了三轴立式加工刀路转换为四轴联动加工程序，只采用一个编程坐标系，有效地避免了不同编程坐标系换算与接刀痕的问题。

(3)本发明所提出的数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，提高了卧式机床转立式的编程效率和零件加工的表面质量。

(4)本发明所提出的数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，有效地控制了非线性误差，提高了零件加工精度。

(5)本发明所提出的数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，通过调整进给速度，基本实现转台匀速旋转，有效地保证了加工的平稳和刀具的寿命。

附图说明

图1为本发明的算法流程图。

图2为本发明的回转中心坐标系和编程坐标系示意图。

图3为本发明的旋转轴B角度求解示意图。

图4为本发明的走刀步长求解示意图。

图5为本发明的调整进给速度示意图。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。

实施例：

如图1所示，一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，包括以下主要步骤：

步骤1：计算旋转轴B的角度值；

如图2所示，OXYZ为工作台旋转中心坐标系，O₁X₁Y₁Z₁为编程坐标系。根据图4所建立的坐标系，先通过工作台旋转中心坐标系OXYZ和编程坐标系O₁X₁Y₁Z₁推导出从编程坐标系变换到旋转中心坐标系的转换公式(1)，再设工件上需要加工的点为P点，并将P点在编程坐标系O₁X₁Y₁Z₁中的坐标值带入公式(1)中，求得P点经转换后相对于OXYZ坐标系的坐标值(x，z)；其转换公式为：

式中x₁、z₁为P点相对于O₁X₁Y₁Z₁的坐标值，offset_x、ffset_z分别为O相对于O₁的偏置量，x、z为P点经转换后相对于OXYZ坐标系的坐标值。其中，O为工作台旋转中心坐标系的原点，O₁为编程坐标系的原点。

如图3所示，P点无论分布在XZ平面内的哪一个象限中，B角都等于P点顺时针旋转到+Z轴上的角度，这样的计算方法可以保证P点在加工时必定位于Z轴有效行程内。不同象限的B角求解公式是不同的，即需先判断点分布在哪一象限，然后对应下式中B角求解公式。

通过求得的P点经转换后相对于OXYZ坐标系的坐标值x、z，将P点顺时针旋转到+Z轴上，设此旋转的角度为B角；当P点在不同的象限，其B角求解公式不同；根据P点所在的象限选择其对应的B角求解公式，P点所在各个象限其对应的B角求解公式如下：

第一象限：

第二象限：

第三象限：

第四象限：

步骤2：实现刀尖跟随功能；

为了实现刀尖跟随功能，工件在旋转一个B角后，刀位点也需要做旋转变换，即将刀位点按顺时针方向旋转B角，求出刀位点在OXYZ坐标系下的新坐标。

设刀位点为M点，并将M点在编程坐标系O₁X₁Y₁Z₁中的坐标值带入公式(1)中，求得M点经转换后相对于OXYZ坐标系的坐标值(x₀，z₀)；将刀位点M点同样随着P点按顺时针方向旋转B角，然后通过公式(6)求出M点在OXYZ坐标系下的新坐标(x₀′、z₀′)的值，公式(6)如下所示：

将所述的M点的坐标(x₀′、z₀′)通过下列公式再转换回到编程坐标系O₁X₁Y₁Z₁中，可得M′点在编程坐标系O₁X₁Y₁Z₁中的新坐标(x_01′、z_01′)，其转换公式如下所示：

式中，x_01′、z_01′为M点在编程坐标系中的新坐标，x₀′、z₀′为M点在OXYZ坐标系下的新坐标，offset_x、ffset_z分别为O相对于O₁的偏置量，其中，O为工作台旋转中心坐标系的原点，O₁为编程坐标系的原点。

步骤3：控制四轴联动时直线运动的非线性公差；

在三轴加工下，刀路中出现比较长的直线插补，其精度由机床内部插补计算算法来保证。但是在四轴联动运动时，由于旋转轴运动的加入，较长的直线路径会变为圆弧路径，不可避免地带来非线性公差。为此，对于三轴刀位源文件中的较长直线路径，需要人为插入一系列的中间点，可以有效地控制直线路径的非线性公差，保证加工精度。

如图4所示，设工作台旋转中心点为O点，工作台旋转中心点至工件的加工点的直线设为直线|OP|；将|OP|设为旋转半径，并以O点为圆心，P点为起始点做弧线，再通过用户输入的已知非线性公差Δ，通过公式(8)求出走刀步长L的值；

然后根据公式(9)将走刀步长L均匀分割，从而形成一系列均匀分布的中间插入点；公式(9)如下所示：

N＝int(dis/L)+1 (9)

式中，N为均匀分割的份数，dis为直线刀轨的长度，int表示取整；最后再求取均匀分布的中间插入点的坐标，其坐标根据直线两端的端点坐标算出，再通过步骤1和步骤2的方式算出各个中间插入点在编程坐标系中的坐标。

步骤4：调整进给速度；

在四轴联动的数控加工过程中，如果保持用户输入的进给速度F₀恒定，由于每个加工点的旋转半径不断变化，根据公式ω＝F₀/R，将导致在不同加工点对应的转台旋转速度不同，使得工作台旋转速度忽快忽慢，影响加工过程的稳定性，从而影响零件加工表面质量，长时间使用还会对机床造成冲击，刀具寿命也会下降。

本技术方案着眼于保持工作台旋转速度基本恒定，通过以下方法来调整进给速度。

首先在编程软件中植入下列公式：

式中，F₀为用户编程时输入的进给速度(单位为mm/min)，1/F₀为刀具走1mm所花的时间(单位为min)，ω为恒定的工作台旋转角速度(单位为rad/min)；

然后在编程时，用户输入F₀的值后，编程后台将F₀的值带入公式(10)中，从而求得恒定的工作台旋转角速度ω的值，再根据下列公式得到稳定的进给速度F的值；公式如下：

F＝ω·R (11)

式中，F为每个加工点的进给速度(单位为mm/min)，R为直线|OP|的长度。在得到进给速度F的值后，操作完成。

在公式(11)中，由于ω的值为恒定的值，因此进给速度F的值只与R相关，因为每个加工点的R值不同，则对应的F值也不同，即通过调整每个加工点的进给速度，即可实现转台匀速旋转，有效的保证了转台在加工时的平稳度，因而也增加了刀具的寿命。

Claims (8)

1.一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

步骤1：计算旋转轴B的角度值；

步骤2：实现刀尖跟随功能；

步骤3：控制四轴联动时直线运动的非线性公差；

步骤4：调整进给速度，操作完成。

2.根据权利要求1所述的一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，其特征在于：所述的步骤1中计算旋转轴B的角度值包括以下步骤：先通过工作台旋转中心坐标系和编程坐标系推导出从编程坐标系变换到旋转中心坐标系的转换公式，将工件的加工点在编程坐标系中的坐标值带入转换公式中，求得工件的加工点经转换后在工作台旋转中心坐标系的坐标值；其转换公式为：

式中x₁、z₁为工件的加工点在编程坐标系中的坐标值，offset_x、ffset_z分别为O相对于O₁的偏置量，x、z为工件的加工点在工作台旋转中心坐标系中的坐标值；其中，O为工作台旋转中心坐标系的原点，O₁为编程坐标系的原点。

3.根据权利要求2所述的一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，其特征在于：通过步骤1所述的转换公式求得工件的加工点在工作台旋转中心坐标系的坐标值后，将工件的加工点顺时针旋转到+Z轴上，设此旋转的角度为B角；当工件的加工点在不同的象限，其B角求解公式不同；根据工件的加工点所在的象限选择其对应的B角求解公式，求解出B角的值。

4.根据权利要求3所述的一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，其特征在于：所述的工件的加工点所在各个象限，其对应的B角求解公式如下：

第一象限：

第二象限：

第三象限：

第四象限：

式中，x、z为件的加工点在工作台旋转中心坐标系中的坐标值；B为旋转的角度。

5.根据权利要求4所述的一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法,其特征在于：所述的步骤2实现刀尖跟随功能包括以下步骤：将刀位点在编程坐标系中的坐标值带入步骤1所述的转换公式中，求得刀位点经转换后在工作台旋转中心坐标系中的坐标值；然后将刀位点按顺时针方向旋转B角，并通过下列公式求出刀位点在工作台旋转中心坐标系中的新坐标值，求解公式如下所示：

式中，x、z为刀位点经转换后在工作台旋转中心坐标系中的坐标值，x₀′、z₀′为刀位点在工作台旋转中心坐标系中旋转后的新坐标值。

6.根据权利要求5所述的一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法，其特征在于：将所述的刀位点在工作台旋转中心坐标系中的新坐标值通过下列公式再转换回到编程坐标系中，可得刀位点在编程坐标系中的新坐标值，其转换公式如下所示：

式中，x_01′、z_01′为刀位点在编程坐标系中的新坐标,x₀′、z₀′为刀位点在工作台旋转中心坐标系中的新坐标值，offset_x、ffset_z分别为O相对于O₁的偏置量；其中，O为工作台旋转中心坐标系的原点，O₁为编程坐标系的原点。

7.根据权利要求6所述的一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法,其特征在于：所述的步骤3中控制非线性公差的步骤如下：将工作台旋转中心点至工件的加工点的直线设为旋转半径，并以工作台旋转中心点为圆心，工件的加工点为起始点做弧线，再通过用户输入的已知非线性公差Δ，通过下列公式求出走刀步长L的值；

式中，L为走刀步长的值，R为工作台旋转中心点至工件的加工点的直线长度，Δ为非线性公差；

然后再根据下列公式将走刀步长L均匀分割成多段，从而形成一系列均匀分布的中间插入点；公式如下所示：

N＝int(dis/L)+1

N为均匀分割的份数，dis为直线刀轨的长度，int表示取整；

最后再根据直线两端的端点坐标求取均匀分布的中间插入点的坐标，再通过步骤1和步骤2的方式算出各个中间插入点在编程坐标系中的坐标。

8.根据权利要求7所述的一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法,其特征在于：所述的步骤4中调整进给速度的步骤如下：首先在编程软件中植入下列公式：

式中，F₀为用户编程时输入的进给速度(单位为mm/min)，1/F₀为刀具走1mm所花的时间(单位为min)，ω为恒定的工作台旋转角速度(单位为rad/min)；

然后在编程时，用户输入F₀的值后，编程软件根据上述公式通过F₀的值从而求得恒定的工作台旋转角速度ω的值后，再根据下列公式得到稳定的进给速度F的值；公式如下：

F＝ω·R

式中，F为每个加工点的进给速度(单位为mm/min)，R为工作台旋转中心点至工件的加工点的直线长度，在得到进给速度F的值后，操作完成。

在得到进给速度F的值后，操作完成。