五軸復合激光加工機床后置處理方法的研究

摘 要:本文通過5軸復合激光加工機床坐標系和CAM加工坐標系的關系，建立了機床運動學模型，并推導了可用于該機床后置處理的坐標轉換關系，開發了5軸復合激光加工機床數控系統專用后置處理程序，經實驗驗證可以滿足五軸聯動后置處理的要求。

關鍵詞:CAD/CAM 運動學分析 刀位文件 后置處理

中圖分類號:TG659文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(a)-0120-01

采用CAD/CAM軟件進行自動編程時，按規定均視工件不動，由刀具運動來完成加工動作，刀具軌跡經過處理可得到一個不針對具體機床的刀位文件。在多軸加工中，CAD/CAM軟件生成的刀位文件中包含刀具參考點坐標值和刀軸矢量。在實際機床上，運動的實現方式各不相同，有的運動由工作臺實現，而有的運動由刀具實現。在只有三直線軸(X，Y，Z)聯動的情況下，編程員一般不需關心是工作臺運動還是刀具運動，因為機床廠家均按國際標準來定義機床的坐標系及其運動方向。而對于包括回轉軸運動(刀具擺動、工作臺回轉)的多軸聯動，這就要求后處理程序針對不同情況進行不同的計算將刀位文件中刀具軌跡坐標轉換為機床坐標及相應的回轉角度，并通過代碼轉換將它們轉換成所用數控機床能執行的數控程序。然而，目前大多數CAD/CAM軟件只配備通用后置處理模塊，生成的代碼需要進行大量修改才能使用，甚至在一些情況下生成的代碼根本無法滿足使用要求。因此，根據具體的數控機床特進行二次開發是非常必要的。本文以5LC五軸聯動激光加工機為例，通過分析雙轉臺五軸數控運動學模型，推導出該類機床后置處理轉角計算公式、坐標轉換計算公式，在此基礎上開發出了適用于該五軸數控機床專用后置處理程序。

1 五軸數控機床的機床運動學分析

5LC五軸復合激光加工機的運動軸包括三個移動軸X、Y、Z和兩個轉動軸A、C，其中回轉軸、的軸線交于一點。機床運動學分析就是根據在工件坐標系下給出的加工點的坐標值及激光頭軸線與軸和軸的夾角、，求出機床各坐標軸的驅動量、、、、。

下面介紹利用刀位算法進行5LC激光加工機運動學求解析，建立機床運動坐標系如圖1所示。

——機床坐標系，基坐標系;

——工作臺坐標系，原點為回轉軸與傾斜軸兩軸線的交點;

——工件坐標系;

——激光刀具上參考點坐標系，與刀具軸線方向相同;

——激光頭坐標系坐標系，其原點設在激光頭中心點上，與焦點之間的距離為d，坐標軸方向與機床坐標系一致。

建立刀位算法的串聯矩陣為:

(1)

為機床坐標系到激光頭坐標系的變換陣。

式中，——機床坐標系原點到激光頭坐標系原點在軸方向上的距離;

——軸坐標原點在機床坐標系中的絕對坐標位置;

——軸坐標原點在機床坐標系中的絕對坐標位置。

為機床坐標系到旋轉工作臺坐標系的位姿變換矩陣，其表達式為:

式中，——軸坐標原點在機床坐標系中的絕對坐標位置;

——機床坐標系原點到旋轉工作臺坐標系原點在軸方向上的距離;

——機床坐標系原點到旋轉工作臺坐標系原點在軸方向上的距離;

、、、——、、、的縮寫(下文采用相同的表示方法)。

為旋轉工作臺坐標系到工件坐標系的位姿變換矩陣。

式中，——旋轉工作臺坐標系到工件坐標系平移變換在三坐標軸上的分量。

為工件坐標系到刀具參考點的位姿變換矩陣，這個矩陣包含了工件坐標系下激光頭位姿的相關信息。對于自動編程而言，刀位文件中給出了刀具參考點在工件坐標系下的坐標值以及激光頭軸線在三坐標軸上的方向余弦。對激光頭軸線方向采用了繞兩次旋轉變換來描述，分別為繞軸轉角和繞軸轉角，從而得到的表達式為:

為刀具參考點(加工點)坐標系到激光頭坐標系的位姿變換矩陣。

式中，——工件加工點坐標系原點到激光頭坐標系原點的距離。

通過求解方程，可以得到:

， (4)

通過以上運動學解析，得到五個坐標軸各自的驅動量X、Y、Z、A、C的數學表達式，在此基礎上進行專用后置處理程序的開發。

2 程序開發

刀位文件是相對CAM的加工坐標系生成的刀位軌跡文件，因此要對刀位文件進行后置處理首先要建立CAM加工坐標系。一般來說，CAM加工坐標系的原點就是程序零點(機床對刀點)，CAM加工坐標系的3個直線軸的方向就是機床導軌的方向。同時，在確定CAM加工坐標系的方向和原點位置時，還應當考慮現場加工的實際需要，以保證毛坯在機床上的位置便于裝夾、找正和加工。

5LC復合激光加工機是配置了PMAC控制系統的雙轉臺五軸數控加工機床。在編寫該機床的后置處理程序時，首先根據用戶閱讀要求(滿足習慣NC代碼編程的用戶的閱讀要求)進行刀位文件解釋部分程序設計;其次，根據解釋執行的原則，采用公式(4)進行坐標轉換部分程序設計;最后，根據機床控制系統要求進行代碼轉換部分程序設計。

3 結語

本文對運動形式復雜的雙轉臺五軸數控機床運動學求解進行了較為詳細的論述，推導出該類機床后置處理轉角計算公式和坐標轉換計算公式。并且開發了5LC復合激光加工機專用后置處理程序。在該設備上對復雜曲面零件的切割實驗表明，本文開發的專用后置處理程序生成的數控程序可以滿足5LC復合激光加工機的需要。

參考文獻

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文