五軸數控加工3D刀具補償及其后置處理方法

馬引勞

摘? ?要：本文針對五軸數控加工3D刀具補償及后置處理方法進行研究，設計恰當的刀具補償算法，并利用計算機軟件實現后置處理，通過仿真模擬和實例驗證，得出有效的數學模型和算法公式，由此解決數控加工中的尺寸偏差問題。

關鍵詞：五軸數控加工? 后置處理? 3D刀具補償

刀具補償是數控加工系通過主要功能之一，在零件加工過程中，由于刀具在長時間使用中出現變形和磨損，導致加工零件尺寸精度不滿足加工標準。以往解決方式為更新刀具或重新編寫加工程序，加大了刀具成本和程序維護難度。因此，需要盡快尋找一種高效的補償方法。本文提出了五軸數控系統刀具補償功能，在實際加工中有著較好應用性。

1? 刀具補償基本原理

加工實踐中的刀軸矢量保持不變，在二維刀具補償算法中，是對切觸點坐標按照表面矢量進行處理，之后針對刀具中心位置編程。但是進行3D刀具補償時，刀具矢量是不斷變化的，程序編程要求和二維刀具補償不同，實質是根據切觸點表面矢量、刀具尺寸和刀具方向計算求得的。下面將具體分析五軸數控加工中常用刀具的補償處理問題。計算出刀具補償時和刀位點坐標，為之后的編程提供依據。如模擬所示，P為刀具切觸點，Op為刀位點，Oc是刀心點，O1是刃口圓心、R為刀具半徑，n為切觸點表面矢量，v為補償矢量。上述矢量都是單位矢量。

當使用平底刀為刀具時，刀心點和刀位點重合，刀具補償向量和切觸點表面矢量重合，若刀具半徑從R變成R1時，則刀位點沿著補償向量平移，補償量為R1-R，得到新的刀位點坐標：。式中：POp為P點到Op點的矢量，為兩點之間的長度。

而選擇球頭銑刀為加工刀具時，刀具半徑和刃口半徑相同，刀具半徑從R轉變為R1時，為了保證球頭刀和曲面相切，要進行刀具補償。刀位點沿著補償向量平移，得到補償量為R1-R，這時補償向量可根據切觸點表面矢量與刀軸矢量得到。采用環形銑刀為刀具時，刀具半徑從R轉變為R1，補償量為ΔR-Δr，這時沿刀軸矢量的刀具補償量是Δr。補償向量可通過刀軸矢量、切觸點表面矢量和刀軸矢量求得。在明確以上三種刀具的刀具補償計算模型和補償后刀具中心點坐標方程的情況下，為五軸數控系統刀具補償功能的后置處理提供了理論依據。

2? 五軸數控加工3D刀具補償后置處理分析

2.1 刀位文件和數控系統刀具補償格式

數控加工刀具補償是指實際加工中刀具尺寸出現偏差時，讓原計劃刀位點沿著補償矢量進行一定距離的位移，確保切觸點位置合理設置。當系統生成刀具加工軌跡后，為了滿足數控加工刀具補償計算運用的位置信息，應對刀位文件格式類型進行修改，確保得到的CLS文件包括接觸點、刀位點等信息。UG前置處理刀位文件格式主要對CLS文件中的字段輸出進行調整，選中非切削位移界面中的切觸點數據輸出按鈕，生成的文件中包括切觸點位置信息，對于具有數控加工刀具尺寸補償功能的自動化系統，當已知切觸點的表面向量、刀具尺寸以及刀具方向后，可在刀具補償指令執行下，自動計算出刀具補償矢量和補償后的刀位點坐標[1]。五軸數控系統在實現其刀具尺寸補償功能的同時，要保證各類信息的有效傳遞。以擺頭轉臺機床為例，要求NC代碼包括機床坐標系中的刀位點坐標、旋轉軸旋轉角度，還要提供刀具切觸點的表面矢量坐標，但是很少有系統能提供切觸點的矢量信息。這時需要通過相關公式求得，代碼中，刀位點坐標和旋轉角度可根據CLS文件中的刀軸運動變換原理和尖點坐標計算。

2.2 切觸點矢量計算

本文以環形銑刀為刀具進行分析，切觸點法向矢量是指切觸點到圓心的矢量距離，通過表達式計算其矢量，要求知道POc矢量與m矢量，可通過計算得出。與這一刀具矢量計算公式比較，球頭銑刀和端銑刀矢量計算簡單，當r為零時，將得出的矢量進行單位化處理后可得到端銑刀法向矢量;r=R時，對矢量進行單位化處理，得到的便是球頭銑刀法向矢量。

2.3 五軸數控機床的運動學分析

數控機床運動學求解要根據機床結構特點進行矩陣的平移與旋轉，將加工零件坐標下的刀位點坐標進行轉換，得到機床坐標系中的機床坐標。對于以非正交旋轉軸轉臺結構為主的數控機床來說，除了平動軸外，還要考慮兩個旋轉軸，分別確定以工件和刀具為原點的坐標系，在機床運動過程中，其坐標運動是刀具對于加工零件的運動，因此，坐標模型中兩者間運動關系是刀具坐標系向加工零件坐標系的轉換，進而得到數控機床運動學方程，結合刀具擺長、工作臺和擺頭轉動角度進行坐標轉換。在建立五軸數控機床坐標系和刀位點數據間的轉換模型后，可從運動學理論角度出發，確定機床的轉動軸坐標系和平動軸坐標系。

3? 刀具補償的后置處理分析

目前使用的五軸數控加工機床，在后置處理程序編輯器作用下，開發出具有刀具尺寸補償功能的處理器，能在完成刀具補償后進行后置處理，應根據機床結構以及系統程序等，修改和編寫宏程序和子程序，發揮系統功能。宏程序編程任務主要是讀取刀位點信息、機床運動學計算、速度校檢、非線性運動的誤差校檢等。數控系統中定義了在數控加工過程中實現刀具補償的指令，當半徑補償功能和長度補償指令開始執行時，能實現系統補償功能。調用補償指令后，要收集機床坐標體系中的刀位點坐標和刀軸旋轉角度等信息，還要了解切觸點的表面矢量大小。當加工刀具尺寸變化后，要將變化量考慮到刀具補償計算中。數控加工系統可根據刀具補償矢量計算結果自動補償，由此減少了系統維修工作量，并能保證數控加工程序有效運行，從根本上避免零件加工誤差[2]。

如在使用球頭銑刀進行零件加工時，可利用平臺指令編輯功能，通過后置處理程序輸出相應的刀位點坐標和各軸旋轉角度。通過數控加工刀具補償矢量算法，能確定刀位點沿著補償矢量的位移大小，進而輸出補償矢量。為了驗證上述系統補償功能的有效性，在進行仿真驗證時，以整體葉輪為實驗對象，生成包含切位點坐標信息的葉輪文件。通過后置處理器編制刀具補償程序。某一企業生產中使用的虛擬仿真系統對上述過程進行驗證，結果表明：利用刀具切削部位和刀具半徑都是3mm的球頭銑刀時，仿真效果顯示，當刀具尺寸出現變化時，則葉片表面會發生0.1mm以上的欠切誤差，但是不會出現過切問題。在執行刀具補償指令后，盡管刀具尺寸有所變化，但工件加工表面不發生欠切或過切問題。對比傳統的加工方案，證明本文提出的五軸數控系統刀具尺寸補償以及后置處理方式是有效的，在零件加工中有著較好應用性。

4? 結語

綜上所述，構建五軸數控空間刀具補償數學計算模型，通過刀位文件信息推倒有關的計算方法，同時進行刀具補償后置處理的程序編寫，利用數控模擬仿真軟件檢驗五軸數控系統刀具補償計算公式準確性。隨著數控加工系統的發展，對零件加工精度提出越來越高的要求，通過五軸數控系統刀具加工補償以及后置處理的實現，能發揮數控加工系統應用價值，說明本次研究具有一定現實意義。

參考文獻

[1] 蔡安江，宋仁杰.五軸數控加工3D刀具補償及其后置處理方法[J].長安大學學報：自然科學版，2018，38（1）：120-126.

[2] 李曉偉，夏鏈.五軸加工中心3D刀補下奇異點判據及處理研究[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2017，40（9）：1153-1157.