DMU50V型非正交五軸數(shù)控機(jī)床后置處理算法及驗(yàn)證

盤有師，趙勇進(jìn)，于杰，趙遠(yuǎn)方，龔德鵬，丁爽

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225127)

0 引 言

非正交五軸數(shù)控機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸與其對(duì)應(yīng)平動(dòng)軸不重合，剛性好，排屑能力強(qiáng)，應(yīng)用越來越廣泛。后置處理是將刀位文件轉(zhuǎn)化為特定機(jī)床可識(shí)別的數(shù)控程序[1]。由于非正交五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)特殊，正交機(jī)床的后置處理算法無法適用，因此開發(fā)非正交五軸機(jī)床的后置處理算法尤為重要。不同的機(jī)床具有不同的空間結(jié)構(gòu)，因此需要針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床設(shè)計(jì)出不同的后置處理器。周續(xù)等[2]針對(duì)非正交回轉(zhuǎn)軸的雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床運(yùn)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法推導(dǎo)出機(jī)床各坐標(biāo)軸的計(jì)算公式。葛振紅等[3]基于三維圖形的幾何變換理論解決了非正交旋轉(zhuǎn)軸數(shù)控機(jī)床后處理的坐標(biāo)變換問題。本文以DUM50V 型非正交五軸數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象，分析機(jī)床結(jié)構(gòu)并研究了后置處理算法，最后用仿真切削軟件對(duì)葉輪進(jìn)行完整切削，驗(yàn)證后置處理算法的正確性，為非正交五軸數(shù)控機(jī)床的后置處理器開發(fā)提供了參考。

1 后置處理算法

1.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)

DMU50V型非正交五軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軸包括X、Y、Z等3個(gè)平動(dòng)軸和轉(zhuǎn)動(dòng)C軸及與Z軸成45°夾角的轉(zhuǎn)動(dòng)B軸，轉(zhuǎn)動(dòng)B軸在YOZ平面內(nèi)，B軸坐標(biāo)原點(diǎn)OB和O重合，采用機(jī)床初定的C軸坐標(biāo)原點(diǎn)OC和工件坐標(biāo)系原點(diǎn)OW重合的設(shè)置，OB與和OC的距離為LZ，如圖1所示。C軸的運(yùn)動(dòng)范圍為0°～360°，B軸的運(yùn)動(dòng)范圍為0°～180°。

圖1 DMU50V 非正交五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)定義

1.2 旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算

設(shè)任意刀軸矢量在工件坐標(biāo)系下表示為OT=bxi+byj+bzk，其中i、j、k分別為X、Y、Z方向的單位矢量。由于機(jī)床平動(dòng)軸的移動(dòng)不影響刀軸矢量，故可將刀軸矢量OT起點(diǎn)平移至機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)，因?yàn)閷?shí)際加工時(shí)刀軸矢量始終與機(jī)床坐標(biāo)系的Z軸同向，因此對(duì)于旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算的問題可等價(jià)轉(zhuǎn)換為：在工件坐標(biāo)系下的任意刀軸矢量OT如何轉(zhuǎn)化至與機(jī)床坐標(biāo)系Z軸重合的問題。如圖2所示，根據(jù)幾何關(guān)系，矢量OT繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度C至R點(diǎn)，C1、C2為旋轉(zhuǎn)角度C的分解，然后再繞B軸旋角度B可與OT0重合，其中OT0為機(jī)床坐標(biāo)系中Z軸方向的單位矢量，如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算圖示

圖3 機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈

1.3 平移坐標(biāo)值計(jì)算

機(jī)床結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈如圖3所示。T1～T3為相鄰組件間的位置與運(yùn)動(dòng)變換矩陣，其中T1為C軸坐標(biāo)系變換至工件坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)和位置變換矩陣。T4～T7僅為相鄰組件間的運(yùn)動(dòng)變換矩陣[5]，其相鄰組件間的位置關(guān)系可在加工時(shí)通過G54設(shè)置工作偏置處理。

不同于正交機(jī)床，非正交五軸機(jī)床的C軸至B軸的位置和運(yùn)動(dòng)變換矩陣T2更復(fù)雜，其表達(dá)式為式(6)。設(shè)刀位點(diǎn)在刀具坐標(biāo)下的坐標(biāo)表示為［x,y,z,1］T，通過運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)系，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解機(jī)床平移值：

2 仿真驗(yàn)證

本文采用Matlab 編程平臺(tái)，將從UG NX 得到的刀軌文件轉(zhuǎn)換為機(jī)床NC 代碼。葉輪的整體加工是非正交五軸數(shù)控機(jī)床的常見實(shí)例，借助UG NX 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程，葉輪模型如圖4 所示，主要有3 道工序，粗加工、葉片精加工和流道精加工。將粗加工、葉片精加工和流道精加工的刀位文件(.cls)分別導(dǎo)出，利用本文所開發(fā)的后置處理算法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到機(jī)床能識(shí)別的 G代碼。

基于VERICUT 的仿真加工，本次仿真驗(yàn)證步驟如下：首先，創(chuàng)建新項(xiàng)目，并在機(jī)床庫里選擇DMU50V 非正交五軸數(shù)控機(jī)床，以FAN15M 為控制系統(tǒng)。在GU NX 里導(dǎo)出毛坯模型文件(.stl)，并創(chuàng)立與UG NX 編程里相同的刀具庫，手工編寫循環(huán)(主)程序，將后置處理得到的G 代碼放入子程序以實(shí)現(xiàn)多次調(diào)用循環(huán)切削。設(shè)置編程原點(diǎn)，調(diào)整機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸方向?yàn)檎虻确抡嫦到y(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行仿真加工。

葉輪軌跡編程時(shí)參數(shù)設(shè)置為：刀具軌跡內(nèi)外公差0.003 mm，殘留高度設(shè)置為0.001 mm。在VERICUT 中將零件模型和仿真加工模型使用采集點(diǎn)和法矢量的方式對(duì)比，精度分析結(jié)果如圖5 所示。圖5(a)所示的采集點(diǎn)中，第7 和第28 點(diǎn)出現(xiàn)丟失，這是由于其偏差小于1 μm，對(duì)應(yīng)圖5(b)的偏差圖中，其偏差值為0，第31 點(diǎn)處有最大偏差0.0187 mm，表明切削精確度較高。最后可以得出結(jié)論：本文所開發(fā)的后置處理程序能使刀位數(shù)據(jù)正確地轉(zhuǎn)化為機(jī)床G 代碼。

圖4 葉輪模型及刀具軌跡

圖5 仿真切削和分析結(jié)果

3 結(jié) 語

1）通過分析DMU50V 非正交五軸數(shù)控機(jī)床的機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用圖解法和多體理論進(jìn)行后置處理算法求解，并對(duì)所得的旋轉(zhuǎn)角C 的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，經(jīng)驗(yàn)證，本文所編寫的后置處理算法正確有效。

2）開發(fā)了后置處理的程序，可直接將刀位文件轉(zhuǎn)換為NC 代碼，并運(yùn)用仿真切削驗(yàn)證了后置處理模型的正確性。