一種五軸工具磨床通用后置求解方法
2018-6-15 來源：西南交通大學機械土程學院 作者：李樂，程雪鋒，尹福蘭，楊欣雨，江磊，丁國
摘要: 針對五軸數(shù)控工具磨床砂輪初始軸向、工件坐標系方向相對于機床坐標系不統(tǒng)一導(dǎo)致的后置求解問題，通過研究砂輪初始軸向與磨床拓撲結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，提出一種基于磨床類型變換的求解方法。該方法將其他類型磨床的后置求解以坐標系旋轉(zhuǎn)的方式變換到 6 種砂輪初始軸向為 Z 軸的磨床上進行，從而減少了求解類型。通過定義工件坐標系方向角，提出一種刀位數(shù)據(jù)預(yù)處理的求解方法，實現(xiàn)工件坐標系不同的情況下機床運動量的統(tǒng)一求解，提高了數(shù)控程序在不同磨床上的可移植性?；谠撍惴ǎ?C#為工具開發(fā)了一套五軸磨床通用后置處理軟件，并進行了仿真試驗，驗證了算法的可行性和高效性。
關(guān)鍵詞: 后置處理; 數(shù)控程序; 五軸工具磨床; 坐標變換
0、引言
隨著數(shù)控加工技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，五軸數(shù)控工具磨床已經(jīng)被廣發(fā)應(yīng)用于復(fù)雜刀具的磨削加工當中。其數(shù)控編程中將刀位數(shù)據(jù)根據(jù)磨床結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為磨床各個軸運動量，生成數(shù)控代碼的后置處理是連接編程軟件和加工設(shè)備的重要橋梁。五軸工具磨床與五軸數(shù)控銑床類似，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，擁有二個平動軸和兩個轉(zhuǎn)動軸，后置求解過程也類似，而后者在后置處理方而的研究已經(jīng)較為成熟。
在五軸數(shù)控機床后置處理的研究中，Lee等用齊次矩陣推導(dǎo)了3種基本類型五軸機床的角度求解方法。She等通過建立機床運動變換模型推導(dǎo)出多種正交和非正交五軸機床后置處理算法。鄭默等通過研究機床形狀創(chuàng)成函數(shù)給出了五軸機床后置處理通用的數(shù)學表達式閉。JUNG等、Tang、周續(xù)等分別對某種結(jié)構(gòu)的非正交雙轉(zhuǎn)臺機床的后置處理進行了研究。唐清春等基于逆運動學原理研究了國產(chǎn)雙擺頭機床的后置處理方法岡。孫凱等基于矢量鏈方法研究了新型五軸混聯(lián)機床的后置處理方法回。上述研究主要針對單一類型機床或者通用五軸數(shù)控銑床，在應(yīng)用到工具磨床的后置處理時需要考慮以卜兩個問題。
(1)考慮砂輪初始軸向和磨床結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，從而能夠?qū)Χ喾N砂輪初始軸向的磨床進行后置求解。
(2)為了使同一個刀軌文件能夠在不同磨床上使用，方便程序移植，需要在后置處理中考慮工件坐標系與機床坐標系不同向的問題。
本文綜合考慮以上兩個問題，通過研究各類磨床之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，提出了磨床類型變換和刀位預(yù)處理的求解算法，提高了五軸工具磨床后置處理的通用性和可移植性。根據(jù)該算法開發(fā)的后置處理軟件，成功進行了仿真驗證并應(yīng)用于成都大佑創(chuàng)軟科技有限公司自主研發(fā)的EcutterSim數(shù)字化加工仿真軟件當中。
1、磨床結(jié)構(gòu)和運動變換矩陣
五軸工具磨床有5個運動軸，它們之間的位置關(guān)系和類型選擇導(dǎo)致磨床結(jié)構(gòu)多種多樣，但是按照砂輪和工件的運動方式可以分為二種類型:工件轉(zhuǎn)動砂輪平動型、工件平動砂輪轉(zhuǎn)動型和工件轉(zhuǎn)動砂輪轉(zhuǎn)動型。本文用A一B (Z)表示砂輪初始軸向為Z軸，工件夾頭聯(lián)動轉(zhuǎn)軸為A轉(zhuǎn)軸，砂輪磨頭聯(lián)動轉(zhuǎn)軸為B轉(zhuǎn)軸的磨床。
齊次變換矩陣容易處理多坐標系變換中的運動變換，方便建立磨床運動數(shù)學模型。通過分析磨床拓撲模型，以齊次變換矩陣建立運動方程的形式進行運動量求解，所用到的變換矩陣有4種。
因為3種平移變換矩陣(X ， Y，Z三個方向)之間的順序不影響計算結(jié)果，所以可以用統(tǒng)一的平移變推矩陣表示:
圖1坐標系設(shè)置
圖2 工件坐標系和機床坐標系為方向不同
圖3 坐標系旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)方式
按照轉(zhuǎn)動軸位置、類型和砂輪初始軸向分類，可以將所有磨床分為36個類型(每種砂輪初始軸矢量有12種類型。本文選擇砂輪初始軸向為Z軸的6種磨床作為基木類型，根據(jù)上而磨床類型變換的方法，將其他類型磨床的后置求解轉(zhuǎn)換到6種基木類型磨床上進行。其他30種類型磨床按照變換到基本類型所進行的坐標系旋轉(zhuǎn)方式可分為5組，同一組類型變換
4、算法驗證
基于上述求解算法，在vs2olo中以c#語言開發(fā)了一套后置處理軟件，并集成到了EcutterSim數(shù)字化加工仿真軟件當中。該軟件可以對砂輪初始軸向、工件坐標系方向進行設(shè)置，同時考慮各個軸行程限制等因素，滿足各種五軸磨床后置求解需求，其參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示。
圖4 軟件參數(shù)設(shè)置界面
以安卡某型磨床為原型進行刀具磨削加工后置求解的算法驗證。該磨床為 A' － C( Y) 型五軸磨床，其毛坯需要橫向裝夾，工件坐標系與機床坐標系方向不同，同時砂輪初始軸向在 Y 軸上，能夠很好的驗證算法的正確性。圖 5 為三齒立銑刀在該磨床上磨削加工后置處理的主要參數(shù)和求解結(jié)果。
圖 5 后置處理主要參數(shù)與結(jié)果
求解得到的 NC 文件，在數(shù)控加工仿真軟件 VEＲI-CUT 中建立磨床模型進行仿真，結(jié)果能夠精確加工，很好的證明該算法在處理砂輪初始軸向，工件坐標系與機床坐標系不同向等問題的正確性。加工仿真結(jié)果如圖 6 所示。
圖 6 刀具磨削加工仿真
5、 結(jié)論
(1) 定義工件坐標系方向角，提出刀位數(shù)據(jù)預(yù)處理的后置求解方法，實現(xiàn)工件坐標系不同的情況下磨床運動量的統(tǒng)一求解，提高了數(shù)控程序的可移植性。
(2) 以建立輔助機床坐標系的方式對機床類型進行變換，從而將所有機床類型的角度求解方法縮小到2 種，將平動量的求解方法縮小到 6 種。
(3) 設(shè)計了一套工具磨床后置處理軟件，并進行了仿真驗證，結(jié)果表明本文提出的算法很好地解決了具磨床的后置處理問題。
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