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一導致的后置求解問題，通過研究砂輪初始軸向與磨床拓撲結構之間的關系，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，提出一種刀位數據預處理的求解方法，實現工件坐標系不同的情況下機床運動量的統一求解，提高了數控程序在不同磨床上的可移植性?；谠撍惴?，以 C#為工具開發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。
關鍵詞: 后置處理; 數控程序; 五軸工具磨床; 坐標變換
0、引言
隨著數控加工技術突飛猛進的發展，五軸數控工具磨床已經被廣發應用于復雜刀具的磨削加工當中。其數控編程中將刀位數據根據磨床結構轉化為磨床各個軸運動量，生成數控代碼的后置處理是連接編程軟件和加工設備的重要橋梁。五軸工具磨床與五軸數控銑床類似，結構復雜，擁有二個平動軸和兩個轉動軸，后置求解過程也類似，而后者在后置處理方而的研究已經較為成熟。
在五軸數控機床后置處理的研究中，Lee等用齊次矩陣推導了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成函數給出了五軸機床后置處理通用的數學表達式閉。JUNG等、Tang、周續等分別對某種結構的非正交雙轉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控銑床，在應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構之間的關系，從而能夠對多種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構關系，提出了磨床類型變換和刀位預處理的求解算法，提高了五軸工具磨床后置處理的通用性和可移植性。根據該算法開發的后置處理軟件，成功進行了仿真驗證并應用于成都大佑創軟科技有限公司自主研發的EcutterSim數字化加工仿真軟件當中。
1、磨床結構和運動變換矩陣
五軸工具磨床有5個運動軸，它們之間的位置關系和類型選擇導致磨床結構多種多樣，但是按照砂輪和工件的運動方式可以分為二種類型:工件轉動砂輪平動型、工件平動砂輪轉動型和工件轉動砂輪轉動型。本文用A一B (Z)表示砂輪初始軸向為Z軸，工件夾頭聯動轉軸為A轉軸，砂輪磨頭聯動轉軸為B轉軸的磨床。
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果，所以可以用統一的平移變推矩陣表示:
圖1坐標系設置
圖2 工件坐標系和機床坐標系為方向不同
圖3 坐標系旋轉轉方式
按照轉動軸位置、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，根據上而磨床類型變換的方法，將其他類型磨床的后置求解轉換到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#語言開發了一套后置處理軟件，并集成到了EcutterSim數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，其參數設置界面如圖4所示。
圖4 軟件參數設置界面
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和求解結果。
圖 5 后置處理主要參數與結果
求解得到的 NC 文件，在數控加工仿真軟件 VEＲI-CUT 中建立磨床模型進行仿真，結果能夠精確加工，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。加工仿真結果如圖 6 所示。
圖 6 刀具磨削加工仿真
5、 結論
(1) 定義工件坐標系方向角，提出刀位數據預處理的后置求解方法，實現工件坐標系不同的情況下磨床運動量的統一求解，提高了數控程序的可移植性。
(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) 設計了一套工具磨床后置處理軟件，并進行了仿真驗證，結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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