轉(zhuǎn)臺-擺頭結(jié)構(gòu)五軸加工中心的后置處理程序設(shè)計

袁士平

(北京航空制造工程研究所，北京100024)

五軸聯(lián)動加工中心能高效率、高質(zhì)量地完成復(fù)雜工件的五面加工，在飛機主機、發(fā)動機、模具等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。要實現(xiàn)五軸加工，首先要規(guī)劃刀具軌跡，使刀具的運動軌跡光滑連續(xù)無干涉，一般靠自動編程軟件實現(xiàn)。自動編程軟件輸出刀位源文件(cutter location source file，簡稱CLSF)，刀位源文件描述了編程坐標(biāo)系下的刀具位置、刀軸矢量、刀具轉(zhuǎn)速、進給速度等信息。但刀位源文件是APT 格式的文本文件，機床的數(shù)控系統(tǒng)無法識別。后置處理的任務(wù)就是把刀位源文件中的刀具路徑信息轉(zhuǎn)換為機床可識別的數(shù)控加工程序(G 代碼文件)。因為五坐標(biāo)機床結(jié)構(gòu)形式多樣，控制指令各不相同，坐標(biāo)求解過程復(fù)雜，所以后置處理是實現(xiàn)五坐標(biāo)加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。

筆者公司現(xiàn)有的五軸加工中心如圖1 所示，該機床采用了臥式的正交布局，機床平移坐標(biāo)X、Y、Z向行程約1.5 m，刀具主軸繞X軸擺動(定義為A軸)，范圍+30°～-90°，轉(zhuǎn)臺繞Y軸轉(zhuǎn)動定義為B軸，角度范圍-9999°～+9999°。該機床的數(shù)控系統(tǒng)為NUM760，能實現(xiàn)五軸聯(lián)動，但不帶RTCP 功能，編程坐標(biāo)系與機床坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系復(fù)雜，是制約其加工能力的主要問題。

1 后置處理程序的工作流程

工作流程如圖2 所示。后置處理程序首先顯示界面，等待用戶輸入需要處理的刀位文件、DAT2 值、刀長;然后依次讀入刀位文件的每一行，將相關(guān)數(shù)據(jù)填充到內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中;求解機床坐標(biāo)值，將結(jié)果寫入內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);根據(jù)機床坐標(biāo)值和數(shù)控程序的格式構(gòu)造G代碼并寫入NC 程序文件。下面分別介紹各個功能模塊的原理。

2 應(yīng)用程序界面

應(yīng)用程序界面模塊的作用是顯示用戶界面，等待用戶輸入DAT2、刀長、轉(zhuǎn)心距等信息。本例用Visual Studio 創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)的Windows界面如圖3。

3 讀取刀位文件信息

該模塊負(fù)責(zé)讀取、解析刀位文件，并將刀位文件中的數(shù)據(jù)填充到結(jié)構(gòu)化的內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。該模塊依次讀取刀位文件中的一行，根據(jù)該行的首詞用switch -case 語句分別處理該行的信息。

(1 ) 首 詞 為FORM、 GOTO、 GOHOME:代表該行為直線位移。該行的參數(shù)有兩種情況:GOTO/x、y、z、i、j、k或GOTO/x、y、z。x、y、z為刀尖點的坐標(biāo)值，需要用double. Parse(string)命令解析該坐標(biāo)值。i、j、k為刀軸矢量，如果該參數(shù)為空，表明該刀具位置的刀軸矢量未發(fā)生變化，i、j、k保持上一個值。

(2)首詞為CIRCLE:代表此軌跡為圓弧。其格式為CIRCLE/x、y、z、i、j、k、r、t、f、d、e、［TIMES，n］。首先保存圓弧起點坐標(biāo)、圓心坐標(biāo)、插補軸矢量、進給速度，再讀取下一行，取得圓弧的終點坐標(biāo)。

4 構(gòu)建內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

后置處理的過程中，程序要與大量的數(shù)據(jù)打交道，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)尤其重要。根據(jù)數(shù)控程序中數(shù)據(jù)的特點，定義如圖4 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并把數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)的類中。

5 坐標(biāo)的求解

坐標(biāo)求解模塊進行坐標(biāo)變換、進給速度轉(zhuǎn)換。讀取并處理數(shù)據(jù)類，將機床坐標(biāo)值、進給速度值等需要計算的量填充到數(shù)據(jù)類中。后置處理的關(guān)鍵算法是根據(jù)機床的結(jié)構(gòu)形式，求解機床坐標(biāo)值。主要包括轉(zhuǎn)動、平移坐標(biāo)的求解兩部分。

5.1 A 角度的計算

機床A、B軸角度與刀軸矢量的關(guān)系如圖5 所示，其中刀軸矢量為單位矢量。故有:

A=arcsin(J/1)(A取值范圍:-90°≤A≤90°)

5.2 B 角度的計算

由表1 可計算B坐標(biāo)取值范圍在±180°內(nèi)的值:

表1 B 角的計算

計算B 軸的角度時，需要考慮B坐標(biāo)值的取值范圍。轉(zhuǎn)臺的角度m與m±360 ×n(n為整數(shù))實際上是同樣的位置。當(dāng)轉(zhuǎn)臺運動到±180°附近時，如果程序路徑中要求繼續(xù)回轉(zhuǎn)，B坐標(biāo)值應(yīng)超過±180°，否則轉(zhuǎn)臺大幅回轉(zhuǎn)，會與工件碰撞。當(dāng)后置處理系統(tǒng)計算某個點B坐標(biāo)在±180°范圍內(nèi)的值B’時，必須與上一個點的值進行比較，轉(zhuǎn)臺以最短路徑運動。即求出B±360 ×n(-10 ＜n＜10)與上一個B坐標(biāo)值最接近的值。具體算法為

B= min［Blast-(B’±360 ×n)］(n為整數(shù)，-10＜n＜10，B取值范圍-3780 ＜B＜3780，B’為上一個點位的B 坐標(biāo)值)

5.3 轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動對線性坐標(biāo)X、Z 的影響

工件安裝在轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致刀具與工件的相對位置發(fā)生變化，一般有2 種方法可補償這種變化。

(1)高檔數(shù)控系統(tǒng)一般具有RPCP 功能，即五軸機床工件旋轉(zhuǎn)中心編程(rotation around part center point)。工作臺旋轉(zhuǎn)時，機床X、Z坐標(biāo)能自動跟蹤，刀尖點與工件的相對位置不變。如SIEMENS 系統(tǒng)的TRAORI指令、HEIDENHAIN530I 系統(tǒng)的M128 指令、NUM 系統(tǒng)的G151S0 指令。這種情況下，數(shù)控程序中的X、Z坐標(biāo)值使用刀位文件中的坐標(biāo)值即可。

表2 刀位文件與NC 代碼

(2)另一種情況下，數(shù)控系統(tǒng)不具有RPCP 功能，由后置處理程序來補償轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動對平移坐標(biāo)的影響。如圖6 所示，機床處于B=0 位置時，轉(zhuǎn)臺中心在機床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值為DAT1，工件坐標(biāo)系相對轉(zhuǎn)臺中心的相對坐標(biāo)值為DAT2。對某一臺機床來講，DAT1為固定值，DAT2隨工件擺放位置的變化而變化。

如圖7 所示，轉(zhuǎn)臺中心在工件坐標(biāo)系XOZ下的坐標(biāo)為P1(X1，Z1)，即(-XDAT2，-ZDAT2)。轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過角度B時，刀尖點P(X，Y)在轉(zhuǎn)臺的帶動下運動到P’(X’，Y’)。由計算機圖形學(xué)的二維旋轉(zhuǎn)公式，可得:

5.4 A= －90°時對機床運動的優(yōu)化

當(dāng)A= -90°，即主軸立式時，X、Z、B軸中只要有任意2 軸運動即可實現(xiàn)XOZ平面內(nèi)的加工，這時后置處理有多個解，需要優(yōu)化機床的運動。如圖8所示的機匣類工件，端面上需要鉆孔、鉸孔、插銑、銑邊，如果用XZ軸聯(lián)動加工，不僅工件的分度精度不好，而且機床將在Z-向超過行程范圍。所以本后置處理開發(fā)了B軸代替X軸運動的功能，加工端面時，X始終為0，靠B軸實現(xiàn)工件的分度。在式(1)中，令X'=0，即可計算出對應(yīng)的B值。

5.5 主軸擺動A 對線性坐標(biāo)Y、Z 的影響

主軸端面到A軸轉(zhuǎn)動中心的距離稱為轉(zhuǎn)心距(pivot)。由于這個距離和刀具長度的存在，A軸轉(zhuǎn)動將導(dǎo)致平移坐標(biāo)Y的變化。通常消除這個位移有兩種辦法，一種是數(shù)控系統(tǒng)的RTCP 功能，另一種是在后置處理中考慮樞軸中心距。

(1)啟用RTCP 功能后，控制系統(tǒng)會自動計算并保持刀具中心始終在編程的XYZ位置上，轉(zhuǎn)動坐標(biāo)的每一個運動都會被XYZ坐標(biāo)的一個直線位移所補償，數(shù)控程序中的刀尖點坐標(biāo)直接使用刀位文件中的值即可。如圖9a［2］所示。

(2)未啟動RTCP 功能時，控制點在A擺轉(zhuǎn)動中心上，如圖9b 所示。后置處理過程中，需要把刀位文件中刀尖點的坐標(biāo)值Y、Z換算成轉(zhuǎn)動中心的坐標(biāo)值Y’、Z’，由三角函數(shù)可得出計算公式:

式中:TL為刀具長度;PL為轉(zhuǎn)心距。

5.6 進給速度的求解

具有旋轉(zhuǎn)軸的自由曲面的加工，進給速度控制一般使用G93，其進給率F為時間倒數(shù)，其計算公式為F=V/D(F為進給速率;V為編程的進給速度，mm/min，D為路徑長度，mm)，其中(Δx、Δy、Δz為輪廓點間的距離)。

實際計算中:所取的Δx、Δy、Δz為刀位文件中的刀位點間的距離。這種算法在直線運動距離較短，而回轉(zhuǎn)運動角度較大時，會出現(xiàn)實際進給速度大大高于刀位文件中編程速度的情況。在平移坐標(biāo)XYZ不動，僅回轉(zhuǎn)刀具軸變化時，甚至?xí)霈F(xiàn)D=0，進給速度F無窮大的極端情形。這種情況下，不僅機床可能報錯，而且加工的表面質(zhì)量也不好。

為了避免進給速度的這種情況，把轉(zhuǎn)動角度1°等同于直線進給1 mm 處理，引進到算法中，其算法為:

6 NC 文件輸出

NC 文件輸出模塊負(fù)責(zé)根據(jù)機床的G 代碼格式，將內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的NC 點位信息填充到G 代碼文件中。處理前的刀位文件和處理完的適合NUM760 系統(tǒng)的NC 代碼如表2 所示。

7 結(jié)語

轉(zhuǎn)臺-擺頭結(jié)構(gòu)五軸聯(lián)動加工中心的后置處理程序主要分為界面顯示、刀位文件讀取與解析、坐標(biāo)求解、G 代碼構(gòu)造、數(shù)控程序文件輸出等模塊。后置處理程序的核心算法一是根據(jù)刀具矢量I/J/K計算機床轉(zhuǎn)動坐標(biāo)A/B/C，二是將刀尖點的平移坐標(biāo)X/Y/Z轉(zhuǎn)換到機床的控制點上，三是將進給速度mm/min 轉(zhuǎn)換為時間倒數(shù)進給率1/min。啟用數(shù)控系統(tǒng)的RTCP、RPCP 功能后，具有后置處理算法簡單，改變工件坐標(biāo)系位置、刀長時不必修改數(shù)控程序的特點，將是五軸后置處理程序設(shè)計的方向。

［1］NX7 Help Library［Z］.

［2］菲迪亞C 級用戶及編程手冊V3MDO1377［Z］.