五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床后處理的開(kāi)發(fā)新方法與驗(yàn)證*

吳陳燕

(臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000)

由于五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床在工作臺(tái)結(jié)構(gòu)上種類繁多，且有許多不同的廠牌控制器，因此不同機(jī)型與不同控制器的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床都必須要有一套在這兩方面條件都完全符合的后處理文件，才能將所需要的NC數(shù)控程序通過(guò)合適的后處理編譯器將CL Data檔案轉(zhuǎn)換出來(lái)。目前有很大一部分的NC機(jī)床廠商都不會(huì)在客戶購(gòu)買(mǎi)機(jī)床時(shí)主動(dòng)為客戶提供該機(jī)床的專屬后處理文件，通常都必須自行額外購(gòu)買(mǎi)，且價(jià)格基本上都不會(huì)太低，因此五軸后處理文件在五軸NC機(jī)床這一領(lǐng)域的使用上還不是十分普及。在缺少后處理文件的情況下，最直接導(dǎo)致加工編程人員無(wú)法取得各種需要被加工的零件或產(chǎn)品的NC數(shù)控程序，雖然這一問(wèn)題可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加工人員憑借自身所累積的加工經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)編寫(xiě)NC程序，但是這樣的做法不僅會(huì)耗費(fèi)大量的人力與時(shí)間成本，而且依舊會(huì)產(chǎn)生許多難題。這是因?yàn)椴煌瑥S牌的控制器所使用的語(yǔ)法架構(gòu)、切削參數(shù)的定義以及指令格式代碼的差異，再加上偏位參數(shù)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的計(jì)算等問(wèn)題，使得手動(dòng)編寫(xiě)NC數(shù)控程序的可行性極低[1-2]。

本研究將會(huì)開(kāi)發(fā)一套由Visual Studio C#語(yǔ)法撰寫(xiě)，并適用于TATC機(jī)型的五軸NC聯(lián)動(dòng)機(jī)床與西門(mén)子控制器的后處理文件，目標(biāo)是產(chǎn)生可以應(yīng)用于TATC機(jī)型和西門(mén)子控制器的NC數(shù)控程序，驗(yàn)證方面則是以商業(yè)使用仿真切削軟件Vericut以及實(shí)際切削零件等方法確認(rèn)所生成的NC數(shù)控程序正確無(wú)誤，并期望能在精度誤差與加工效率等方面進(jìn)行提升。

1 以球面雙圓法求解旋轉(zhuǎn)角

以球面雙圓法(Spherical two-circle method，簡(jiǎn)稱STC法)求解旋轉(zhuǎn)角的特點(diǎn)是先擱置五軸運(yùn)動(dòng)中的線性運(yùn)動(dòng)，而著重于2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)，并將這2個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分解成主軸向量或刀軸向量依序繞次旋轉(zhuǎn)軸及主旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如此可輕易地經(jīng)由刀軸向量求得2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角，再利用求得的旋轉(zhuǎn)角以正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法求出NC data的點(diǎn)坐標(biāo)，并推導(dǎo)后處理器的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式。STC法的觀念不僅可應(yīng)用于主軸型五軸機(jī)床，也可應(yīng)用于工作臺(tái)型及混合型，不但可用于旋轉(zhuǎn)軸正交型，也可應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)軸非正交型。STC法的概念是以圖形做幾何分析，因此利用2個(gè)旋轉(zhuǎn)圓相交與否的關(guān)系，可快速推導(dǎo)出刀軸向量的有效范圍及判別旋轉(zhuǎn)軸的方向是否恰當(dāng)。五軸加工后處理轉(zhuǎn)換的研究項(xiàng)目如下：1)五軸機(jī)床的分類；2)以STC法的概念推導(dǎo)旋轉(zhuǎn)角公式；3)推導(dǎo)NC data的點(diǎn)坐標(biāo)公式。

進(jìn)行五軸后處理之前，應(yīng)了解機(jī)床的種類型式。一般將五軸機(jī)床分為正交型五軸機(jī)床與非正交型五軸機(jī)床，這兩大種類又可細(xì)分成不同的工作臺(tái)型式，根據(jù)不同型式的工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式，以便后續(xù)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的NC data計(jì)算。

正交型五軸機(jī)床：當(dāng)主旋轉(zhuǎn)軸與次旋轉(zhuǎn)軸的向量?jī)?nèi)積為零時(shí)，稱此機(jī)型為正交型。一般常見(jiàn)正交型五軸機(jī)床可分成3種型式，本研究以Table型為例。Table型：2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸若皆可帶動(dòng)工件，則稱為T(mén)able型。

非正交型五軸機(jī)床：當(dāng)主旋轉(zhuǎn)軸與次旋轉(zhuǎn)軸的向量?jī)?nèi)積不為零時(shí)，稱此機(jī)床型式為非正交型。一般非正交型的五軸機(jī)床又可分成3種型式，本研究以Table雙斜軸型為例。Table雙斜軸型：五軸機(jī)床的2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸以非正交軸形態(tài)帶動(dòng)工件，則稱為T(mén)able雙斜軸型。

2 五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床后處理器的數(shù)學(xué)模型建構(gòu)

五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床后處理器的數(shù)學(xué)模型建構(gòu)，其基礎(chǔ)理論為STC法，跟D-H法、正逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)相比較，利用STC法推導(dǎo)出五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床NC data的通用公式更具易懂性。因此，STC法對(duì)于推導(dǎo)五軸旋轉(zhuǎn)角所帶來(lái)的貢獻(xiàn)如下。

2.1 Table型五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床后處理數(shù)學(xué)模型與通用公式

1)次旋轉(zhuǎn)圓Cv(見(jiàn)圖1)：將2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸向量U、V、主軸單位向量Vecs及加工點(diǎn)Pm的刀軸單位向量Vect平移至加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)Om，此時(shí)刀軸向量的端點(diǎn)Pt繞次旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的圓形軌跡即是次旋轉(zhuǎn)圓Cv。

2)主旋轉(zhuǎn)圓Cu(見(jiàn)圖1)：將2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸向量U、V、主軸單位向量Vecs及加工點(diǎn)Pm的刀軸單位向量Vect平移至加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)Om，此時(shí)主軸向量的端點(diǎn)Ps繞主旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的圓形軌跡即是主旋轉(zhuǎn)圓Cu。

圖1 通用Table模型

STC法是由4個(gè)向量及2個(gè)圓組成(見(jiàn)圖1)，適用于所有Table型的通用T模型，此4個(gè)向量分別為主旋轉(zhuǎn)軸向量、次旋轉(zhuǎn)軸向量、主軸向量及刀軸向量，其中主軸向量代表主軸上的刀具，而刀軸向量代表加工點(diǎn)上規(guī)劃的刀具軸向。2個(gè)圓分別由主軸向量的端點(diǎn)Ps繞主旋轉(zhuǎn)軸的軌跡及刀軸向量端點(diǎn)Pt繞次旋轉(zhuǎn)軸的軌跡，此兩圓分別為主旋轉(zhuǎn)圓及次旋轉(zhuǎn)圓，而兩圓的交點(diǎn)即為轉(zhuǎn)換點(diǎn)。Table型的運(yùn)動(dòng)意義為模擬刀軸向量(工件)的運(yùn)動(dòng)使終止于主軸向量，并且使刀軸向量對(duì)齊主軸向量，首先暫時(shí)擱置線性軸的運(yùn)動(dòng)，只考慮旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)，使刀軸向量繞次旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，此時(shí)動(dòng)點(diǎn)由Pt點(diǎn)出發(fā)沿著次旋轉(zhuǎn)圓運(yùn)動(dòng)到達(dá)轉(zhuǎn)換點(diǎn)P1或P2，再改繞主旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，此時(shí)動(dòng)點(diǎn)沿著主旋轉(zhuǎn)圓運(yùn)動(dòng)，終止于主軸向量端點(diǎn)Ps，如此運(yùn)動(dòng)方式將使得規(guī)劃的刀軸方向與主軸的方向一致。通用T模型的動(dòng)點(diǎn)是由Pt開(kāi)始繞次旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，主旋轉(zhuǎn)圓是由Ps點(diǎn)是繞主旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的，而通用S模型的動(dòng)點(diǎn)卻是由Ps開(kāi)始繞次旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，主旋轉(zhuǎn)圓是由Pt點(diǎn)繞主旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的[3]。

Table正交型五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床依照旋轉(zhuǎn)軸的軸向分類共有TATC、TBTC、TATB及TBTA 等4種型式，要推導(dǎo)CL data轉(zhuǎn)換為NC data的通用公式時(shí)，先令2旋轉(zhuǎn)軸定位于0°的位置，并使刀尖平移至加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)，此時(shí)稱為起始狀態(tài)。在下列推導(dǎo)中，令(X,Y,Z)為NC data的點(diǎn)坐標(biāo)，此坐標(biāo)是參考加工坐標(biāo)系；(x,y,z)為加工點(diǎn)的坐標(biāo)，此坐標(biāo)是參考工件坐標(biāo)系；(i,j,k)為刀軸向量；主旋轉(zhuǎn)軸的軸向量為U(Ux,Uy,Uz)；次旋轉(zhuǎn)軸的軸向量為V(Vx,Vy,Vz)；刀尖的坐標(biāo)為(0, 0, 0)；起始狀態(tài)時(shí)加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)到次旋轉(zhuǎn)軸的向量[4-6]為dO→V(dO→Vx,dO→Vy,dO→Vz)，由主旋轉(zhuǎn)軸到次旋轉(zhuǎn)軸的向量為dV→U(dV→Ux,dV→Uy,dV→Uz)。

Table型五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的CL data轉(zhuǎn)換NC data的通用公式如下：

(1)

Mv=Mv3Mv2Mv1

(2)

Mu=Mu3Mu2Mu1

(3)

將上述矩陣帶入式1便可得到任意Table型的NC data通用公式。

2.2 TATC型五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床后處理通用公式

本研究將以TATC型機(jī)床計(jì)算其刀具路徑轉(zhuǎn)換NC data的通用公式。該機(jī)型主軸向量為(1，0，0)，次旋轉(zhuǎn)軸向量為(0，0，1)，主旋轉(zhuǎn)角θu=A及次旋轉(zhuǎn)角θv=C，將這些參數(shù)代入Mv2及Mu2，上述Mv2及Mu2可簡(jiǎn)化為：

將Mv2及Mu2帶入式1可得最后結(jié)果：

(4)

3 開(kāi)發(fā)后處理文件的驗(yàn)證程序

本研究在后處理文件的開(kāi)發(fā)上使用Windows10操作系統(tǒng)，并采用Visual Studio2019軟件建立后處理文件的人機(jī)界面，同時(shí)使用C#程序語(yǔ)言撰寫(xiě)后處理編譯程序。

3.1 C#語(yǔ)言介紹

C#為面向?qū)ο蟮母唠A程序語(yǔ)言，也是.NET眾多程序語(yǔ)言之一，具有C語(yǔ)言升級(jí)的意思。其語(yǔ)法與Jave、Javascript、C++相似，為ECMA標(biāo)準(zhǔn)。C#由C/C++延伸而來(lái)，除了其效能不錯(cuò)外，又有.NET Framework作為根基，因此能讓程序設(shè)計(jì)師快速進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。C#作為通用性語(yǔ)言，可以開(kāi)發(fā)各種不同程序，從復(fù)雜大型的操作系統(tǒng)到小型嵌入式系統(tǒng)都可使用。

3.2 建構(gòu)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床模擬切削環(huán)境

以商業(yè)仿真切削軟件Vericut作為仿真切削環(huán)境，建立工件模型與五軸NC聯(lián)動(dòng)機(jī)床模型并加載編譯后所獲得的NC數(shù)控程序便可以仿真真實(shí)情況的加工機(jī)床運(yùn)作與加工切削過(guò)程，可檢測(cè)出是否干涉與過(guò)切，避免實(shí)際上機(jī)床加工時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤與額外的測(cè)試流程，使加工時(shí)間更為減少。而切削模擬環(huán)境的坐標(biāo)系一定要與實(shí)際加工的坐標(biāo)系相同，模擬的結(jié)果是否近似實(shí)際加工情況也與設(shè)定模擬環(huán)境是否夠精細(xì)有關(guān)。

依照實(shí)際TATC構(gòu)型的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)，TATC機(jī)型是在基座上建構(gòu)Spindle(主軸)與Fixture(夾具)，而兩者各自的驅(qū)動(dòng)關(guān)系分別是Z軸帶動(dòng)主軸，夾具方面則是Y軸帶動(dòng)X軸，X軸再帶動(dòng)A軸，A軸又帶動(dòng)C軸。將建成的TATC結(jié)構(gòu)關(guān)系導(dǎo)入模型，定義線性軸與旋轉(zhuǎn)軸方向，并設(shè)定各軸向的極限行程以完成模擬切削環(huán)境的建構(gòu)[7-9]。

圖2 CT-350的TATC結(jié)構(gòu)關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

本文所述STC法將五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)法轉(zhuǎn)換成具有明確的幾何意義，應(yīng)用此法則可快速地檢驗(yàn)五軸NC data的正確性，并可用來(lái)求解五軸NC data的旋轉(zhuǎn)角及點(diǎn)坐標(biāo)，具有簡(jiǎn)單、可行及通用的特性，可應(yīng)用于所有類型的五軸機(jī)床，包括正交型及非正交型。本研究主要使用Visual Studio C#程序語(yǔ)言撰寫(xiě)人機(jī)接口，并開(kāi)發(fā)出一套能夠編譯出NC數(shù)控程序的后處理文件。研究結(jié)論如下[10-11]。

1)以STC法推導(dǎo)TATC型五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換程序。

2)針對(duì)SIEMENS控制器系統(tǒng)建立可應(yīng)用的指令編譯程序。

3)建立應(yīng)用于MasterCAM軟件的后處理編譯器，可將CL Data轉(zhuǎn)換成可用的NC數(shù)控程序。

4)應(yīng)用商業(yè)仿真切削軟件Vericut仿真切削所得到的誤差在±0.005 mm之內(nèi)。

未來(lái)開(kāi)發(fā)完成的后處理器人機(jī)界面(見(jiàn)圖3)可依照用戶的需求對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)、控制器種類、單位系統(tǒng)等種類進(jìn)行選擇，并可在新建后處理名稱與輸出擴(kuò)展名及第四、五軸行程方面進(jìn)行參數(shù)上的設(shè)定。

圖3 未來(lái)自行開(kāi)發(fā)的后處理器界面