数控机床五轴联动后处理转换研究

数控加工技术 现代制造工程(Modern Manufacturing Engineering) 2013年第 10期数控机床五轴联动后处理转换研究李吉 ，田亚铃(1成都航空职业技术学院航空制造系，成都 610100；2 GE中国创新中心，成都 611731)摘要：根据机床结构及运动特点建立机床运动学模型，提出直四面体几何模型和机器人操作机原理两种方法求解五轴联动机床的运动。对机床 A、C摆角度多解问题进行分类分析及 A、C摆运动求解的简化。

关键词：五轴联动；刀长因子；机器人操作机 ；标架；映射中图分类号 ：TH166 文献标志码：A 文章编号 ：l671—3l33(2o13)l0—0042—04Study on movement transformation in five—axis post-processingof NC machine toolsLi Ji ．Tian Yaling(1 Mechanical Engineering School，Chengdu Aeronautic Vocational and TechnicalColege，Chengdu 610100，China；2 GE CIC，Chengdu 611731，China)Abstract：The machine kinematics model was built basing on its structure and motion characteristic．The right tetrahedron modeland the theory of robot manipulation machine were used to parse the motion of five—axis move．Analyzed the multi—value of A／Cangle in the five—axis move motion，which also simplifed the calculation of A／C rotate motion.

Key words：five—axis motion；tool—length factor；robot manipulation machine；coordinate flame；mapping0 引言大型高速铣五轴联动数控机床是飞机零件和汽车覆盖件模具生产的关键设备，是去除材料、完成复杂曲面加工和保证加工精度的重要设备。复杂零件的五轴加工大都需要借助于 CAM软件编程，后处理器成为衔接机床与 CAM软件的关键纽带。五轴后处理的关键及难点在于将 APT代码中的刀位关系转换为G代码中的转角与平动。介绍五轴联动运动求解的文献很多，常常直接给出一个运动求解方程，少有归纳其求解方法以及机床结构的影响。廖卫华、程筱胜和张利波等均采用“通用后置处理”方式进行 NC代码后置处理，但仅限于 ISO或遵循 国标的 CLF文件(APT 代码)与 CNC控制系统间的匹配，处理能力有限_l。J。本文针对一类特定的机床结构解算并归纳其五轴联动运动特点，提出基于机器人操作机原理的运动求解方法，结合机床结构分析其多解影响。

统㈨，FZ37大型高速铣五轴联动数控机床模型如图1所示。工作台需负重载，其横、纵移动和立滑运动机构都以桥式平移梁为载体；主轴电动机直接驱动刀具旋转，十字轴A、C摆结构，4摆 ±110。，C摆 ±360。；配备 FIDIA c20高档 CNC控制系统。

图 1 数控机床模型机床运动模型建立 2 薹高速铣加工的需要使得这类机床具有运动部件 图2所示，XYZ为机床绝对坐标系，X z 为工件坐轻、主轴结构紧凑的特点，并配备高档 CNC控制系 标系，X yfz 为刀尖坐标系，x z 为机床运动坐标42李吉，等：数控机床五轴联动后处理转换研究 2013年第 10期系。机床的运动实际上是图2中机床运动坐标系ymz 在工件坐标系 z 中的运动以及轴 、轴 c的转动。CAM软件生成的前置 CLF文件含带的信息为刀尖坐标点及刀轴方向矢量。定义刀尖点与机床运动坐标系原点O (轴 、轴 c交点)之间的长度为刀长因子。刀长因子是由刀长检测确定的，是五轴加工所必须的工作。五轴后置的运动求解，实际是求算与刀长因子相关联的位移与转动。

lC轴图 2 运动坐标系关联关系2 机床运动求解根据 CLF文件内容解算相应的机床各轴的平动和转动是五轴后置必须处理的工作，五轴联动运动关联关系如图3所示。

CLF文件层 刀位：X，Y,Z 刀轴方N：i，j,kG指令层 卫垡!苎 ! 堡堑兰整 墨： 蠼鳖鱼鏖 ：1 ／ ／ 、I
一
／ ／ ／
／
／ — ／ ／ 刀位：K zICNC控制层 平移运动：X z图3 五轴联动运动关联关系数控加工过程中，刀尖实际到达点为 G代码中的刀位点，将机床的运动分解为平移运动和旋转运动，其求解过程如下。

CLF的 、y、z——直接翻译的中间代码 、Y、 。

CLF的 i、 、后——G代码中的A、C角度。

CLF的 i√、南——刀长因子影响的 、Y 、 。

G代码中的[ ，y，Z]=[ ，Y， ]+[ ，Y ，Z ]。

2．1 直四面体几何模型解算刀尖坐标系 O 是工件坐标系 O 中的子坐标系，其坐标矢量与坐标系 O 一致。坐标系 O 是固结于机床摆转轴线中心的坐标系，与坐标系 O 保持方向一致，且以刀长因子 O O 为关联。通过图4所示的直四面体几何模型直接求算A、C摆的角度。

— y图4 直四面体几何模型机床平移运动求解：设刀长因子 O O 长度为 ，对刀初始状态无 A、C摆时，机床运动坐标系 O 相对于 O 为[0，0，L]。A、C摆转动导致的机床运动坐标系O 平动位移为[t， ，一(￡一L )]，厶为刀长因子O O在X yfZ 坐标系中 方向的位移； 为刀长因子 O O在X z 坐标系中 方向的位移； 为刀长因子 O O在X z 坐标系中z 方向的位移。故，在工件坐标系O 下 ，从对刀初始状态点运动到 G代码中的任意刀尖点[ ，y，z，A，c]求算机床运动坐标系O 相对 O 的位置( 。 ，Y。 ， 。 )及相对于前一位置点的位移[ ，， ]。机床运动坐标系O 相对 O 的位置及运动位移为：( 0m，Yom， 0m)=( + ，，+ ，z+L )[ ， ，Mz]=[X+L ，Y+ ，，z+￡ ]一[0,0，L]=[ + ，l，+ ，z+￡ 一 ]机床转动角度求解：由图4所示直四面体模型知，A摆角度方向余弦cosA：k，刀轴方向矢量在 X O 平面的投影线 O M。与 +y=c轴的夹角即为 c摆角度，即：tanC= 一 ，A=arccoskC=arctan(一 )2．2 机器人操作机原理解算运用机器人操作机的标架变化原理来建立机床运动求解模型 ，标架操作机关联运动如图5所示。

机床运动部件相关联标架有{ }、{71}、{ }、{Ⅳ}、{O}五个标架。

{ }标架固结于工件坐标系，始终静止。

{ }标架固结于刀尖点，随刀尖运动，方向与{ }保持一致。

43A一 墅 恸 一
2013年第10期 现代制造工程(Modern Manufacturing Engineering){0}标架在对刀初始状态固结于机床轴A、轴 c中心，为加工初始状态的描述，与{ }标架的方向保持一致，位置差为初始状态刀长因子位移[t， ， ]。

{ }标架固结于机床轴 、轴 C中心，随机床平动，方向始终与{ }标架一致。

{Ⅳ}标架固结于机床对刀初始状态的轴 、轴 C中心，且z轴沿刀轴向上， 轴沿 A摆轴线与工件坐标系+ 轴一致。{Ⅳ}标架随刀轴和A摆轴线运动。

Xyy图5 标架操作机关联运动图2．2．1 机床平移运动求解由图5所示的标架间的映射关系可直接通过空间矢量运算求解。{ }标架描述了机床的平移运动信息。{Ⅳ}标架描述机床的轴A、轴 c转动信息，同时描述机床的平移运动信息。

P 描述{ }到{ }的映射，描述机床运动标架在工件坐标系的位置 。即：PM0兄G= S阳RG+ LMoRG=[ ，y，z]+[ ， ， ]=[ + ，y+ ，z+ ]。DM。 描述{0}到{ }的映射，描述机床运动标架实际运动位移。即：oD肼0 c= P肘o G一 PD0尺G=[ + ，y+ ，z+ ]一[0，0，L]=[ +L ，y+L ，z+ 一 ]2．2．2 机床旋转运动求解如图5所示，{ }标架与{Ⅳ}标架固结于同一点，在对刀初始状态重合，{Ⅳ}标架随轴A、轴 C旋转运动实际上是相对 { }标架的旋转运动。{Ⅳ}标架绕M( 标架的 轴)的转动为 摆运动，绕肘z( 标架的z轴)的转动为 c摆运动。 、c摆角度即为{N}标架44为 (A，B，C)，转动顺序为滚动一点头一摇头，即 摆一日( ，B，C)=ROT(MZ，C)ROT(MY，B)ROT( X，A)=rcCcB cCsBsA—sCcA cCsBcA+sCsA]l sCcB sCsBsA+cCcA sCsBcA—cCsA lL—sB cB cBcA -J的刀轴方向向量[i， ，k]在 { }中也为[i，J．，k]。标架1]即与{ }方向向量[i√，k]一致。得变换等式：： A,B,C)l 0 lL j1j，cCsBcA+sCsA ={sCsBcA—cCsA=【 c日cA=C=arctan(一 )角度范围为[一360。，360。]，使求解的角 A、角 C存在多解。向量[i√，k]唯一地确定了刀轴方向，角 A、角 C并非完全独立运算。由i√值的正负可以判断角 c在表 1 角A、角 C组合由此可得，给定的任意角度刀轴方向矢量[i， ，k]存在 4种 、c摆角度组合解。

3 A、C摆运动简化与角度组合数控加工中，刀长因子是通过实时的刀长检测、李吉，等：数控机床五轴联动后处理转换研究 2013年第 10期刀长补偿参数和机床结构参数共同确定的。更换不同长度的刀，重设刀长补偿参数等都将直接导致刀长因子的改变，自然也就影响机床的运动结果。因此 ，从生产加工的角度看，在后处理中做刀长因子的相关运算是不妥当的。其原因主要有：不同长度的刀具会因工艺的需要而经常切换；刀长补偿参数也会因为实际的需要而调整。“使用不同长度的刀”和“设置刀长补偿值”都是在机床操作时设定，要在之前的 CAM编程环节设定是不够合理的。除非，机床具有五轴机械结构而控制系统不具备五轴加工的相关处理能力，才不得不借助后处理软件来实现。

目前，高档 CNC控制系统大都具有五轴处理能力，借 助 RTCP／RPCP(Rotation Around Tool CentrePoint／Rotation Around Pan Center Point)等功能即可自动运算处理。由于 CNC控制 自动获取到检测的刀长因子相关参数、G代码中的A／C角度值，便可精确计算出当前刀具在A／C转动下的位移运动，五轴联动运动简化关系如图6所示。

CLF文件层G指令层CNC控制层! ／ l
／ 垩整重垫卫垫直 上墨I摆转角度：A，CI1刀轴转动：A，C图6 五轴联动运动简化关系对于高档 CNC控制系统，由于其处理能力极强，后置处理通常只需要将刀轴方向矢量[i， ，k]转化为A、c摆角度即可，自动智能解算A、c摆导致的机床平移运动为高档 CNC控制系统所具备的功能。

机床结构所确定的角 A、角 C值域多解使得五轴联动加工存在最优摆转角度组合。通常遵循连续摆角和最小摆角规则。对于特定的刀轨 CLF文件、工件以及装夹，总可以找到最优摆转角度组合，如连续摆角组合如表2所示、最小摆角组合如表3所示、最大初始摆角组合如表4所示、最小初始摆角组合如表 5所示等。

表 2 连续摆角组合表3 最小摆角组合>0<0i<0i>0J>0J>0<0J<0A— A— A』4 C+18O。

五轴联动A、c摆角度优化组合类型多样，其后置处理需要专业技术人员针对特定工件、刀轨进行优化选择。可选择的方案往往在实际应用中更为有效。

4 结语机床转角联动结构简单时，采用直四面体几何模型可以快速且直观地求解五轴联动运动。然而，基于机器人操作机标架变换原理，可以准确定义和描述机床平移和摆转运动，且可以推广到结构更为复杂的机床，对各种运动的求解能在方法上进行统一。数控机床是机器人操作机，运用机器人技术解算复杂结构机床的后处理运动变换具有通用性和统一性。对于机床具备五轴能力，控制系统功能弱的情况，借助后处理器来解算刀长因子的运动影响，仍然可以实现五轴联动加工 。

参 考 文 献：[1] 廖卫献．数控编程 的后置处理与 CAM软件 的通用后置[J]．计算机辅助设计与制造，2000(11).

[2] 程筱胜，刘壮，周来水，等．数控编程系统中通用后置处理技术研究[J]．南京航空航天大学学报，1996(6).

[3] 张利波，周济．开放 式数控编程通用后置处理器[J]．机械与电子，1996(4).

[4] 艾兴．高速切削加工[M]．北京：国防工业出版社，2003.

E·mail：liji—love###126．com收稿日期：2012．10—1945o o OO 0 O 6 8 6 3 1 3 + + +C C Cu^I一。．～一．～一.