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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(文獻翻譯) 第 16 頁
三種類型五軸聯(lián)動機床的后處理器開發(fā)
摘要：本文提出了一種五軸機床操作界面的方法，即通過控制刀具切削位置來建立一個介于計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)和數(shù)控編程之間的操作界面。此外后處理器的解決辦法是通過在五軸機床上切削試驗和坐標(biāo)測量機上驗證的。試驗結(jié)果證實了關(guān)于后處理器的解決辦法的猜想所產(chǎn)生的影響，用來整合五軸機床的工具在機械制造系統(tǒng)中的使用。
關(guān)鍵詞：坐標(biāo)變換矩陣，刀具切割規(guī)矩數(shù)據(jù)，五軸機床，數(shù)控編程，后處理器
1.簡介
剪裁曲面(或雕刻表面)已經(jīng)大量在工業(yè)中使用,如在汽車的身體、船舶殼體、航空零件。模具和沖壓模具的加工大部分是用數(shù)控加工(NC)機床加工的。常規(guī)的加工是使用三軸數(shù)控機床和球頭銑刀。三軸機床不能改變刀具方向 ,所以一個五軸數(shù)控機床能使刀具正確定位并能高效加工。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,商業(yè)性的CAD / CAM系統(tǒng)可以設(shè)計和生成自由平面不管是三軸還是五軸的刀具軌跡。刀具位置數(shù)據(jù)包括刀尖位置和刀具方向,可以在CAD / CAM系統(tǒng)所產(chǎn)生的CAD模型中直接獲得然而,當(dāng)使用很多種刀具的時候還是有困難的。包括CAM系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)之間聯(lián)系的輸入界面被稱為后處理器它包含了刀具位置數(shù)據(jù)的機床編碼。
很多研究人員在從事機床后處理器的研究。Bedi和Vickers[1]為FANUCE6MB機床研發(fā)了一種后處理器程序。Balaji[2]提出一種后處理器的發(fā)展和應(yīng)用，就是將APT資源編碼轉(zhuǎn)換為機床床程序代碼。Lin和Chu[3]通過使用帶有復(fù)雜的D-H記號的平面追蹤得到了生產(chǎn)凸輪軸時的機床刀具的數(shù)控數(shù)據(jù)。然而，以上的工作僅僅是關(guān)于三軸機床的。此外，既然對于三軸機床刀具軸線是固定的，從刀具軌跡數(shù)據(jù)到數(shù)控數(shù)據(jù)的傳輸?shù)闹苯觽鬏?，所以增量坐?biāo)技術(shù)是必不可少的。為了滿足工業(yè)關(guān)于幾何圖形多樣性和高精密的需求，多軸聯(lián)動技術(shù)的使用在增多，特別是機械雕刻成型表面。Suh和Lee[4]發(fā)明了一種四軸CAM系統(tǒng)包括刀具切削位置數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和后處理器。Vickers etal.[5]提出了無碰撞五軸控制刀具路徑和后處理器兩種類型的機器配置方法。Takeuchi和Watanabc[6]提出了無碰撞五軸控制刀具路徑和后處理器兩種類型的機器配置的方法。Sakamoto和Inasaki[7]將五軸機床刀具的輪廓分為三種類型。然而，NC數(shù)據(jù)的分析表達式是無法使用在上述作品。
Lin和Tsai最近使用D-H符號來生成四軸機床加工空間凸輪的數(shù)控數(shù)據(jù)方程。此外，Warkentin et al[9]還提出了一種球面加工技術(shù)。在他們的工作中，僅僅從五軸機床上得到了廓形的理想數(shù)控數(shù)據(jù)。同時，Rao et al.[10]研發(fā)了一種主軸線法在兩種配置的五軸機床實現(xiàn)復(fù)雜表面的加工。盡管如此，僅僅旋轉(zhuǎn)運動被應(yīng)用。并沒有研究機床刀具的直線運動。既然五軸機床刀具軌跡有那么多優(yōu)點，那么后處理器的發(fā)展是很必然的[6]。然而，符合Satamoto和Inasaki所提出的分類方法，五軸機床刀具的機構(gòu)可以分為三種基本類型。以上所有研究中沒有一種能完全解決包含三個直線運動和兩個旋轉(zhuǎn)運動的數(shù)控數(shù)據(jù)的問題。
這項工作旨在基于齊次坐標(biāo)變換矩陣發(fā)展三種類型五軸機床的后置處理器。數(shù)控數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以通過功能矩陣與已知CL數(shù)據(jù)解代數(shù)方程組求得。此外,不同配置的機床的特點和程序也是不同的。后處理器的正是通過設(shè)計Bezier曲線模型材料在加工中心加工典型表面,然后使用五軸坐標(biāo)測量機測量(CMM)來驗證后置處理器的正確性和有效性。
2. 運動學(xué)模型
機床刀具是通過開放式鉸鏈關(guān)節(jié)串接連接的。關(guān)節(jié)可以是旋轉(zhuǎn)的也可以是棱形的。旋轉(zhuǎn)接頭的執(zhí)行機構(gòu)旋轉(zhuǎn)時連接聯(lián)合軸，而移動關(guān)節(jié)沿著聯(lián)合軸的軸線方向移動。為了充分控制機床和刀具的位置和方向，建立了機床的運動學(xué)模型是必需的，運動學(xué)模型包括幾何形狀和運動學(xué)的描述。 denavit和Hartenberg[11]首先使用一個4 * 4齊次坐標(biāo)變換矩陣介紹了兩個連續(xù)環(huán)節(jié)坐標(biāo)系統(tǒng)之間的空間轉(zhuǎn)換，后來被Paul·[12]引用。傳統(tǒng)的建模技術(shù)被用在機器、機器人、誤差分析和計算機視覺上。在本文中，通過引用Paul的方法介紹了四個根本型變換矩陣。他們可以表示如下：
trans(a,b,c)是通過矢量ai + bj + ck得到的，Rot(X,θ), Rot (Y,θ), Rot(Z,θ)分別表示繞X,Y,Z軸旋轉(zhuǎn)的角度θ，“C”和“S”分別指余弦和正弦函數(shù)，從一個坐標(biāo)系到另一個坐標(biāo)系的空間轉(zhuǎn)換是由分解矩陣相結(jié)合的根本性轉(zhuǎn)變。
3. 五軸機床的切削軌跡數(shù)據(jù)的定義
如圖1所示，五軸銑削的刀具位置數(shù)據(jù)由刀具的位置和方向與工件坐標(biāo)系組成，在本文中點向量寫成[Qx Qy Qz 1] T，，向量[Kx Ky Kz O]T用來表示齊次坐標(biāo)方向，上標(biāo)注“T”表示轉(zhuǎn)置矩陣。值得一提的是，將刀具中心定義為刀位點而不是刀具接觸點是非常有意義的。對于一個給定的參數(shù)化設(shè)計表面加工使用的五軸銑床依據(jù)西德國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)66215在任何角度的刀具可以被定義為接觸點,適當(dāng)?shù)腃L數(shù)據(jù)可以[13]通過微分幾何齊次坐標(biāo)變換矩陣確定。
4. 五軸機床的后處理器
一旦獲得CL文件就應(yīng)該使用五軸機床控制器的逆運動學(xué)變換把它轉(zhuǎn)換為5個參考輸入（即三個直線運動，加上兩個旋轉(zhuǎn)運動）。這個轉(zhuǎn)換被稱為后置處理，轉(zhuǎn)換軟件被稱為后處理器。機器人的逆運動學(xué)變換取決于幾何結(jié)構(gòu)的五軸機床的使用。從理論上講,有眾多的組合機床都配置五軸機床刀具輪廓。然而,在實踐中根據(jù)兩種旋轉(zhuǎn)運動單元[6,7]可將輪廓分為三種基本類型：
1、工作臺傾斜，繞工作臺兩個方向的旋轉(zhuǎn)。
2、主軸傾斜，繞主軸的兩個方向旋轉(zhuǎn)。
3、工作臺和主軸都傾斜，一個繞工作臺旋轉(zhuǎn)一個繞主軸旋轉(zhuǎn)。
本文提出的五軸加工后處理應(yīng)用到上述三種類型。此外，使用運動結(jié)構(gòu)圖2（a）-2（C）來證明推導(dǎo)過程。此外，兩旋轉(zhuǎn)軸不斷互相相交是為了工作臺傾斜和主軸傾斜兩種類型簡化。
一般來說，在數(shù)控機床上加工一個工件時，數(shù)控機床根據(jù)零件程序首先建立一個工件坐標(biāo)系和一個軸向名稱。除了三個線性垂直軸（X，Y，Z軸），數(shù)控機床還可能涉及周圍旋轉(zhuǎn)運動的旋轉(zhuǎn)軸，這里由指定字符A，B和C表示分別繞X，Y，Z軸旋轉(zhuǎn)。因此，五軸機床配置在圖2（a）-2（C）分別由（X，Y，Z，A，C）和（X，Y，Z，A，B）表征。所有的動作應(yīng)由統(tǒng)一的程序坐標(biāo)系統(tǒng)生成，如G54-G59的代碼是用來定義FANUC控制器的程序。在大多數(shù)情況下，程序的坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系重合，因此，本文所采用此種方式。
圖2.為三種五軸加工中心。(a)Table-tilting類型。 (b)Spindle-tilting類型。 (c)表/ spindle-tilting類型。
4.1 Table-Tilting類型
對于table-tilting類型圖3表示了相應(yīng)的坐標(biāo)。OwXwYwZw和OtXtYt坐標(biāo)系統(tǒng)是直接對應(yīng)在工件和刀具上的。
旋轉(zhuǎn)點R是兩個旋轉(zhuǎn)軸的交點。位移向量Lxi + Lyj + Lzk是從原點Ow指向R點的，也是所需的坐標(biāo)變換。由于機床的結(jié)構(gòu)元素線性表、床身、主軸、刀具組成的一個轉(zhuǎn)盤,即機床產(chǎn)生的運動,決定了機床設(shè)計的特點,被稱為form-shaping功能[14]。其主要特征是起始于工件,終止于刀具。對機床配置如圖2(a)、連續(xù)結(jié)構(gòu)元素描述如圖4。
因此，刀具相對于工件坐標(biāo)系的位置可以決定相應(yīng)的系列中的基本變換矩陣，相當(dāng)于Cl數(shù)據(jù)， [Kx Ky Kz 0]T 和[Qx Qy Qz 1 ]T。數(shù)學(xué)表達式分別描述如下：
?A和?C分別是繞X、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度,+X,+Z的正方向是根據(jù)右手螺旋法則確定的。Px,Py,Pz分別沿X,Y,Z方向的距離。
將式（5），（6）相乘可得:
從以上方程可以解出旋轉(zhuǎn)角度(?A,?C)及相關(guān)距(Px,Py,Pz)。另一方面,數(shù)控數(shù)據(jù)X,Y,Z的值可以通過方程(6)在?A =?c = 0和[Qx Qy Qz 1] T = [X Y Z 1] T時解出,所以該程序坐標(biāo)系統(tǒng)是符合工件坐標(biāo)系的。這導(dǎo)出：
因此,這種輪廓的理想的數(shù)控數(shù)據(jù)被表達如下：
通過檢驗X和Y的軌跡函數(shù)arctan2(y,x)的值應(yīng)在和-л ≤ θ ≤ л范圍內(nèi)。
4.2 Spindle-Tilting類型
spindle-tilting類型的配置,兩個轉(zhuǎn)動軸(A、B軸)應(yīng)垂直于主軸(圖2 B),這樣,基準(zhǔn)點R(圖5)是選定兩個軸的交點。此外,既然在加工過程中主軸會旋轉(zhuǎn),工具有效長度Lt,是從基準(zhǔn)點R與刀具中心Or的距離或用數(shù)控數(shù)據(jù)得到。同樣的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序,類似于table-tilting類型配置,導(dǎo)出下列方程:
因此,數(shù)控數(shù)據(jù)解析方程可以歸納為求解方程(15)-(17):
4.3 table/ Spindle-Tilting型
在這種配置情況下,有一個轉(zhuǎn)動軸,轉(zhuǎn)臺和主軸,支點分別在軸(A)和軸(B)。,如圖6,基準(zhǔn)點RA位于任意軸,基準(zhǔn)點RB是選為傾斜軸(B軸)和主軸的交匯點。位移向量Lj 1 + LyJ + Lzk計算出的是從原點到RA的有效長度,L~是支點RB和刀具中心點的距離。和以上一樣, 利用坐標(biāo)變換矩陣可以得到以下方程：
再次,通過求解方程(23)-(25)、這臺機器配置的數(shù)控數(shù)據(jù)的解析方程可以被表示為:
5.討論
從前面部分的描述中可推出一些結(jié)論,敘述如下:
1、如果在旋轉(zhuǎn)的工作臺上有一個旋轉(zhuǎn)運動(如table-tilting類型和表/ spindle-tilting型)位移向量與工件原點和基準(zhǔn)點有關(guān)，必須確定在接觸傳感器后工件一直夾緊在工作臺上。
2、當(dāng)旋轉(zhuǎn)運動是應(yīng)用于主軸(例如spindle-tilting類型和表/ spindle-tilting型)有效的工具長度是支點和刀具中心點之間的距離,可以認(rèn)為刀具半徑是變化的。刀具預(yù)先設(shè)置單元是用來測量距離的,這就叫做設(shè)定長度,從儀表層面到工具頂端,如圖7。儀表水平面是在某一特定的直徑圓錐柄,確保所有工具都在高速主軸的同樣位置。然后,可以計算出有效的工具長度增加設(shè)定長度與距離,這是一個由生產(chǎn)廠家給定的固定值,從主軸頂端到旋轉(zhuǎn)支點。
3、該旋轉(zhuǎn)點的定義是兩個轉(zhuǎn)動軸的交叉口。然而,對于table/ spindle-tilting配置、轉(zhuǎn)動軸在空間是不相交的。如前所述,轉(zhuǎn)臺的基準(zhǔn)點可任意在旋轉(zhuǎn)軸上選擇。這種現(xiàn)象可以通過觀察數(shù)控系統(tǒng)方程(28)-(30)的數(shù)據(jù)來解釋,因為這些方程的都有各自的Lx值。
6.實施和驗證
6.1實驗的實現(xiàn)
要驗證的建議后處理方法的可行性，進行了試切實驗表/主軸傾斜成大五軸加工中心。 NC數(shù)據(jù)，包括偏移向量和此配置的有效工具長度。 Bezier曲面與一個4 * 4控制點給出的矩陣：
在本文中，刀具路徑生成是基于用頭立銑刀的刀具方向被認(rèn)為是正常的表面接觸點等參方法。數(shù)學(xué)上，Bezier曲面可表示為P（U，V），其中U和V是獨立的參數(shù)[15]。等參步長定義是在每個參數(shù)輸入增量變化。一旦U和V參數(shù)已經(jīng)明確，這一點可以被定義在表面上和刀位點[QX QY Qz1];同時，可以使用微分幾何[15]計算出切削刀具定向：
因此，等參刀具路徑的完成后CL數(shù)據(jù)才能確定。A C計劃用于生成CL數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換CL數(shù)據(jù)（NC代碼），使用的建議后處理方法。以下的實驗條件下的基礎(chǔ)上已進行試切：
1.球頭銑刀的直徑是10 RAM。
2.主軸轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)，進給200mm/rain。
3.刀具路徑是0.5毫米。
4.偏移向量LX = 0，LY = -10.0毫米和LZ = -25.0毫米。
5.有效的刀具長度LT是409.571毫米。
6.工件材料為丙烯酸樹脂
圖8描繪了五軸加工中心的實際切削。
6.2 CMM的核查
已完成的部分（圖9）在Mitutoyo（模式BHN710）橋型主體和一臺個人電腦組成的三坐標(biāo)測量機上測量。在實際測量中，16套典型的測量數(shù)據(jù)（見圖10）通過CMM 2毫米直徑的Renishaw PH-9觸發(fā)式探頭。觸發(fā)式探頭可以帶動向沿法線方向的一部分。根據(jù)從方程（31）獲得表面法線向量生成外指導(dǎo)點和內(nèi)部指導(dǎo)點（圖11）。探測路徑可以表示在特定的數(shù)控代碼，發(fā)送到CNC控制器。處理測量操作時，最初的探頭移動到指定以外指南點迅速。下一步，探頭移動緩慢，直到它觸及的表??面點到里面指南點。一個探頭球中心的位置坐標(biāo)測量點收集和保存在一個ASCII tbrmat文件。積累的數(shù)據(jù)所抵銷探針中心配合探頭球theradius的內(nèi)表面的沿法線方向的補償。設(shè)計圖面測量采樣點的比較如圖 12。這個數(shù)字表明，設(shè)計圖面相比，加工表面的最大偏差為0.02 RAM。這些結(jié)果表明，擬議的后處理方法是非常有效和可靠的。
7.結(jié)論
本文提出了三個典型的五軸聯(lián)動機床，形式塑造功能是根據(jù)齊次坐標(biāo)變換矩陣分析方法來開發(fā)后處理器的。NC數(shù)據(jù)完整的解析方程可得到等同的形式塑造功能和CL數(shù)據(jù)。在五軸加工中心和CMM上實施驗證試驗，且證實了擬議的后處理方法是可靠的。此外，整合各種配置的五軸機床，廣義的后處理方法的發(fā)展是目前正在進行中。