国产双摆头五轴机床的后置处理方法

摘要

一种将刀位源文件转换为国产双摆头五轴机床加工代码的后置处理方法。其特点是令臂长为0，采用五轴双摆头刀心算法进行计算，其包括：由刀位源文件计算出的α

说明书

技术领域

本发明是涉及多轴数控加工领域，特别是涉及一种将刀位文件转换为国产 五轴联动数控机床加工代码的国产双摆头五轴机床的后置处理方法。

背景技术

随着当今世界数控加工技术的迅速发展，五轴加工技术广泛应用于航空、 航天的制造领域。航空航天发动机的压缩机、鼓风机内的整体式叶轮属于具有高 精度复杂曲面的零件。因此航空发动机内的整体式叶轮通常采用五轴联动机床加 工，根据五轴机床的结构不同可划分为多种类型，由于五轴机床类型的不同，机 床的各旋转轴有无限制以及限制区间各有差异，本发明主要针对五轴龙门式双摆 头机床，此机床的旋转轴均有限制，尤其是第五轴有限制导致在实际加工中造成 某些区域不能一次加工到位，传统方法是将工件先在此位置划线，采用角度测量 仪测量将工件旋转一定角度然后再加工，或者在编程时考虑机床的极限旋转角 度，在其在其限位点划分加工区域，分别编程、后置处理出多个程序加工。但， 此传统方法需经常装拆工件，产生定位误差，或是增加编程麻烦，以及得后处理 多个程序，加长了企业的生产时间，且不能保证加工精度。这对企业的生产效益 具有较大的影响。

发明内容

本发明的目的就是主要针对国产的五轴双摆头机床，为避免此结构机床在 开发后置处理时第五旋转轴的旋转角度超过机床自身的极限角度，导致超程报警 以及有些过限区间无法加工等问题，提出了一种专门针对五轴双摆头机床的国产 双摆头五轴机床的后置处理方法。

本发明的解决方案是这样的：

本发明是根据此国产五轴机床是否加入臂长提供了两种后置处理方式，并 依据前置处理生成的刀位源文件计算出第五轴旋转角的最大值与机床自身的极 限角相比较，然后选择相应的处理方式。

以双摆头五轴（A、C轴）联动机床为例，来说明如何选用后置处理方式及 如何解决机床第五轴转动角度范围超限等问题。

由前置处理生成的刀位源文件为一中性文件，其中包括：刀具信息（直径、 刀具号、刀补号）、转速、多轴开、冷却液开、刀位点的刀位位置以及刀位矢量 方向等信息，该刀位点均以工件不动，刀具运动的方式得到的，而在本机床实际 加工中，工件也是运动的，所以需要将刀位点信息通过此类机床的空间运动学模 型进行转换，变为数控代码。根据国际标准化组织（ISO 841）标准，确定双摆 头五轴联动机床的各坐标轴及运动方向，根据机床坐标系是机床本身固有的坐标 系且不可以改变，以及工件坐标系为待加工零件的编程时所采用的坐标系,名义 坐标系通常为加工时定义的坐标系且与机床坐标系方向一致，在此机床内创建机 床坐标系O_cX_cY_cZ_c﹑工件坐标系O_mX_mY_mZ_m﹑名义坐标系O_rX_rY_rZ_r且分别与床 身、工件、刀具固联，在工件坐标系O_mX_mY_mZ_m下，R_w(w_x,w_y,w_z)、R_v(v_i,v_j,v_k) 分别代表刀位点刀位位置和刀位矢量。固定工件坐标系的各轴与名义坐标系的各 轴方向均一致，此时R_w(w_x,w_y,w_z)、R_v(v_i,v_j,v_k)的初始位置分别为[0 0 0]^T和 [0 0 1]^T。旋转轴A、C的旋转角度分别用α_A和α_C表示。摆动中心[X,Y,Z]到 主轴断面的距离为摆长L且为定值，主轴端面到刀位点刀位位置R_w(w_x,w_y,w_z)的 距离为刀长K。因从摆动中心到刀位点刀位位置的距离值为刀长与摆长相加之 和，故将刀长K与摆长L之和称为臂长H。参考陈良骥的《复杂曲面数控加工相 关技术》，根据坐标变换关系，推导出机床在工件坐标系O_mX_mY_mZ_m下的运动 坐标值X，Y，Z，α_A，α_C的方法为：

α_A=L_Aarccos(v_k)    L_A=(1,-1)    (1) α_C=arctan(v_i/v_j)-L_Cπ    L_C=(0,1)    (2)

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{w}_x\\ w_y\\ w_z\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\left(H\right)\sin {\alpha }_C\sin {\alpha }_A\\ -\left(H\right)\cos {\alpha }_C\sin {\alpha }_A\\ \left(H\right)\cos {\alpha }_A\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中：α_A、α_C分别为旋转轴A、C的旋转角度；

(w_x,w_y,w_z)、(v_i,v_j,v_k)分别为刀位点刀位位置和刀位矢量；

[X,Y,Z]为摆动中心坐标；

H为臂长值。

令α_A=arccos(v_k)=β，α_A1=-β，α_C=arctan(v_i/v_j)=φ，α_C1=φ±π。将 α_A,α_C与α_A1,α_C1分别代入式（3）展开：

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{w}_x\\ w_y\\ w_z\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\left(H\right)\sin \phi \sin \beta \\ -\left(H\right)\cos \phi \sin \beta \\ \left(H\right)\cos \beta \end{array}\right)---\left(4\right)$

$\left(\begin{array}{c}{X}_1\\ Y_1\\ Z_1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{w}_x\\ w_y\\ w_z\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\left(H\right)\sin (\phi \pm \pi )\alpha \sin (-\beta )\\ -\left(H\right)\cos (\phi \pm \pi )\sin (-\beta )\\ \left(H\right)\cos (-\beta )\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{w}_x\\ w_y\\ w_z\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\left(H\right)\sin \phi \sin \beta \\ -\left(H\right)\cos \phi \sin \beta \\ \left(H\right)\cos \beta \end{array}\right)---\left(5\right)$

由此可见式（4）与式（5）结果相等。可以说明求出一对已知角时，将旋转 角α_A变为负值，将旋转角α_C旋转180度，刀位点坐标不变。据此计算旋转角度 时，采用全部正角度计算，当由刀位源文件计算出的α_C大于机床旋转极限角C_max 时，可令此程序内的所有α_A值变为负值，将旋转角α_C旋转180度。便可解决机 床旋转角过限问题。由该机床的结构比较特殊，经计算后得到的[X,Y,Z]^T值为 摆动中心轨迹坐标，故称式（1）、（2）、（3）为五轴双摆头摆心算法，而摆动中 心坐标由刀位位置，臂长，旋转角决定。显然，当臂长H=0时，[X,Y,Z]^T输出 为刀位位置坐标为：

[X,Y,Z]^T=[w_xw_yw_z]^T    （6）

将式（1）、（2）、（6）称为五轴双摆头刀心算法，在这种模式下，必须在机 床的控制系统中插入臂长值计算，方可加工。而臂长由摆长与刀长组成，摆长为 一定值，刀长为一变值。所以说在大批量生产中，刀具将产生长度磨损，可以采 用传统的刀具长度补偿方法在机床的控制系统中补入磨损后的刀长与新刀具的 刀长之差，也可满足加工要求。此方法简单实用，大大减少了加工工艺时间，为 企业提高生产效益具有重要的实用性意义。

依据上述设计思想，本发明包括步骤：

（1）、读入和接收数据步骤：读入至少包括刀具信息、转速、多轴开、冷却 液开、刀位点的刀位位置以及刀位矢量方向的刀位源文件，同时接收至少包括臂 长H、机床旋转轴最大极限角C_max的机床参数；

(2)、根据具体机床旋转轴C轴的最大极限角C_max，定义双摆头五轴机床C 轴的旋转限位角β_C，其旋转限位角是根据具体机床旋转轴C轴的最大极限角 C_max设定的，设定时一般让令旋转限位角β_C略小于最大极限角C_max。一般 β_C∈(180°,360°)。

（3）、建立机床的空间运动学模型步骤：根据机床坐标系是机床本身固有的 坐标系且不可以改变，以及工件坐标系为待加工零件的编程时所采用的坐标系, 名义坐标系通常为加工时定义的坐标系且与机床坐标系方向一致的特点，在机床 内创建机床坐标系O_cX_cY_cZ_c﹑工件坐标系O_mX_mY_mZ_m﹑名义坐标系O_rX_rY_rZ_r且 分别与床身、工件、刀具固联，在工件坐标系O_mX_mY_mZ_m下，R_w(w_x,w_y,w_z)、 R_v(v_i,v_j,v_k)分别代表刀位点刀位位置和刀位矢量。固定工件坐标系的各轴与名 义坐标系的各轴方向均一致，此时R_w(w_x,w_y,w_z)、R_v(v_i,v_j,v_k)的初始位置分别 为[0 0 0]^T和[0 0 1]^T；旋转轴A、C的旋转角度分别用α_A和α_C表示；

（4）、臂长设定及处理步骤：设定：摆动中心[X,Y,Z]到主轴端面的距离为摆长 L，主轴端面到刀位点刀位位置R_w(w_x,w_y,w_z)的距离为刀长K；设定刀长K与摆 长L相加得到臂长H；当机床系统内自动加载臂长计算时，令臂长H＝0，采用的 处理步骤包括：

采用五轴双摆头刀心算法公式：

α_A=L_Aarccos(v_k)    L_A=(1,-1)

α_C=arctan(v_i/v_j)-L_Cπ    L_C=(0,1)

[X,Y,Z]^T=[w_xw_yw_z]^T进行计算；

式中：α_A、α_C分别为旋转轴A、C的旋转角度；

(w_x,w_y,w_z)、(v_i,v_j,v_k)分别为刀位点刀位位置和刀位矢量；

[X,Y,Z]为摆动中心坐标。

（5）、将采用步骤4的五轴双摆头刀心算法公式计算出此刀位源文件中的所有C 轴旋转角α_C，放到一个数组中。提取一个最大旋转角α_Cmax；比较机床最大旋转 角C_max与刀位点的最大旋转角α_Cmax：

如果α_Cmax＞C_max，再一次执行五轴双摆头刀心算法，保存首行刀位点的旋 转角值α_C1，在计算第二行的到位点的旋转角值α_C2，比较α_C1与α_C2：

如果α_C2-α_C1＜β_C其处理步骤为：又一次执行五轴双摆头刀心算法，将每 次计算后的α_C做处理。令α_C=α_C-180°，α_A=-α_A，将转换好的NC代码返回 主程序；

如果α_C2-α_C1≥β_C，其处理步骤为：又一次执行五轴双摆头刀心算法，每 次计算后的α_C需要判断。如果α_C＞180°，输出α_C=α_C-360°，否则输出原值。 α_A值不变，将转换好的NC代码返回主程序；

如果α_Cmax＜C_max，其处理步骤为：按五轴双摆头刀心算法，一切按照算法 输出，将转换好的NC代码返回主程序。

通过上述步骤，就可解决第五旋转轴的旋转角度超过机床自身的极限角度， 导致超程报警以及有些过限区间无法加工等问题。

当机床的控制系统不加载臂长值计算时，令臂长H≠0，采用五轴双摆头摆 心算法计算出此刀位源文件中的所有旋转角α_C，放到一个数组中。提取一个最 大旋转角α_Cmax；比较机床最大旋转角C_max与刀位点的最大旋转角α_Cmax；

如果α_Cmax＞C_max，再一次采用五轴双摆头摆心算法进行计算，保存首行刀 位点的旋转角值α_C1，在计算第二行的到位点的旋转角值α_C2，比较α_C1与α_C2；

如果α_C2-α_C1＜β_C其处理步骤为：又一次采用五轴双摆头摆心算法进行计 算，将每次计算后的α_C做处理。令α_C=α_C-180°，α_A=-α_A，将转换好的NC 代码返回主程序；

如果α_C2-α_C1≥β_C，又一次采用五轴双摆头摆心算法进行计算，每次计算 后的α_C需要判断。如果α_C＞180°，输出α_C=α_C-360°，否则输出原值。α_A值 不变，将转换好的NC代码返回主程序；

如果α_Cmax＜C_max，采用五轴双摆头摆心算法进行计算，一切按照算法输出， 将转换好的NC代码返回主程序。

本发明的优点是依据前置处理生成的刀位源文件计算出第五轴旋转角的最大 值与机床自身的极限角相比较，然后选择相应的处理方式，最终得到合理的加工 程序，并可以提高加工效率与加工精度。

附图说明

附图1是本发明的方法流程图。

附图2是本实施例的流道的刀位源文件。

具体实施方式

以汉川机床厂研发的XH/2024五轴双摆头机床为例，该机床配有西门子 840D系统两旋转轴（A轴、C轴）的旋转极限分别是（-110°～110°）和（-200°～ +200°）.由于机床的旋转轴C轴不能整周旋转，在加工时会受到限制，给加工带 来了极大的不变。故本发明正是解决此问题，并可以提高加工效率与加工精度。 本发明现以加工某叶轮零件流道为例，来详细阐述本后置处理方法。首先编程人 员根据零件特征和加工要求，通过使用CAM软件（如UG）设置相应的参数生 成刀轨，最后导出流道刀位源文件。

本例令臂长H=0。进而结合五轴双摆头后置处理方法进行转换。具体步骤如 下：

（一）读入流道的刀位源文件（如图2），该过程包括：获取此刀位源 文件的总行数，利用缓冲流进行逐行读入，并分离每行的首个关键字符串与后边 的变量。根据获得关键字符串（如TLDATA、LOAD、SPINDL、RAPID/GOTO、 GOTO、FEDRAT、PAINT、END-OF-PATH等）判断其含义并存储相应的信息。 以此同时，也获取在后置处理软件里已设置好的各项参数（如臂长H、平动轴的 最大行程，旋转轴的旋转极限角C_max等）；

（二）根据此机床旋转轴C轴的最大极限角C_max＝200°，定义双摆头 五轴机床C轴的旋转限位角β_C，令其β_C=180°；

（三）根据步骤（一）获得的臂长信息，H=0执行第一种后置处理方式， 当前刀位点的刀位矢量为R_v(v_i,v_j,v_k)，和调用五轴双摆头刀心算法（采用全正 值算法）式（2）计算出α_C角的所有值，放入数组中找出α_Cmax，接下来判断表 达式（α_Cmax＞200°），如果表达式（α_Cmax＞200°）为真，跳转执行步骤（四）， 否则执行步骤（五）；

（四）再一次执行五轴双摆头刀心算法，计算出的α_C值均为正值。保 存首行刀位点的旋转角值α_C1，在计算第二行的到位点的旋转角值α_C2，比较α_C1与α_C2：

1、如果|α_C2-α_C1|＜180°，又一次执行五轴双摆头刀心算法，将每次计算 后的α_C做处理。令α_C=α_C-180°，α_A=-α_A。将转换好的NC代码返回主程序。 跳转执行步骤（六）；

2、如果α_C2-α_C1≥180°，又一次执行五轴双摆头刀心算法，每次计算 后的α_C需要判断。如果α_C＞180°，输出α_C=α_C-360°，否则输出原值。α_A值 不变。将转换好的NC代码返回主程序，跳转执行步骤（六）；

（五）执行五轴双摆头刀心算法，一切按照算法输出。跳转执行步骤（六）； （六）接收转换好的NC代码，将转换好的NC代码写入指定文件，输出NC代 码。