一种多轴数控机床通用后置处理方法

摘要

本发明公开了一种多轴数控机床通用后置处理方法，包括如下步骤：(1)根据机床结构建立机床运动变换链(2)根据步骤(1)中所建立的机床运动变换链，建立从刀具到工件的变换矩阵Q

说明书

技术领域：

本发明涉及多轴数控加工领域，具体是一种多轴数控机床通用后 置处理方法。

背景技术：

随着新能源、航空航天、造船等行业的发展，对主要功能部件如 风电叶片、飞机进气道、螺旋桨等的加工质量要求越来越高。这类零 件外形及工作型面形状复杂，加工精度高，只有采用多轴数控机床才 能完成加工。

在五轴数控加工中，后置处理的主要任务是将CAM软件生成的加 工刀位轨迹源文件转换成为特定机床可接受的数控NC代码，目前多 轴数控机床后置求解，主要包含手工推导和数值计算这两种方法。手 工推导方法不仅过程复杂、容易出错，而且得到的计算公式只能用于 特定结构的机床，不具备通用性；数值方法具有通用性，但是计算时 间较长，在某些情况下求解精度不高，造成加工误差。随着加工零件 日益复杂，机床结构不断更新，对后置处理的求解效率和求解精度提 出了更高的要求，因此具有快速性和精确性的通用后置求解算法具有 重要意义。

发明内容：

针对现有的通用后置处理方法的不足，本发明提出一种多轴机床 通用后置处理方法，根据机床结构建立机床运动变换链，再采用数值 方法和全微分方法计算刀位源文件中其他刀位点对应的机床各轴运 动量，进而获得数控机代码。本发明为工艺人员提供一种适合于各种 机床结构的通用后置方法，减少了人工推导计算公式的环节，有利于 提高后置处理的速度和效率。

实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下：

一种多轴数控机床通用后置处理方法，包含如下步骤：

(一)根据机床结构建立机床运动变换链，机床运动链包括刀具到 机床运动链Q_MT和工件到机床运动链Q_WM，刀具刀位点方 向矢量和位置经运动变换得到工件上加工点的方向矢量和 位置信息；

(二)根据步骤(一)中所建立的机床运动变换链，建立从刀具 到工件的变换矩阵Q_WT；

(三)输入初始刀位点CL₁的机床各平动轴运动坐标Δ₁；

(四)计算出初始刀位点CL₁后续的各刀位点CL_i+1的平动轴运动 坐标Δ_i+1，具体为：

1.输入刀位点CL_i+1的位置矩阵该矩阵表明该刀位点的位 置坐标。第一次进入步骤(四)中的子步骤(1)时i的取值为1， 其中i＝1，2…，n；

2.设定全微分算法初始迭代条件，即取CL_i+1，1为迭代计算初始刀 位点，通过迭代计算，最终使其与目标刀位点CL_i+1重合，自然，刀 位点CL_i+1，1对应的机床运动坐标与目标刀位点CL_i+1相同，即Δ_i+1，1＝Δ_i(下标中逗号前数值表示第i+1个刀位点，逗号后的数值表示进行第 一次迭代)

3.令k＝1，利用全微分算法对每个刀位点CL_i+1进行迭代计算， 建立第k+1次迭代计算的中间刀位点CL_i+1，k+1与第k次迭代计算的中 间刀位点CL_i+1，k之间机床各平动轴和转动轴的运动坐标增量dΔ_k的关 系，求解出dΔ_k。第一次进入(四)中3时k的取值为1；

4.根据步骤(四)中子步骤(3)得到的机床各平动轴和转动轴 运动坐标增量dΔ_k，求出第k+1次迭代计算的中间刀位点CL_i+1，k+1的 机床运动坐标Δ_i+1，k+1；

5.根据机床运动变换链，通过所述第k+1次迭代计算中间刀位 点CL_i+1，k+1对应的机床运动坐标Δ_i+1，k+1，得到刀位点CL_i+1，k+1对应的位 置矩阵

6.如果第k+1次迭代计算中间刀位点CL_i+1，k+1对应的机床运动 坐标Δ_i+1，k+1对应的位置矩阵与目标刀位点CL_i+1对应的位置矩阵 小于设定的误差δ之内，或者k的值大于设定的迭代次数t，则 此时目标刀位点CL_i+1所对应的机床运动坐标Δ_i+1＝Δ_i+1，k+1，否则，将k 的值增加1，返回步骤(四)中子步骤(3)，，进行再次计算；

(五)判断i的值是否小于n，如果小于n则返回步骤(四)中子

步骤1，将i增加1后继续计算，否则计算结束，输出各刀 位点对应的机床平动轴运动坐标和旋转轴运动坐标。

本发明通过机床结构建立机床运动变换链，根据微分算法求解刀 位源文件中各刀位点对应的机床各轴运动量，得到机床机代码。

本发明所建立的多轴数控机床通用后置处理方法，其有益成果在 于：本发明消除了手工推导方法中机床各轴运动量计算公式的推导环 节，简化了机床后置处理的流程，提高后置处理的速度；本发明消除 了数值处理方法计算时间长，求解精度不稳定的缺点，提高了后置处 理的精度；适用于任意结构多轴机床后置处理，具有求解速度快，求 解精度高的特点。

附图说明：

图1为多轴机床通用后置处理流程图

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

多轴机床通用后置处理方法，包括如下步骤：

(一)对多轴数控机床各运动部件之间相对位置关系进行分析 测量，建立机床运动变换链，机床运动链包括刀具到机床运动链Q_MT和工件到机床运动链T_WM，刀具刀位点方向矢量和位置经运动变换得 到工件上加工点的方向矢量和位置信息，关系如下面方程组所示：

$\left(\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{MW}}{\left(\begin{array}{cc}{U}_W& 0\end{array}\right)}^T=Q_{\mathrm{MT}}{\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 0\end{array}\right)}^T\\ Q_{\mathrm{MW}}{\left(\begin{array}{cc}{P}_W& 1\end{array}\right)}^T=Q_{\mathrm{MT}}{\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 1\end{array}\right)}^T\end{array}\right)$

其中Q_MT是刀具相对于机床床身的变换矩阵，Q_MW是工件相对于 机床床身的变换矩阵。[0010]^T是刀具坐标系中刀位点位置矩阵，[0 001]^T是刀具坐标系中刀位点方向矢量，U_W是工件坐标系中刀位点 位置矩阵，该矢量通过U_X，U_Y，U_Z三个数值分别描述该位置矩阵在 X，Y，Z方向上的分量，P_W是工件坐标系中刀位点方向矢量，该矢量通 过P_X，P_Y，P_Z三个数值表示该方向矢量在X，Y，Z方向上的分量。

具体实现步骤如下：

1.建立刀具到机床运动链的变换矩阵Q_MT，该变换矩阵计算公式 如下：

Q_MT＝Q_M，n×…×Q_i，j×…Q_1，T

其中Q_M，n是刀具到机床运动链中第n个运动部件到机床床身的 运动变换矩阵，Q_i，j是刀具到机床运动链中第j个运动部件到第i个 运动部件的运动变换矩阵，Q_1，T是刀具到机床运动链中刀具到第1个 运动链的变换矩阵，上述Q_M，n、Q_i，j和Q_1，T三类变换矩阵反映机床 不同运动部件相对位置关系，该类矩阵可以通过机床运动模型导出。

2.建立从工件到机床运动链的变换矩阵Q_MW，该变换矩阵计算公 式如下：

Q_MW＝Q_M，n×…×Q_i，j×…Q_1，W

其中Q_M，n是工件到机床运动链中第n个运动部件到机床床身的 运动变换矩阵，Q_i，j是工件到机床运动链中第j个运动部件到第i个 运动部件的运动变换矩阵，Q_1，W是工件到机床运动链中刀具到第1 个运动链的变换矩阵。

上述Q_M，n、Q_i，j和Q_1，W三类变换矩阵反映机床不同运动部件相 对位置关系，该类矩阵可以通过机床运动模型导出。

3.将1和2步骤中得到的从刀具到机床运动链的变换矩阵Q_MT和从工件到机床运动链的变换矩阵Q_MW带入如下方程组：

$\left(\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{MW}}{\left(\begin{array}{cc}{U}_W& 0\end{array}\right)}^T=Q_{\mathrm{MT}}{\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 0\end{array}\right)}^T\\ Q_{\mathrm{MW}}{\left(\begin{array}{cc}{P}_W& 1\end{array}\right)}^T=Q_{\mathrm{MT}}{\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 1\end{array}\right)}^T\end{array}\right)$

即可建立机床运动变换链。

(二)根据(一)中所建立的机床运动变换链，可以建立从刀具 到工件的变换矩阵Q_WT：

Q_WT＝Q_MW^-1×Q_MT

Q_MW^-1为(一)中所建立的工件相对于机床床身的变换矩阵的逆 矩阵，而Q_MT为(一)中所建立的刀具相对于机床床身的变换矩阵。

(三)输入初始刀位点CL₁的机床各平动轴运动坐标Δ₁。

(四)计算出刀位点CL_i+1的平动轴运动坐标Δ_i+1：

1.输入刀位点CL_i+1的位置矩阵该矩阵表明该刀位点的位 置坐标。第一次进入(四)时i的取值为1，其中i＝1，2…，n；

2.设定全微分算法初始迭代条件，取CL_i+1，1为迭代计算初始刀 位点，通过迭代计算，最终使其与目标刀位点CL_i+1重合，自然，刀 位点CL_i+1，1对应的机床运动坐标与目标刀位点CL_i+1相同，即 Δ_i+1，i＝Δ_i；

3.根据全微分方法，可以建立第k+1次迭代计算中间刀位点 CL_i+1，k+1与第k次迭代计算中间刀位点CL_i+1，k之间机床各平动轴和转 动轴运动坐标增量dΔ_k的关系，求解出dΔ_k。第一次进入(四)中3 时k的取值为1；

4.根据(四)中3得到的机床各平动轴和转动轴运动坐标增量 dΔ_k，即可求出第k+1次迭代计算中间刀位点CL_i+1，k+1的机床运动坐 标Δ_i+1，k+1；

5.根据机床运动变换链，通过第k+1次迭代计算中间刀位点 CL_i+1，k+1对应的机床运动坐标Δ_i+1，k+1，得到刀位点CL_i+1，k+1对应的位置 矩阵

6.如果第k+1次迭代计算中间刀位点CL_i+1，k+1对应的机床运动坐 标对Δ_i+1，k+1应的位置矩阵与目标刀位点CL_i+1对应的位置矩阵 小于设定的误差δ(如1e-3)之内，或者k的值大于设定的迭代 次数t(如10000)，则此时目标刀位点CL_i+1所对应的机床运动坐标 Δ_i+1＝Δ_i+1，k+1，否则，返回(六)中，将k的值增加1，再次计算。

上述1-6步骤如图2所示，其中虚线框内的内容为(四)步骤中 的输入量，而实线框内的内容则对应1-6步骤。

(五)判断i的值是否小于n，如果小于n则返回(四)中，将 i增加1后继续计算，否则计算结束，输出各刀位点对应的机床平动 轴运动坐标和旋转轴运动坐标。

整体流程图如图1表示。