五軸機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸偏置的后置處理算法研究

0旋轉(zhuǎn)軸偏置加工后門處理是將由3d-max軟件生成的刀跟蹤數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有特定規(guī)則的加工代碼，并將其轉(zhuǎn)換為能夠識(shí)別和執(zhí)行數(shù)據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的加工代碼。一般而言,雙擺頭和雙轉(zhuǎn)臺(tái)兩種結(jié)構(gòu)五軸數(shù)控機(jī)床的兩旋轉(zhuǎn)軸軸線是相交的,但是為了節(jié)約制造成本,很多五軸機(jī)床是由三軸或四軸機(jī)床改裝而來(lái)的,即在原有機(jī)床的基礎(chǔ)上增加一到兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。由于結(jié)構(gòu)的限制或者其他原因,改造后的五軸機(jī)床兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的軸線可能并不相交,而成異面狀態(tài)。圖1為A-C轉(zhuǎn)臺(tái)型五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)模型示意圖,其A軸和C軸回轉(zhuǎn)中心存在偏置;圖2為B-C擺頭型五軸五軸機(jī)床主軸示意圖,機(jī)床B軸回轉(zhuǎn)軸線與主軸軸線存在偏置。諸如此類帶有旋轉(zhuǎn)軸偏置的五軸機(jī)床,如果按照傳統(tǒng)的后置處理算法計(jì)算得到NC代碼進(jìn)行加工,必然得不到正確的加工結(jié)果。針對(duì)以上實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題,本文對(duì)后置處理算法做了進(jìn)一步的研究。以A-C雙轉(zhuǎn)臺(tái)型五軸機(jī)床為例,考慮兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)偏置的情況,推導(dǎo)旋轉(zhuǎn)軸偏置的雙轉(zhuǎn)臺(tái)型五軸后置處理的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程,并以國(guó)產(chǎn)CAD/CAM軟件ZW3D為平臺(tái),將算法應(yīng)用到ZWPost中,提供旋轉(zhuǎn)軸偏置值的設(shè)置接口,用來(lái)對(duì)因旋轉(zhuǎn)軸的偏置所帶來(lái)的加工誤差進(jìn)行補(bǔ)償。最后通過(guò)VERICUT仿真驗(yàn)證分析,證明公式推導(dǎo)的正確性。1結(jié)構(gòu)機(jī)床模型針對(duì)A-C轉(zhuǎn)臺(tái)型五軸機(jī)床,考慮兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)偏置,推導(dǎo)其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程。如圖3所示,為A-C轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床模型,旋轉(zhuǎn)軸A、C軸的軸線并不相交,而成異面狀態(tài)。O為了使結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化,采用圖4所示的坐標(biāo)系簡(jiǎn)圖表示上述結(jié)構(gòu)機(jī)床模型。O由于坐標(biāo)系O下面推導(dǎo)刀心點(diǎn)經(jīng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值,即機(jī)床平動(dòng)軸的線性插補(bǔ)量X、Y、Z,將機(jī)床的聯(lián)動(dòng)過(guò)程分解為以下六個(gè)步驟:1)先將坐標(biāo)系O2)工件繞O3)將旋轉(zhuǎn)后的空間立體連同旋轉(zhuǎn)軸一起向回平移,使旋轉(zhuǎn)軸回到原來(lái)的位置,變換矩陣為:4)將坐標(biāo)系O5)工件繞O6)將旋轉(zhuǎn)后的空間立體連同旋轉(zhuǎn)軸一起向回平移,使旋轉(zhuǎn)軸回到原來(lái)的位置,變換矩陣為:則各平動(dòng)軸的插補(bǔ)量為:計(jì)算得出X、Y、Z值為:令:的值由兩部分組成,X2分析與驗(yàn)證2.1旋轉(zhuǎn)軸偏置加工實(shí)驗(yàn)采用時(shí)下最流行的、最具權(quán)威的數(shù)控加工仿真軟件VERICUT對(duì)本文所推導(dǎo)的后置處理算法進(jìn)行驗(yàn)證,加工案例是采用五軸葉輪加工,其刀軌是用國(guó)產(chǎn)CAD/CAM軟件ZW3D計(jì)算生成。在VERICUT中配置一個(gè)AC轉(zhuǎn)臺(tái)型五軸機(jī)床,并配置各旋轉(zhuǎn)軸的偏置值,為了便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比觀察,配置C軸和A軸的偏置值分別為(c用VERICUT中的自動(dòng)比較功能,把加工出來(lái)的零件和設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比較。分別將沒(méi)有引入偏置補(bǔ)償和引入偏置補(bǔ)償后計(jì)算得到的NC代碼加工后的切削模型同設(shè)計(jì)模型對(duì)比,得到的效果如圖5所示,圖中紅色區(qū)域表示過(guò)切,藍(lán)色區(qū)域表示殘留。由上圖可知,用傳統(tǒng)的沒(méi)有偏置補(bǔ)償?shù)暮筇幚硭惴ǖ玫降腘C代碼,在具有旋轉(zhuǎn)軸偏置的數(shù)控機(jī)床上加工時(shí),會(huì)產(chǎn)生較多的過(guò)切和殘留,而用引入偏置補(bǔ)償后的算法計(jì)算得到的NC代碼進(jìn)行加工時(shí),能得到正確的加工模型。由上述仿真結(jié)果可知,文中所推導(dǎo)的后置處理算法是正確的。2.2實(shí)際機(jī)床的后置處理c型本實(shí)驗(yàn)所采用的數(shù)控設(shè)備是帶GSK218數(shù)控系統(tǒng)的A-C轉(zhuǎn)臺(tái)型五軸數(shù)控機(jī)床,實(shí)驗(yàn)加工零件為3.1節(jié)中仿真實(shí)驗(yàn)所用的葉輪模型,毛坯為ф80×60的圓柱。裝夾毛坯后,經(jīng)測(cè)量,機(jī)床A軸旋轉(zhuǎn)中心到工件坐標(biāo)系的偏置為(0,0,-59.793),機(jī)床C軸旋轉(zhuǎn)中心與工件坐標(biāo)系重合,即偏置為(0,0,0),在開(kāi)發(fā)的后置處理器界面中設(shè)定該偏置值,如圖6所示。將刀軌文件用此配置的后置處理得到NC加工代碼,將此NC代碼傳入數(shù)控機(jī)床中,加工得到的葉輪如圖7所示。經(jīng)測(cè)量,加工結(jié)果的尺寸精度、表面的粗糙度均滿足設(shè)計(jì)要求。由此可知,本文公式推導(dǎo)模型是正確的。3基于任意旋轉(zhuǎn)軸偏置和工件的五軸后置處理本文較為深入的研究和分析了五軸后置處理中坐標(biāo)變換的關(guān)鍵技術(shù),針對(duì)五軸機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的偏置問(wèn)題、加工工件偏置裝夾問(wèn)題,研制出了能夠適用于任