五轴加工中心后置处理算法

五轴加工中心后置处理算法

1. 加工坐标系与编程坐标系

在三轴加工中心，加工坐标系和编程坐标系是同一概念，没有区别。对于五轴联动加工中心，如果加工中心控制系统不具有RTCP功能，则加工坐标系（即NC程序所用的坐标系）原点一般只能置于工作台的旋转中心商；编程坐标系（即到位文件所用的坐标系）原点为了编程方便，通常位于工件上，与五轴加工中心无关，故又称为工件坐标系。如图3所示，带M下标的是加工坐标系，其原点置于工作台上表面中心：带P下标的是编程坐标系：其原点置于工件上表面中心。工件在工作台上装夹位置可以随意。初始状态下，操作者除了通过对到找到加工坐标系原点，还要得出编程坐标系原点在加工坐标系中的坐标，以备后置处理程序使用。

2.A. C角的计算

假设从到位文件中读入任一行记录的刀轴向量为[i0,j0,k0],则A、C角与这个向量有关。为了计算简便起见，假设工件不动，刀具轴分别经过A轴旋转和C轴旋转这两步后与[i0,j0,k0]一致。A角的取值范围应为[-120,0],C角的取值范围限定在[0,360]。

3.2.1刀具轴线进行A轴旋转

如图4所示，—刀具轴初始单位向量即[0,0,1],一绕X轴顺时针旋转A角后的向量，一绕Z轴逆时针旋转C角后的向量即[i0, j0,k0]。显然，与的夹角（即A的绝对值）等于与的夹角，因此有：

 A=arccosk0                         (1)

3.刀具轴再进行C轴旋转

容易得到如下的公式：

i0＞0， j0≥0时：C=270+arctan(j0/ i0)  （2）

i0≤0， j0＞0时：C=-arctan( i0/j0)     （3）

i0＜0，j0≤0时：C=90+arctan(j0/ i0 )   （4）

i0≥0，j0＜0时：C=180-arctan(i0/j0 )    ( 5)

4.RTCP的实现

RTCP功能的实现，分为以下两步：加工坐标系始终固定在工作台上表面旋转中心，编程坐标系和刀轨跟随工件进行C轴旋转运动（即相对工件静止），此时进行刀轨坐标从编程坐标系向加工坐标系的转换运算；接着进行A轴旋转，刀位点将偏离原来的位置，此时对该偏置进行补偿运算。

5.C轴旋转的坐标转换

编程坐标系跟随工件旋转了C角，如图5所示。假设在图3初始状态下，编程坐标系原点在加工坐标系中的坐标为[x0 ，y0，Z0] ,经过C角旋转后的坐标为[x1，y1，Z1]。从刀位文件中读入任一行记录的刀轨坐标为[x2， y2，Z2]，从编程坐标系转换到加工坐标系的坐标为[x3，y3，Z3]。则有如下的

6. A轴旋转偏置的补偿

主轴绕X轴顺时针旋转了A角（A为负值），如图所示。假设摆头总摆长为L，其等于摆头旋转点到主轴断面的距离（本加工中心为425.35mm）加上主轴断面到刀位点的距离，则由于A轴旋转造成的刀位点[X4,y4 ,Z4] 公式如下：

[X4,y4 ,Z4]=[ 0 LsinA  L(1-cos A)]      (8)

为了让刀位点在A轴旋转后回到原来的点，则读入的刀轨坐标最终经过RTCP补偿的坐标[x ,y, z]为：

[x ,y, z]=[ X3  y 3  Z3]- [X4  y 4  Z4]   (9)

7. C轴最短距离旋转的实现

在一般情况下，五轴联动加工中心的两个旋转轴中：一个旋转轴不能360°任意旋转，只能在一定的范围内旋转，比如上述A轴，旋转特性与线性轴一样，不存在最短距离旋转的问题：另一个旋转轴可以360°任意旋转，比如上述C轴，刀具绕Z轴既可以顺时针旋转到目标位置，也可以逆时针旋转到目标位置，因此存在最短距离旋转的问题。在五轴联动加工中，360°旋转的那个轴必须具有最短距离旋转功能。一些高级五轴加工中心控制系统具有最短距离旋转的指令，比如海德汉iTNC530的M126指令。机床控制系统没有内置的最短距离旋转的指令，因此后置处理程序还要能够实现C轴最短距离旋转功能。如上所述，C轴旋转特性为EIA (360°绝对)，即C转角的正负号定义旋转方向（正号逆时针旋转，符号顺时针旋转），C角的绝对值定义绝对位置。3.2.3计算出来的C角显然只确定了刀具轴从初始向量[0,0，1]绕Z轴旋转到达的绝对目标位置，没有考虑相对于上一个C角的旋转方向。因此，2.计算出来的C转角必须经过符号处理，以确保最短距离旋转方向。假设从刀位文件中读入本行记录由3.2计算出来的C转角为C2，经过符号处理后变为C3.读入上一行记录计算并经过符号处理的C转角位C1，则容易有如下的公式：

    0≤C2-︱C1︱＜180时：C3=C2         ( 10)

    C2-︱C1︱≥180时，C3=-C2                   ( 11)

    C≤C1-︱C2︱＜180时：C3=-C2       ( 12)

︱C1︱-C2≥180时：C3=C2                   ( 13)    

8后置处理程序

后置处理的过程原则上是一个解释执行的过程，即读入刀位文件中的一个完整的记录（行），然后根据上述算法进行坐标变换与文件代码转换，生成一个完整的数控程序段，直到整个刀位文件结束，输出一个NC程序文件。后置处理程序的流程，如图所示。后置处理程序在其运行前必须输入初始状态数据，如图所示。其中，刀具长度指刀位点到主轴端面的距离。这些数据又操作者测得，即后处理生成NC程序必须在工件、刀具装夹完成后进行。