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五轴加工中心后置处理算法

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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,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:

i00j00时:C=270+arctan(j0/ i0)  2

i00j00时:C=-arctan( i0/j0)     3

i00j00时:C=90+arctan(j0/ i0 )   4

i00j00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 y0Z0] ,经过C角旋转后的坐标为[x1y1Z1]。从刀位文件中读入任一行记录的刀轨坐标为[x2y2Z2],从编程坐标系转换到加工坐标系的坐标为[x3y3Z3]。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iTNC530M126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[0,01]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:

    0C2-︱C1︱<180时:C3=C2         ( 10)

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

    CC1-︱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。