帶回轉(zhuǎn) 傾斜工作臺(tái)5坐標(biāo)數(shù)控銑床后處理(共13頁(yè))

1、浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 外文翻譯 畢業(yè)設(shè)計(jì)(b y sh j)（論文）譯文(ywn)及原稿譯文題目：帶回轉(zhuǎn)/傾斜工作臺(tái)5坐標(biāo)數(shù)控銑床后處理原稿題目：NC post-processor for 5-axis milling machine of table-rotating/tilting type原稿出處：Journal of Materials Processing Technology 130131 (2002) 641646帶回轉(zhuǎn)(huzhun)/傾斜工作臺(tái)5坐標(biāo)數(shù)控銑床后處理 摘要(zhiyo)：自由曲面，三軸以上機(jī)械加工時(shí)，需要CAD/CAM系統(tǒng)(xtng)為刀具提供定

2、位和走向的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)按照工件坐標(biāo)系定義以后，它們需要轉(zhuǎn)換成基于機(jī)床坐標(biāo)系的機(jī)加工控制指令，這一從頭尾的轉(zhuǎn)換過程就叫做數(shù)控代碼的后置處理。大多數(shù)商業(yè)化的CAD/CAM軟件廠商可以為每一種5坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床提供這種后處理。然而，由于旋轉(zhuǎn)軸存在非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)極限，；在逆向加工過程中這種處理可能導(dǎo)致一些錯(cuò)誤操作。本項(xiàng)工作為典型的工作臺(tái)回轉(zhuǎn)/翻轉(zhuǎn)類5坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床后處理提出了高效率的計(jì)算準(zhǔn)則。第一項(xiàng)準(zhǔn)則是避免逆向加工過程中工件和機(jī)床刀具產(chǎn)生沖突。第二項(xiàng)是提供較好的加工路徑，使加工過程中需要較少的逆向加工。關(guān)鍵詞：數(shù)控；后處理；翻轉(zhuǎn)；逆向加工；CAD/CAM1 引言為提高加工效率和表面質(zhì)量，5坐標(biāo)數(shù)控銑床廣泛采

3、用先進(jìn)技術(shù)用于加工航空航天，汽車，沖模/模具等制造業(yè)工業(yè)領(lǐng)域里有價(jià)值的復(fù)雜3D曲面。機(jī)械加工具有三個(gè)以上自由度的自由曲面需要CAD/CAM系統(tǒng)為刀具提供定位和路徑的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)按照工件坐標(biāo)系定義以后，它們需要轉(zhuǎn)換成基于機(jī)床坐標(biāo)系的機(jī)加工控制指令，這一從頭到位的轉(zhuǎn)換過程就叫做數(shù)控代碼的后置處理。與機(jī)械手相似，它是可以通過坐標(biāo)系在機(jī)械零件上一系列相互協(xié)調(diào)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。各種各樣的研究都致力于為機(jī)床工業(yè)解決并發(fā)展后處理問題。Sakamoto 和 Inasaki1按照結(jié)構(gòu)布局把5坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床分為三類。Lee 和She 2通過分析得到逆運(yùn)動(dòng)的解析方程從而得到數(shù)控代碼的模型。Sakamoto和Inasak

4、i.Suhetal. 3提出5坐標(biāo)機(jī)床聯(lián)動(dòng)的計(jì)劃。Kruth 和 Kelwais 4提出通過數(shù)控代碼模擬來(lái)緩和刀具自由定位產(chǎn)生的沖突，這也就是后處理。5坐標(biāo)機(jī)床至少有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸具有運(yùn)行限制。任何后處理器能夠處理運(yùn)行極限但并不適用于上述問題。大多數(shù)的CAD/CAM軟件商能夠?yàn)?軸加工產(chǎn)生走刀路徑的數(shù)據(jù)，并為若干種5軸機(jī)床提供這種后處理器。然而，由于旋轉(zhuǎn)軸存在非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)極限，在逆向加工過程中這種處理可能導(dǎo)致一些錯(cuò)誤操作。本項(xiàng)工作致力于開發(fā)一種高效的運(yùn)算法則，用于典型的帶回轉(zhuǎn)/翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)5軸數(shù)控銑床（TRT）后處理器，這一銑床被廣泛的應(yīng)用于加工中小尺寸的零件。2 五軸銑床(xchung)的后處理過程

5、2.1 五軸銑床(xchung)的分類雖然按照刀具運(yùn)動(dòng)所具有的五個(gè)自由度（DOF）可以有很多類型，但是按照結(jié)構(gòu)(jigu)布局可以把五軸銑床分為三種基本類型1如圖1所示。圖1所示a類銑床主軸具有X,Y和Z三個(gè)方向移動(dòng)的自由度，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)具有兩個(gè)繞A和C兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。這類銑床被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)樗梢杂蓛H在3軸銑床工作臺(tái)上增加一回轉(zhuǎn)/翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度。這類銑床主要優(yōu)點(diǎn)敘述如下，主軸不再傾斜，所承擔(dān)的負(fù)荷比其他任何類型的都要小，此外，工作臺(tái)可繞C軸旋轉(zhuǎn)，這類銑床可較好的加工圓弧和外形輪廓線。b類銑床銑刀桿具有五個(gè)自由度，其中三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)自由度，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。這類銑床優(yōu)點(diǎn)是不需要工作

6、臺(tái)回轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)，適合加工大宗笨重的工件。c類銑床銑刀軸具有3個(gè)直線移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，工作臺(tái)具有一轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。適用范圍與a類差不多，廣泛的用于加工中小型沖模/模具業(yè)零件。（a）工作臺(tái)回轉(zhuǎn)(huzhun)/翻轉(zhuǎn)式類 (b)主軸(zhzhu)回轉(zhuǎn)/翻轉(zhuǎn)式 (c)工作臺(tái)/主軸(zhzhu)傾斜式圖1 五軸數(shù)控銑床分類2.2 TRT機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 5軸機(jī)床從CAD/CAM系統(tǒng)取得的刀位數(shù)據(jù)是切削刀位置和取向數(shù)據(jù)，如圖2所示，定義工件坐標(biāo)系如下：P=x y z （1）N=i j k （2） 其中P表示圓頭槽銑刀半球狀部分中心點(diǎn)的位置，N表示刀具的走向失量。圖2 5軸銑床圓頭槽銑刀到位數(shù)據(jù)圖3 TRT類

7、5軸機(jī)床(jchung)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于5軸數(shù)控銑床來(lái)說(shuō)，輸入到機(jī)床控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的數(shù)據(jù)是定義在機(jī)床坐標(biāo)系上的，而不是定義在工件坐標(biāo)系上的刀位數(shù)據(jù)。圖3顯示出典型TRT類機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型，也就是這項(xiàng)研究的目標(biāo)。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)數(shù)控銑床而言X,Y,Z三坐標(biāo)軸與主軸傳動(dòng)軸中的移動(dòng)軸平行。對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而言，A軸和C軸自行旋轉(zhuǎn)的正方向是分別沿著X和Z軸的負(fù)方向看過去。工件坐標(biāo)系位原點(diǎn)于工作臺(tái)中心，和機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)在Dy和Dz方向有一定偏移。刀位數(shù)據(jù)是定義在工件(gngjin)坐標(biāo)系上的，為了用它計(jì)算出機(jī)床控制指令中的TX TY TZ X Y Z ，在某些連接處我們額外定義了一些坐標(biāo)系 x y

8、z i j k ，如圖4所示。圖中XwYwZw坐標(biāo)系是為了定義工件坐標(biāo)系而定義的，認(rèn)為他是固定不變的全球性坐標(biāo)系。坐標(biāo)系XAYAZA是由工件坐標(biāo)系在連接點(diǎn)繞Zw軸旋轉(zhuǎn)C角度得到的。XBYBZB坐標(biāo)系是坐標(biāo)系沿YA軸負(fù)方向移動(dòng)DY，在ZA軸正方向移動(dòng)DZ得到的。XCYCZC是坐標(biāo)系，由機(jī)床坐標(biāo)系繞XB軸旋轉(zhuǎn)A得到。XTYTZT是刀具坐標(biāo)系，沿坐標(biāo)系在XC坐標(biāo)軸移動(dòng)TX，沿YC軸移動(dòng)TY+DY,沿ZC軸移動(dòng)TZ-DZ得到。TX, TY,和TZ是刀具中心相對(duì)于工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置。圖4 坐標(biāo)系變換(binhun)矩陣2.3 機(jī)床坐標(biāo)(zubio)的計(jì)算從CAD/CAM系統(tǒng)得到的刀位數(shù)據(jù)是刀具的位置和

9、走向，它是定義在工件坐標(biāo)系的。而TRT類5軸數(shù)控銑床的銑刀軸與機(jī)床坐標(biāo)系的Z軸平行。因此，5個(gè)需要(xyo)計(jì)算出的輸入數(shù)據(jù)中，有三個(gè)主軸的直線運(yùn)動(dòng)（分別是TX, TY, 和 TZ)，和兩個(gè)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)（是A 和 C）。這些數(shù)據(jù)必須向CL數(shù)據(jù)一樣，在工件上出同樣的刀具的位置和走向。因此，輸入的數(shù)據(jù)由表示刀具位置和走向的刀具坐標(biāo)系決定，這一坐標(biāo)系是根據(jù)工件坐標(biāo)系定義，所輸入的數(shù)據(jù)與已知的CL數(shù)據(jù)所表示的刀具位置和走向必須一致。公式3表示同一坐標(biāo)系的乘法矩陣變換5。公式4表示由公式3和已知位置CL數(shù)據(jù)計(jì)算出的方向向量i,j,k，公式5表示由公式3和已知方向CL數(shù)據(jù)計(jì)算出的刀位數(shù)據(jù)x,y,z: (3

10、) (4) (5)式中T表示(biosh)從上部字母坐標(biāo)系到下部字母坐標(biāo)系變化的變換矩陣，W表示工件坐標(biāo)系，T表示刀具坐標(biāo)系，A，B和C表示每一連接點(diǎn)處的坐標(biāo)系。公式4和5中A, C, TX, TY, TZ定義(dngy)如下： （6） （7） （8） （9） （10） 由公式6可以看出(kn ch)，A可以去兩個(gè)CL值。這表明，如果變化在機(jī)床的操作極限內(nèi)，TRT類機(jī)床的工作臺(tái)可以做出兩個(gè)動(dòng)作，使得刀具實(shí)際走向與CL 數(shù)據(jù)信息所反映的走向一致。3 高效率的后處理算法 盡管以前的后處理算式可以計(jì)算出機(jī)床控制命令的數(shù)控代碼，但是這些代碼在控制5軸機(jī)床運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生 一些意外的麻煩?？紤]到TRT類5

11、軸機(jī)床的特點(diǎn)，本項(xiàng)目中，我們已經(jīng)(y jing)提出一些有效的后處理算法。3.1 逆向加工過程的避免(bmin)沖突的算法 大多數(shù)TRT類5軸機(jī)床A軸具有不對(duì)稱的回轉(zhuǎn)極限。因此，當(dāng)一計(jì)算出的工作臺(tái)取向違反(wifn)了機(jī)床的這一運(yùn)行極限，后處理器不得不選擇另一種對(duì)稱的姿勢(shì)使其與公式6中的A相一致，這就機(jī)床運(yùn)行產(chǎn)生了不連續(xù)性，這一處理過程被稱為反向處理階段。 圖5 相位反向過程的刀具沖突后處理器所計(jì)算的一系列連續(xù)的機(jī)床動(dòng)作我們稱為加工路徑，由公式 (6)，(7)，(8)，(9)和(10)可以看出，在反相處理階段可能產(chǎn)生一些不必要的加工，造成意外的麻煩。比如說(shuō)，在加工過程中，5軸機(jī)床的工作臺(tái)到達(dá)了

12、其回轉(zhuǎn)極限時(shí)如圖5（a）所示，后處理器按圖5（b）計(jì)算工作臺(tái)反向動(dòng)作。在這一過程中工作臺(tái)回轉(zhuǎn)并且傾斜到新的位置，刀具直線的運(yùn)動(dòng)到新的位置，這樣刀具和工作臺(tái)上的工件之間可能產(chǎn)生圖5（b）所示的沖突。圖6 避免刀具沖突(chngt)的反向處理過程為了防止這一問題的出現(xiàn)，反向處理過程中避免沖突，我們提出全面穩(wěn)定(wndng)的計(jì)算法則。在反向操作之初如圖6（a）所示，刀具沿Z軸正方向快速移動(dòng)一段距離，如圖6（b）。然后如圖6（c）所示，為了與逆向加方向與現(xiàn)在對(duì)稱，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)并傾斜。與此同時(shí)，刀具快速移動(dòng)到與X和Y坐標(biāo)值對(duì)稱的位置，如圖6（d）， 而Z的坐標(biāo)值不變。最終，在刀具快速降落d距離后，使其與

13、原加工點(diǎn)對(duì)稱，如圖6（e），然后刀具以一定切屑速度(sd)切入工件，如圖6（f）所示。這一計(jì)算法則的優(yōu)點(diǎn)敘述如下：（1）刀具在工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍外移動(dòng)，避免了與工件沖突。（2）控制刀具，切削速度，計(jì)算管理的大多數(shù)步驟在較高的速度下運(yùn)行，比其他后處理運(yùn)算要快3.2 一需要較少的反向處理階段的運(yùn)算法則 如前所述TRT類機(jī)床可以做出兩個(gè)的動(dòng)作去適應(yīng)CL數(shù)據(jù)中唯一的刀具取向。因此，許多加工路徑有或者沒有反向階段，可能是由每一動(dòng)作連接處的刀具走向決定，刀具走向數(shù)據(jù)來(lái)源于CL文檔。至今為止，反向階段造成時(shí)間的浪費(fèi)，并且使機(jī)械零件的表面加工質(zhì)量降低，大多數(shù)的后處理器是通過在以前(yqin)的加工動(dòng)作中選擇相近的

14、一個(gè)來(lái)制定加工路徑。然而，如果兩個(gè)動(dòng)作都符合CL數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)并且在機(jī)床運(yùn)行極限內(nèi)，這可能保留兩種類型的加工路徑。例如，有兩個(gè)加工路徑（a）和（b），開始的方向分別是A和B，此后的起始動(dòng)作都在機(jī)床A軸的運(yùn)行極限內(nèi)，如圖7所示。因?yàn)椋╞）路徑具有較少的反向處理過程，所以（b）路徑比（a）路徑效率更高。圖7 兩個(gè)(lin )符合CL數(shù)據(jù)(shj)的加工路徑圖8以CL文檔的形式為兩種加工路徑做出了圖表簡(jiǎn)介。圖8中，A路徑需要兩個(gè)反向過程。相反的，B路徑只需要一個(gè)，這比A路徑要好。 為了選擇一個(gè)具有較少反向過程的號(hào)路徑，需要從頭到尾的檢測(cè)每一個(gè)路徑的反向過程數(shù)。在我們提到的算法可以得出，首先具有反向過程

15、的路徑比另一路徑具有的反向過程多。也就是說(shuō)，我們可以在第一個(gè)反向過程出現(xiàn)時(shí)決定哪條路徑是好的，而不用檢測(cè)到每條路徑的末尾，因?yàn)槭紫染哂蟹聪蜻^程的路徑比另一路徑具有的反向過程多。圖8 路徑(ljng)較少的反向處理算法4 結(jié)論(jiln) 這一項(xiàng)目中，我們(w men)為典型的TRT類5軸機(jī)床發(fā)展并論證了一后處理器。這一先進(jìn)的處理器為機(jī)床Heidenhain控制器6提供NC代碼，這一控制器是5軸機(jī)床上應(yīng)用最為廣泛的控制器。我們用典型的5軸機(jī)床加工一輪胎模具，以檢查我們的項(xiàng)目是否能夠消除反向過程的沖突。圖9（a）顯示了應(yīng)用一典型的商業(yè)化后處理器的加工結(jié)果，一圓弧顯示出，加工過程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤，因?yàn)榉?/p>

16、向過程中刀具與工件發(fā)生干涉。圖9（b）為應(yīng)用這一先進(jìn)后處理器的加工結(jié)果，表明整個(gè)加工過程中沒有發(fā)生干涉。（a）通過傳統(tǒng)的后處理器模擬火災(zāi)(huzi)模具 （b）通過改良后的后處理器加工(ji gng)仿真圖9 常規(guī)的模擬(mn)加工比較和開發(fā)的后處理器5 結(jié)束語(yǔ) 5軸數(shù)控機(jī)床廣泛的應(yīng)用于加工復(fù)雜3D形狀，像沖模和模具零件。為加工這類零件，機(jī)床采用CAD/CAM系統(tǒng)而不是手動(dòng)或自動(dòng)編程機(jī)（APT）產(chǎn)生CL代碼，這需要一后處理器將直線移動(dòng)轉(zhuǎn)化為加工控制代碼，他們不開放一些提示和他們的算法程序，這在后處理問題上給工人造成了很多麻煩。TRT類5軸數(shù)控銑床廣泛的應(yīng)用于加工中小型零件，這一項(xiàng)目中我們?yōu)槠浜筇幚砥魈岢隽诵碌倪\(yùn)算法則，敘述如下。第一項(xiàng)準(zhǔn)則是避免逆向加工過程中工件和機(jī)床刀具產(chǎn)生沖突。我們也已經(jīng)通過加工一典型的模具，與應(yīng)用