[doc] 五轴数控机床后处理程序和软件开发

[doc] 五轴数控机床后处理程序和软件开发 五轴数控机床后处理程序和软件开发 五轴数控机床后处理程序和软件开发 茂名市交通技工学校(广东525000)李全 近几年来,数控加工发展较快,多轴数控加工中心 正在得到广泛的应用.我们大多使用MasterCAM或UG 进行编程,它只能生成三,四轴的加工程序,或者生成 一 种极少用的五轴机床的程序,其他类型的五轴机床的 加工程序,则需要专业公司为我们进行定制后处理. 因为五轴加工中心有许多种形式,有立式的,卧式 的;有的第五轴是A轴,有的第五轴是轴;有的是工 作台翻转,有的是主轴头翻转;不同的机床四,五轴的 行程也不同;生产厂家也不少,所以,几乎每一台五轴 加工中心的五轴后处理程序或后处理软件都需要量身订 造,那么成本是很高的.一般的软件报价都在几万元以 上,显然五轴加工软件的价格也不会低,这对于一些并不 以五轴加工为主的企业来说,投入太大了.因此,自制五 轴加工后处理程序或软件就成了一个亟待解决的课题. 而后处理或软件重要内容之一就是将计算出的刀位 轨迹数据转换为数控加工程序,因此,研究这一过程的 数学模型,编制更为有效的后处理程序就显得非常重 要.本文的目的是建立相应数学模型,并将其切实地应 用到生产实际中.下面用MasterCAM的刀路文件为例对 后处理的定制进行说明,UG也极其相似. 一 ,刀具轨迹nci及cls文件 在MasterCAM系统中,按规定均视工件不动,而由 刀具运动来完成加工动作,经过处理可得到一个不针对 具体机床的中性刀位文件.刀位原文件以nci为扩展名, 称为nci文件.nci文件是ASCII码文件,集中了加工所 需的刀具信息,工艺信息及其他参数信息. nci文件由若干个模块组成,按照生成NC程序的结 构要求,可分成起始模块,工艺参数模块,运动模块和 结束模块.每个模块由一至多个信息块组成,信息按两 行排列,第一行是操作行,用简单的数字表示操作类 型,如直线运动,圆弧运动,孔加工循环等;第二行是 瞄?!!塑 WWW.meta|Working1950.com 参磊工冷加工 数据行,包含了定义操作所需的信息.其中最主要的是 运动模块,在多轴加工中,是由设计工件坐标系的, l,,z和刀轴矢量i,,两大方面构成,如附表所示: X,Y,Z坐标刀具点的刀轴矢量 一 0—3l_23642.5O一0.866O.5 UG的cls文件也是一样(前三项,1,,z坐标, 后三项是刀轴矢量) PAINT/COLOR,31 GOTO/O.0(3OO,1.0768,39.3140,0.5773503,0.5773503, O.5773503 后处理就是把设计工件坐标系两大方面的内容转变 为机床加工坐标系坐标值. 二,五轴数控加工中心结构 尽管五轴数控机床的结构千变万化,但是按照其结 构特点的不同可分为四大类:?双摆头机床(见图1). ?摆头及转台机床(见图2).?垂直双转台机床(见 图3).?倾斜双转台机床(其中一转动轴与另一转动 轴为45.). 图1双摆头机床图2摆头及转台机床 由于垂直双转台机床的刚性好,而且旋转坐标有足 够的行程范围,工艺性能好,所以,目前大多数加工中 心(五轴联动)都采用这一结构.这里也将以图3所示 的双转台加工中心为例来探讨多轴数控加工数据转换的 建模问题. :. 一黧_,_‰ 图6机床角度分配示意图 这样根据上述过程很容易得到角度变换的数学模型 (1)C角的计算分四种情况 匡c--90蠹o+arctan(4)(~i, …rctan(. A=90.(k=0) A=90~-arctan(一’/i2+/I.) 式中i,.7,——工件坐标系(设计坐标系)下刀轴矢量 根据前述工作台的旋转过程,并且考虑机床结构, 工件装夹情况,坐标变换过程可归纳如下:?首先使工 件坐标系的原点与机床坐标系的原点一致.?工件绕z 轴顺时针旋转c角,坐标变换矩阵为.?工件绕A 轴顺时针旋转A角,坐标变换矩阵为. 上述过程可用数学公式描述为:ym Z 1 =Ti yw Z I 式中,ym,z——机床坐标系下的坐标值 ,yw,Z——工件坐标系(设计坐标系)下 的坐标值 刀轴矢量绕z轴旋转c角,变换矩阵为: 圈呈!堡!曼塑 WWW.metalworking7950.corn 参磊工冷加工 Tl= cosC—sinC00 sinCcosC00 0010 0001 刀轴矢量绕轴旋转角,变换矩阵为: = 10 0cosA 0sinA 00 00 一 sinA0 cosA0 01 rX=icosC+jsinC {Y=一isinCcosA+jcosCcosA4-ksinA Y=一isinCsinA+icosCsinA4-kcosA Xm=X ++ On 图7Z轴存在偏距示意图 当进行四轴数控加工时,只需将上述模型中的A或 c置零即可;三轴数控加工的角度分配和坐标变换为上 述模型A=C=0的情况.这样,可将三,四,五轴数控 加工的数据统一转换到一个数学模型中,便于计算机的 处理.对于其他结构的数控机床,仍按上述过程进行数 学处理. 那么,结构相同的机床,数学模型是一致的,不同 的数控系统的G指令略有不同,只要按要求进行编写就 能正常运行.因编幅有限,这里不详细介绍.所以数学 模型这部分内容基本不变的,自制后处理的专用软件计 算坐标部分即可直接使用,如果有软件自带的Post肯定 也可直接使用.但是很多五轴机床系统的都没有完全按 标准的笛卡尔坐标进行设置旋转,主要是,y方向不 一 样,A,C轴旋转方向和零点也不一样,使工件不能 正常加工.因此,要针对不同的机床坐标系,进行改动 而且需通过验证. 五,标准五轴数控机床坐标系的情况 垂直双转台机床有立式和卧式两种,下面以双转台 机床TaTe9nigh图实例作出说明,并进行验证. 实例:如图8所示正四棱台顶刃加工曲线五轴加 工,上方形边长40ram,起始点如图示位置,逆时针方 向加工,最后又回到起始点. 图8正四棱台顶刃加工曲线五轴加工 1.立式双转台(A,c轴)机床坐标系各坐标正 负号确定 机床坐标系与设计坐标系完全一致的,如图8所 示,确定方法如下:?按右手定则,A角零点与z轴重 合,刀具沿一l,轴转动时A角变大,符号为正.转台方 向与其相反.?把一y方向定为c轴的零点,按右手定 则,刀具沿+轴转动时(逆时针),C角变大,符号 为正.转台方向相反,顺时针变大.?如图由至? 直线移动时A值为正(不变),c=0(不变),l,值为正 (不变),z值为正(不变),值由0变大(注:C角 为0判断B角正负).?由?点向上直线移动时,c变 为90.,y,z,A值不变,x值由负变0,再变正.?逆 时针旋转一周,C角依次为180.,270.,360.. 不考虑进退刀,手工编程如下: N100TlM6 N102GOG54G90S1200M3 N103x0.Y2l_I88?A6O N1O4Z48301 N1o6G1z43.301F300 N108X26.906嗍 N110GOZ58.301 N112X一26.906 Nl14C90 N】】6Z48.301 Nl18G1z43.301F30o N12O)(26.906 N122GOZ58.301 Nl24X一26.906 N126C180 N128Z48.301 Nl3O…… N132C270 N134?????? N136C360 N138M3O 2.立式双转台(B,C轴)机床坐标系各坐标正 负号确定 根据立式坐标确 定原则,机床坐标系 与设计坐标系,轴 方向也相同,加工图9 实例,确定方法如下: ?按右手定则,角 零点与z轴重合,刀 具沿+轴转动变大, 符号为正.转台方向 图9立式B,c轴 标准机床坐标系 与其相反.?也把一方向定为c轴的零点,刀具沿 一 l,轴转动变大(逆时针),符号为正.转台方向相反顺 时针变大.?如图由至?直线移动时值为负,值 为正(不变),z值为正(不变),y值由0变负, C=90..(注:c角为0.判断日角正负)?由?向上直 线移动时,C变为180.,X,Z,B值不变,y值由正变 0,再变负.?逆时针旋转一周,c角依次为0.,90., 180.. 在MasterCAM里只有一个五轴后处理 MPGEN5X.PST,它可以输出c,轴的程序,不过大多 数机床都不适用,因为坐标系变化太大了.在这个后处 理程序中,象前面所述几种类型的机床的数学模型公式 参跏一旺—— 都在程序里,肯定是不用更改,那么只需更改极少内 容,就可以达到效果.下面详细说明一下修改适合TcTa 双转台数控机床的后处理程序的过程. (1)输出旋转坐标轴设定主要轴为c,第二轴为 A: #Assignaxisaddress str_ pri—axis”C” strsec— axis”A” str_ dum— axis’’B.. (2)机床五轴机床构造及运动设置用于对典型的 五轴机床运动方式进行配置,可对工作台双摆动,主轴 头双摆动,主轴摆动及工作台摆动,工作台复合摆动 (回转),主轴复合摆动(回转)等典型五轴机床进行 设置.主轴回转或摆动对应于相应机床,可处于主动轴 或从动轴的形式.双转台机床的配置Mtype应设为0: #Machinerotaryroutinesettings mtype:0#Machinetype(Definebaseandrotationplanebe— low) 掸0=Table/Ib1e #1=TiltHead/Table 舵=Head/Head #3=NutatorTable/Table 槲=NutatorTihHead/Table =NutatorHead/Head (3)旋转轴c矢量平面设置用于设置主动轴的零 点及矢量方向,应该是由一y转到: rotaxisl=vecy#Zero rotdirl=vecx#Direction (4)旋转轴矢量平面设置用于设置从动旋转轴 的零点矢量方向,应该是由z转到一: rotaxis2vecz#Zero rotdir2=vecy#Direction (5)旋转轴中心,偏心设置检查设计坐标系z轴 零点与机床A轴中心是否有偏距: 更改后的后处理程序通过上述的正四棱台顶刃加工 实例进行编程,完全与手工编写的程序吻合,并通过 Vericut仿真和五轴数控机床验证.如果是摆头结构的机 床还需其他方面设置,这里不一一介绍. 盥?2009年第13期 www.meta|working1950.com 参磊工冷加工 六,一个非标准五轴数控机床坐标系的情况 如图10所示的一个非标准 五轴立式垂直双转台立式数控机 床坐标系,三直线轴符合右手法 则,B轴也符合,c轴反向.即 机床坐标系的y+方向为设计坐 标系的轴正向,还是用图8的 实例,确定各轴正负号的方法如图10立式日,c轴 下:?按右手定则,B角零点与非标准机床坐标系 z轴重合,刀具沿+轴转动变大,符号为正.转台方 向与其相反.?也把一方向定为c角的零点,刀具沿 +y轴转动时,C角变大(顺时针),符号为正.转台 方向相反逆时针变大.?如图上述工件由至?直线 移动时B为负值,值为正,z值为正,y值由0变小, 为负值,C=180..?由至直线移动时,c变为90.,y, z,值不变,l,值由正变0,再变为负值.?旋转一 周,C角依次为0.,270.,180.. 后处理的主要参数应该为: #Assignaxisaddress str_ pri— axis”C” str— see— axis”B” str_ dum— axis”A” mtaxisl=vecy#Zero rotdirl=vecx#Direction rotaxis2vecz#Zero rotdir2=vecy#Direction 其实这样参数的后处理与MasterCAM惟一的五轴后 处理MPGEN5X.PST相一致,其他机床坐标系可参照以 上设置. 七,结语 这里通过对多轴数控加工中坐标变换的建模研究, 为NC软件编制提供了相应的数学依据,用实例介绍 MasterCAM五轴后处理进行更改,那么UG或其他的编 程软件的后处理也用同样的办法,在实际加工中是十分 有价值的.如果要开发一个单独使用的后处理软件,例 如Fanuc系统rrcTa双工作台加工中心,那么肯定要用到 上述的数学模型等知识,还要熟悉Fanuc系统的各个指 令等其他方面知识.上述内容也指明了软件开发的方 向.MW(收稿日期:20090310)