唐清春，張 健，馬仲亮，劉 謙

(廣西科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,廣西 柳州 545006)

國(guó)產(chǎn)雙擺頭五軸機(jī)床后置處理的研究*

唐清春，張 健，馬仲亮，劉 謙

(廣西科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,廣西 柳州 545006)

文中針對(duì)漢川機(jī)床廠所研發(fā)的XH/2420雙擺頭五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，通過(guò)運(yùn)動(dòng)求解，系統(tǒng)地推導(dǎo)了該機(jī)床的后置處理算法；并通過(guò)變換刀長(zhǎng)與擺長(zhǎng)值推導(dǎo)出幾種求解方法，基于JAVA平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了該機(jī)床專(zhuān)用后置處理軟件，且通過(guò)VERICUT7.0對(duì)某葉輪仿真加工驗(yàn)證了該后置處理算法的正確性以及實(shí)用性。該后置處理器的開(kāi)發(fā)為以后開(kāi)發(fā)同類(lèi)后置處理軟件提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。

五軸聯(lián)動(dòng)加工中心；葉輪 ；JAVA ；后置處理

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)對(duì)制造業(yè)的要求越來(lái)越高，尤其是在航天、航空、船舶、模具以及汽車(chē)等行業(yè)中，對(duì)其所要加工零件的復(fù)雜性、精度性、產(chǎn)量性等要求甚為嚴(yán)格，為此，普通三軸機(jī)床已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足新時(shí)代的加工要求，四軸以及五軸機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生[1]。由于所需生產(chǎn)零件的復(fù)雜性，通常采用CAM軟件(UG、Proe、Cimatron等)進(jìn)行自動(dòng)編程，生成其刀位源文件，再通過(guò)后置處理軟件轉(zhuǎn)換為數(shù)控程序。由此可見(jiàn)，后置處理軟件是實(shí)現(xiàn)五軸加工的核心技術(shù),在整個(gè)過(guò)程中起著橋梁作用；對(duì)于五軸雙擺頭機(jī)床后置處理方面的研究，國(guó)外已經(jīng)做成專(zhuān)業(yè)化的后置處理軟件。目前我國(guó)在后置處理方面正處在起步階段，基本上是基于通用CAM軟件內(nèi)部平臺(tái)做一些二次開(kāi)發(fā)，此類(lèi)通用后置處理軟件具有如下不足：①不能隨時(shí)調(diào)整刀長(zhǎng)值、擺長(zhǎng)值處理數(shù)控程序；②對(duì)影響表面質(zhì)量的非線性誤差不能控制；③不具有動(dòng)態(tài)速度補(bǔ)償功能。為解決以前使用過(guò)程中的缺陷問(wèn)題，本文以漢川機(jī)床廠研發(fā)的XH/2420雙擺頭五軸機(jī)床為案例，基于JAVA高級(jí)語(yǔ)言平臺(tái)，相對(duì)于通用軟件獨(dú)立開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足機(jī)床的多種使用場(chǎng)合。

1 XH/2420(A-C)式五軸機(jī)床后置處理算法

1.1 XH/2420后置處理基本算法

圖1 五軸雙擺頭機(jī)床實(shí)物圖

圖2 五軸雙擺頭機(jī)床坐標(biāo)變換簡(jiǎn)圖

刀位位置Rw(wx,wy,wz)和刀位矢量Rv(vi,vj,vk)通過(guò)坐標(biāo)平移及旋轉(zhuǎn)變換由刀具坐標(biāo)系到工件坐標(biāo)系[3-4]?？傻茫?/p>

(1)

(2)

式(1)、(2)中，有關(guān)運(yùn)動(dòng)變換矩陣為：

展開(kāi)式(1)得：

解得：

αA=LAarccos(vk)LA=(1,-1)

(3)

αC=arctan(vi/vj)-LCπLC=(0,1)

(4)

將結(jié)果αA,αC代入式(2)解得：

湯顯祖是享譽(yù)世界的戲劇大師。今天我們紀(jì)念湯顯祖這位戲劇大師，研討他的創(chuàng)作思想、總結(jié)他的藝術(shù)貢獻(xiàn)，向其創(chuàng)作的偉大文學(xué)經(jīng)典致敬，可以從中發(fā)掘中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化中的改革文化和革故鼎新、推陳出新的精神，從中汲取繼續(xù)前進(jìn)的豐厚養(yǎng)分和力量，大力弘揚(yáng)改革開(kāi)放的時(shí)代精神，推動(dòng)改革再出發(fā)，開(kāi)放再深入，對(duì)于增強(qiáng)民族文化自信、推動(dòng)中華文化傳承發(fā)展、促進(jìn)中外文化交流互鑒，具有重要意義。

(5)

1.2XH/2420后置處理變換算法

本文跟據(jù)刀長(zhǎng)、擺長(zhǎng)是否參加計(jì)算，推導(dǎo)出以下幾種變換算法：

(1)刀長(zhǎng)與擺長(zhǎng)均參與后置處理算法計(jì)算；

控制刀長(zhǎng)、擺長(zhǎng)是否參加計(jì)算與機(jī)床的擺角A、C無(wú)關(guān)，只改變X、Y、Z值。選擇此算法時(shí)，應(yīng)將預(yù)先計(jì)算好的刀長(zhǎng)值H與擺長(zhǎng)值K之和賦給式(5) 中的L，進(jìn)而參加后置處理計(jì)算。采用該算法時(shí)機(jī)床系統(tǒng)不必再考慮刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償問(wèn)題。故算法(1)也為后置處理的基本算法。

(2)只有刀長(zhǎng)參加后置處理算法計(jì)算 ；

選擇此算法時(shí)，應(yīng)將刀長(zhǎng)值H賦給基本算法中的L，以參加后置處理計(jì)算，得到的計(jì)算公式如式(6)所示，稱(chēng)此算法為算法(2)。該算法須在數(shù)控系統(tǒng)加載擺長(zhǎng)。

(6)

選擇此算法時(shí)，應(yīng)將0賦給基本算法的L，以參加后置處理計(jì)算，該方法須在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部加載刀長(zhǎng)及擺動(dòng)半徑值；.變換后的后置處理計(jì)算公式如式(7)，后置處理時(shí)只完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，其余由機(jī)床自身通過(guò)刀長(zhǎng)及擺動(dòng)半徑值自動(dòng)加載計(jì)算。采用該方法，在刀具磨損時(shí)容易調(diào)整，只需修改機(jī)床刀長(zhǎng)補(bǔ)償值即可，但不能實(shí)現(xiàn)非線性誤差補(bǔ)償。該方法為算法(3)。

(7)

2 XH/2420后置處理實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

2.1 XH/2420后置處理實(shí)現(xiàn)

XH/2420(A-C)式機(jī)床屬于龍門(mén)式五軸雙擺頭機(jī)床，該機(jī)床配有Siemens 840D數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有長(zhǎng)度補(bǔ)償功能。跟據(jù)上述三種不同的后置處理算法，結(jié)合JAVA語(yǔ)言后對(duì)置處理軟件進(jìn)行編寫(xiě)[5]，以某葉輪流道粗加工為例。使用上述三種后置處理算法編寫(xiě)成的軟件分別對(duì)同一流道粗加工程序進(jìn)行處理。經(jīng)處理后的程序如圖3、4、5所示。

如圖1經(jīng)為經(jīng)過(guò)算法(1)得到的數(shù)控程序，可以發(fā)現(xiàn)左端數(shù)控程序的X、Y、Z值與其它兩個(gè)數(shù)控程序的數(shù)值不同，而A、C角值均不變，且圖3中缺少N6 CYCLE832(0.035,102101)這一行，這是因?yàn)樗惴?1)是采用刀長(zhǎng)加擺長(zhǎng)均參加算法計(jì)算，所以不用CYCLE832命令控制機(jī)床自動(dòng)加載擺長(zhǎng)與刀長(zhǎng)值計(jì)算。圖4為經(jīng)過(guò)算法(2)得到的數(shù)控程序，采用CYCLE832命令自動(dòng)加載機(jī)床內(nèi)部設(shè)置好的擺長(zhǎng)值進(jìn)行計(jì)算。圖5為經(jīng)過(guò)算法(3)得到的數(shù)控程序，采用CYCLE832命令自動(dòng)加載機(jī)床內(nèi)部設(shè)置好的擺長(zhǎng)值與刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值H進(jìn)行計(jì)算。由式(4)、(5)可知，計(jì)算A、C角與刀長(zhǎng)值擺長(zhǎng)值無(wú)關(guān)，所以不管采用那種后置處理算法旋轉(zhuǎn)角的數(shù)值不變，X、Y、Z值變化。

2.2 XH/2420后置處理軟件驗(yàn)證

本文以某特型零件葉輪仿真切削來(lái)驗(yàn)證XH/2420后置處理軟件。仿真加工主要采用VERICUT 7.0對(duì)同一流道采用三種算法進(jìn)行模擬加工對(duì)比，以驗(yàn)證算法的正確性。

2.2.1 流道加工對(duì)比

VERICUT 7.0中的機(jī)床模型完全按照真實(shí)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)置，仿真切削后的效果圖如圖6、7、8所示。根據(jù)切削效果對(duì)比，三種切削結(jié)果完全一致，驗(yàn)證了三種后置處理算法均滿(mǎn)足加工要求，為實(shí)際加工零件提供了多種選擇方式。

分別采用三種方法對(duì)整體葉輪的葉片、流道進(jìn)行模擬切削加工，加工后的葉輪無(wú)過(guò)切、干涉等現(xiàn)象，曲面及過(guò)渡圓角表面較光滑。經(jīng)殘留值檢測(cè)，符合實(shí)際加工要求。仿真后的實(shí)物圖如圖9所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)XH/2420五軸雙擺頭機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出該機(jī)床的后置處理算法，根據(jù)改變刀長(zhǎng)值、擺長(zhǎng)值等多種工況，演化出多種求解方法.雖然該后置處理軟件沒(méi)有國(guó)外成熟的專(zhuān)業(yè)化后置處理軟件功能強(qiáng)大，但是經(jīng)濟(jì)實(shí)用。國(guó)內(nèi)對(duì)五軸雙擺頭機(jī)床后置處理也進(jìn)行了一定的研究，上海交通大學(xué)的鄭焱在文獻(xiàn)[6]中采用基本后置處理算法開(kāi)發(fā)出一款五軸雙擺頭后置處理軟件，雖然該款軟件能實(shí)現(xiàn)后置處理的基本轉(zhuǎn)換，但是它只適用于單一工況的轉(zhuǎn)換，不能解決多工況問(wèn)題。本軟件可在不同工況下使用不同的后置處理算法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，解決了在實(shí)際加工過(guò)程中遇到的多工況問(wèn)題，同時(shí)也為以后開(kāi)發(fā)同類(lèi)后置處理軟件奠定了一定的基礎(chǔ)。

[1] 周瑩君. 基于UG NX的5軸聯(lián)動(dòng)高速銑削加工中心后置處理軟件的研發(fā)[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2005.

[2] 李永橋，陳強(qiáng)，諶永祥. 五軸數(shù)控機(jī)床通用坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)變換及求解方法的研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010(10):4-5.

[3] 趙世田，孫殿柱，孫肖霞.基UGPOST五軸聯(lián)動(dòng)加工中心專(zhuān)用后置處理器的研發(fā)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2006(1):26-29.

[4] 唐清春，吳漢夫.基于CimatronE的四軸后置處理軟件開(kāi)發(fā)[J].設(shè)計(jì)與研究，2010(6)：15-17.

[5] 趙真. Eclipse開(kāi)發(fā)技術(shù)詳解[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[6] 鄭焱. 復(fù)雜曲面五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的進(jìn)給率規(guī)劃[D]. 上海：上海交通大學(xué),2011.

(編輯 趙蓉)

Study on the Post Processing of the Domestic Double Swing Head of Five-axis Machines

TANG Qing-chun,ZHANG Jian,MA Zhong-liang,LIU Qian

(Engineering Training Center,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou Guangxi 545006,China)

According to the XH/2420 that double swing head of five-axis linkage machining center developed by Han Chuan Machine Tool Works, the paper systematically derived the post processing algorithms of this machine through movement solving and several solving methods by transforming the values of tool length and pendulum length, based on JAVA platform, developed a special post processing software for the machine, machining simulation of an impeller through VERICUT7.0 verities the correctness and practicality of the post processing algorithm and also this postprocessor’s development provides a certain amount of experience for the future of the development of similar post processing software.

five-axis linkage machining center; impelle; JAVA;post processing

1001-2265(2014)04-0035-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.04.009

2013-07-08；

2013-09-06

柳州市應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題：多功能五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床后置處理軟件開(kāi)發(fā)(2011C030107)

唐清春(1972—), 男， 四川綿竹人，廣西科技大學(xué)副教授，碩士，研究方向?yàn)槎噍S數(shù)控機(jī)床的加工與開(kāi)發(fā)，(E-mail)gxtangqingchun@163.com。

TH164;TG659

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