唐清春，李科輝，黎國(guó)強(qiáng)

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

MORISEIKI1500S車(chē)銑復(fù)合機(jī)床后置處理算法的研究*

唐清春，李科輝，黎國(guó)強(qiáng)

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

車(chē)銑復(fù)合機(jī)床與傳統(tǒng)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床在結(jié)構(gòu)上有區(qū)別，所控制的軸數(shù)超過(guò)5個(gè)。因此，在開(kāi)發(fā)后置處理過(guò)程當(dāng)中，與傳統(tǒng)的五軸機(jī)床有較大區(qū)別，需要根據(jù)不同的功能來(lái)分析不同的運(yùn)動(dòng)鏈。文章主要以1500S車(chē)銑復(fù)合機(jī)床為例，詳細(xì)介紹該類(lèi)機(jī)床后置處理開(kāi)發(fā)過(guò)程。首先建立MORISEIKI車(chē)銑數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，根據(jù)運(yùn)動(dòng)鏈分析及坐標(biāo)變換，推導(dǎo)出MORISEIKI機(jī)床的轉(zhuǎn)角計(jì)算公式和坐標(biāo)變換公式，分析了回轉(zhuǎn)角在各個(gè)象限的取值；利用JAVA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出MORISEIKI1500S數(shù)控機(jī)床的專(zhuān)用后置處理軟件，并通過(guò)某葉片仿真加工驗(yàn)證了該后置處理算法的正確性。該研究不僅為用戶解決了軟件使用問(wèn)題，也為車(chē)銑復(fù)合類(lèi)多軸機(jī)床提供了后置處理開(kāi)發(fā)思路。

MORISEIKI；車(chē)銑復(fù)合機(jī)床；運(yùn)動(dòng)求解；坐標(biāo)變換；回轉(zhuǎn)角取值

0 引言

數(shù)控后置處理技術(shù)是連接CAD/CAM系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床制造的紐帶。后置處理需根據(jù)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)有針對(duì)性的對(duì)待。因此，不同機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備必須開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的后置處理器。

國(guó)外很多機(jī)床廠商大部分都是采用商業(yè)的后置處理軟件，但是價(jià)格昂貴；國(guó)外學(xué)者一般研究熱點(diǎn)在五軸加工中的刀路優(yōu)化、軌跡平滑過(guò)渡方面，如BeudaertX等[1-2]分析了不連續(xù)的線性軌跡的平滑過(guò)渡問(wèn)題。國(guó)內(nèi)由于基本沒(méi)有成熟的商業(yè)軟件，后置處理基本上是通過(guò)通用軟件平臺(tái)自主開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)后置處理軟件。目前，針對(duì)傳統(tǒng)的三種類(lèi)型的五軸機(jī)床，國(guó)內(nèi)做了很多研究，其中何永紅等[3-5]分析了(A-C)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型，推導(dǎo)出該類(lèi)機(jī)床后置處理數(shù)學(xué)模型。本文作者等[6-7]對(duì)國(guó)產(chǎn)XH/2420雙擺頭(A-C)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，推導(dǎo)出該機(jī)床的后置處理模型并討論了刀長(zhǎng)與擺長(zhǎng)在后置處理中的幾種不同用法。周奎等[8]提出了擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心(A-C)的后置處理算法，并利用VisualC++ 6.0開(kāi)發(fā)出單獨(dú)的后置處理程序，采用仿真軟件進(jìn)行了驗(yàn)證，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的分析，未見(jiàn)有對(duì)車(chē)銑復(fù)合類(lèi)機(jī)床進(jìn)行后置處理研究方面的文獻(xiàn)。本文所涉及的車(chē)銑復(fù)合機(jī)床屬于進(jìn)口設(shè)備，與傳統(tǒng)的三種類(lèi)型的五軸機(jī)床在結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，數(shù)控系統(tǒng)控制的軸數(shù)超過(guò)5個(gè)，存在多個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈，購(gòu)買(mǎi)進(jìn)口商業(yè)軟件價(jià)格比較昂貴；本文的目的是通過(guò)自主開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的后置處理軟件，解決企業(yè)運(yùn)用的實(shí)際問(wèn)題。本文主要工作是通過(guò)MORISEIKINT4250DCG1500S車(chē)銑復(fù)合機(jī)床后置處理算法的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得到該類(lèi)機(jī)床的轉(zhuǎn)角計(jì)算公式和坐標(biāo)變換公式，利用JAVA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出MORISEIKINT4250DCG1500S車(chē)銑復(fù)合機(jī)床的專(zhuān)用后置處理軟件,并通過(guò)葉片仿真加工驗(yàn)證該后置處理算法的正確性。

1MORISEIKI機(jī)床的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型的建立

MORISEIKINT4250DCG1500S車(chē)銑復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該機(jī)床直線軸有X1、X2、Y、Z1、Z2四個(gè)軸，回轉(zhuǎn)軸有A、B、C1、C2。A軸是調(diào)整回轉(zhuǎn)軸，主要用于頂針部位調(diào)整，C2軸是從動(dòng)回轉(zhuǎn)軸。從聯(lián)動(dòng)配置方式看，有兩種配置方式，方式1：直線軸X1、Y、Z1和旋轉(zhuǎn)軸B、C1進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng);方式2：直線軸X2、Z2與旋轉(zhuǎn)軸C1聯(lián)動(dòng)。方式2是車(chē)削加工下的狀態(tài)，本文主要研究五軸聯(lián)動(dòng)時(shí)狀態(tài)，通過(guò)方式1配置對(duì)機(jī)床進(jìn)行簡(jiǎn)化可以看成是擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)類(lèi)型的五軸機(jī)床，其中C1為回轉(zhuǎn)軸，B為主軸擺動(dòng)軸，刀具運(yùn)動(dòng)鏈：床身→X1軸→Z1軸→Y軸→B軸→主軸→刀具。工件運(yùn)動(dòng)鏈：床身→C1軸→工件。

圖1 MORI SEIKINT4250 DCG 1500S結(jié)構(gòu)示意圖

本文主要研究該機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)銑削時(shí)的后置處理算法，因此，后面算法推導(dǎo)主要研究聯(lián)動(dòng)方式1。設(shè)OwXwYwZw是為工件坐標(biāo)系，Om1XYZ為機(jī)床坐標(biāo)系。Om2XYZ坐標(biāo)系是建立在擺動(dòng)軸(B軸)上的的坐標(biāo)系。OTXTYTZT坐標(biāo)系是建立在刀具刀尖點(diǎn)上的坐標(biāo)系。

(1)

帶入直線軸的平移變化及回轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)變化可得：

(2)

由此可知，該結(jié)構(gòu)機(jī)床的刀尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)與初始刀心位置的關(guān)系式為：

(3)

根據(jù)公式(3)，由矩陣位置相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可得出B-C回轉(zhuǎn)角度計(jì)算公式如下：

(4)

由公式(3)和(4)就得到了該類(lèi)型機(jī)床進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)的后置處理基本算法，包括3個(gè)直線軸及兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸的基本運(yùn)算公式。

2 回轉(zhuǎn)角的取值

由式(4)可知回轉(zhuǎn)角B、C角的通用計(jì)算公式，但在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中，角度的取值要根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)加以約束。因此現(xiàn)在分析其具體取值范圍。

(1)刀具擺角B的確定

圖2 C角的旋轉(zhuǎn)投影圖

(2)回轉(zhuǎn)角C值的確定

回轉(zhuǎn)角C是圍繞著Z軸旋轉(zhuǎn)的，投影到XOY平面后，如圖2所示。分析其在四個(gè)象限內(nèi)的取值。如果C軸是按照360°周期性變化，必須分象限取值，不然會(huì)影響坐標(biāo)取值。由圖可知在XOY投影平面內(nèi)，回轉(zhuǎn)角C的值與刀軸矢量在XOY平面內(nèi)投影ux、uy的取值正負(fù)有關(guān)。由此關(guān)系可得回轉(zhuǎn)角C的公式取值如下：

(5)

在C軸跨象限時(shí)，存在特殊取值情況，如公式(6)所示：

(6)

3MORISEIKINT4250DCG1500S后置處理算法驗(yàn)證

前面詳細(xì)地推導(dǎo)了MORISEIKINT4250DCG1500S機(jī)床后置處理算法，在此算法的基礎(chǔ)上，利用JAVA語(yǔ)言[8]開(kāi)發(fā)出MORISEIKINT4250DCG1500S數(shù)控機(jī)床的專(zhuān)用后置處理軟件，如圖3所示。專(zhuān)用后置處理軟件的實(shí)現(xiàn)流程：逐行讀入利用UG軟件生成的刀位文件中的刀位數(shù)據(jù)，對(duì)讀入的刀位數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和關(guān)鍵字的識(shí)別，通過(guò)轉(zhuǎn)角計(jì)算公式(4)～式(6)計(jì)算出回轉(zhuǎn)角度B、C，并判斷回轉(zhuǎn)角度是否在360°范圍周期變化，如果出現(xiàn)了應(yīng)對(duì)C角進(jìn)行處理，以保證兩個(gè)連續(xù)的刀位點(diǎn)之間C角按一固定方向平滑過(guò)渡，然后利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式(3)計(jì)算出平動(dòng)軸X、Y、Z的值，并根據(jù)MORISEIKINT4250DCG1500S數(shù)控機(jī)床所配置的數(shù)控系統(tǒng)的程序頭和程序尾的格式生成數(shù)控程序，最后通過(guò)葉片仿真加工驗(yàn)證推導(dǎo)出的該機(jī)床后置處理算法的正確性，葉片仿真加工結(jié)果如圖4所示。

圖3 MORI SEIKINT4250 DCG 1500S專(zhuān)用后置處理軟件

圖4 葉片仿真加工

通過(guò)仿真可以看出，后置處理后的NC代碼能夠按照設(shè)計(jì)意圖加工葉片，加工過(guò)程無(wú)碰撞及干涉現(xiàn)象，證明推導(dǎo)出的該機(jī)床的五軸聯(lián)動(dòng)專(zhuān)用后置處理算法正確。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)MORISEIKINT4250DCG1500S車(chē)銑復(fù)合機(jī)床的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了其運(yùn)動(dòng)鏈，并建立了該機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)時(shí)的后置處理算法模型，并在基本算法上分析了轉(zhuǎn)角計(jì)算取值范圍，根據(jù)所推導(dǎo)的算法利用JAVA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出MORISEIKINT4250DCG1500S數(shù)控機(jī)床的專(zhuān)用后置處理軟件,并通過(guò)某葉片的仿真加工驗(yàn)證了該機(jī)床后置處理算法的正確性，同時(shí)為該類(lèi)機(jī)床后置處理算法的推導(dǎo)提供一定的參考。

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(編輯 李秀敏)

Research on Post-processingAlgorithm of SEIKI 1500 S MORI Turning and Milling Composite Machine

TANGQing-chun,LIKe-hui,LIGuo-qiang

(EngineeringTrainingCenter，GuangXiUniversityofScienceandTechnology,LiuZhouGuangxi545006,China)

Lathemillingmachineinstructurewiththetraditionalfiveaxismachinetoolsaredifferent,thenumberofcontrolaxismorethan5.Therefore,inthedevelopmentofpostprocessingprocess,isgreatlydifferentfromthetraditionalfiveaxismachinetool,theneedtoanalyzethekinematicchainaccordingtodifferentfunction.Thispapertakesthe1500Scompositemillingmachinetoolasanexample,introducesthedevelopmentprocessofpostprocessingmachine.FirstestablishedMoriSeikiturningandmillingcompositemachinetoolmovingcoordinatesystem,accordingtothekinematicchainanalysisandcoordinatetransformation,thederivedMoriSeikicarmillingcompoundmachinetoolanglecalculationformulaandtheformulaofthecoordinatetransformation,analysisthebackanglevaluesineachquadrant;usingjavalanguagetodevelopMoriSeiki4250CNCmachinetoolsandthespecialpostprocessingsoftware,andthroughablademachiningsimulationtoverifythecorrectnessofthepostprocessingalgorithm.

MORISEIKI;turningandmillingcompositemachine;kinematicssolution;coordinatetransformation;valueoftherotationangle

1001-2265(2016)12-0049-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.014

2016-01-06；

2016-03-02

廣西教育廳項(xiàng)目：國(guó)產(chǎn)雙擺頭五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床后置處理軟件的開(kāi)發(fā)(0314101401)

唐清春(1972—)，男， 四川綿竹人，廣西科技大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)閿?shù)控多軸加工技術(shù)，(E-mail)gxtangqingchun@163.com。

TH164;TG

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