莊瑛，周奎

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五軸聯(lián)動機床旋轉(zhuǎn)中心偏移補償算法研究

莊瑛1，周奎2

（1.四川省機械研究設(shè)計院，四川 成都 610063；2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

五軸聯(lián)動數(shù)控加工過程中，MCS是機床運動的依據(jù)，也是指令刀位點移動的依據(jù)。程序中刀位點的指令位置P＝P'＋ΔP；P'為基礎(chǔ)分量，按轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心O與MCS的坐標(biāo)原點O重合給出；另一分量ΔP是由于事實上的O與O的不重合而導(dǎo)致假定位置與程序中刀位點的指令位置存在著差異而需要的補償量，它與O在MCS的位置相關(guān)。研究了O與O不重合刀位點指令位置補償量的計算公式，開發(fā)了能自動生成帶有旋轉(zhuǎn)中心偏移自動補償功能的數(shù)控加工程序的后置處理程序，適用于數(shù)控系統(tǒng)不具有RTCP功能及旋轉(zhuǎn)中心偏移自動補償功能的五軸加工程序編制。

五軸聯(lián)動；數(shù)控加工；坐標(biāo)變換；旋轉(zhuǎn)中心；偏移；補償；算法

五軸機床數(shù)控加工過程中，旋轉(zhuǎn)軸在機床中存在著固定的位置和姿態(tài)，但其在設(shè)定MCS（Machining Coordinate System，加工坐標(biāo)系）中的位置和姿態(tài)卻必須要在MCS設(shè)定后方能最終確定。靜態(tài)MCS作為機床運動的依據(jù)，也是指令刀位點移動的依據(jù)。刀位點是相對于刀尖點的某一固定位置，它由操作人員指定，一經(jīng)指定，便成為了系統(tǒng)控制的對象。離線編程因不能確切知道轉(zhuǎn)軸物理旋轉(zhuǎn)中心O在MCS中的具體位置而時常假定為（0, 0, 0），即：假定MCS的坐標(biāo)原點O或刀具的刀尖點與機床轉(zhuǎn)軸的物理旋轉(zhuǎn)中心O重合而在程序中指令理想刀位點P'位置。由于事實上的O或刀尖點與O的不重合而導(dǎo)致實際加工程序中的刀位點P與P'之間存在著位置差異ΔP需要補償[1]。相當(dāng)一部分高端數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)了相應(yīng)的自動位置補償功能，而一些低端、老舊數(shù)控系統(tǒng)尚不具備此項自動補償功能，須要結(jié)合O在MCS中的位置或O相對于刀尖點的具體位置而在實際加工程序中指令刀位點的準(zhǔn)確位置。

1 旋轉(zhuǎn)中心偏移補償算法

1.1 工件旋轉(zhuǎn)或擺動中心偏移補償

圖1為某T－T五軸機床（工作臺雙擺）加工過程中WCS（Workpiece Coordinate System，工件坐標(biāo)系，自動編程前置處理理想刀位點位置的參照系）中某點P（X,Y, Z）順序繞工作臺的物理轉(zhuǎn)軸Z、X轉(zhuǎn)動和角度后，坐標(biāo)變換到MCS中的詳細情況，其中物理轉(zhuǎn)軸Z、X在MCS的位置和姿態(tài)由矩陣決定：

此種類型的五軸機床加工過程中，刀尖點作為刀位點接受系統(tǒng)控制，MCS由機床參數(shù)設(shè)定時，對應(yīng)各坐標(biāo)軸與機床坐標(biāo)軸平行且正方向一致。工件裝夾時，保證WCS初始位置與MCS完全重合，即對應(yīng)各軸平行（Xw//Xm, Yw// Ym, Zw//Zm）正方向一致且原點重合。WCS中的點Pw（Xw, Yw, Zw）順序繞Zr軸旋轉(zhuǎn)C角度、繞Xr軸旋轉(zhuǎn)A角度后，坐標(biāo)變換到MCS中的位置Pm（Xm, Ym, Zm）由式（2）、式（3）計算得到[2]，該點就是實際加工程序中指令刀位點的準(zhǔn)確位置。Pm'為Or位置偏移量為（0, 0, 0）時，指令的理論刀位點位置如（4）所示：ΔPm為Or在MCS中偏移量為（Δx, Δy, Δz）時，實際加工程序中刀位點的指令位置與理想刀位點位置間的事實補償量，如式（5）所示。

由此，實際加工程序中指令的刀位點的確切位置應(yīng)為P＝P'＋ΔP，如式（6）所示。

1.2 刀軸擺動中心偏移補償

圖2所示為H－H型五軸機床（主軸頭雙擺）刀位點相對于刀尖點的位置補償算法全過程，X、Z為刀具的物理轉(zhuǎn)軸和，擺動中心O作為刀位點接受機床數(shù)控系統(tǒng)控制，O相對于刀尖點的初始位置為（Δ, Δ, Δ）。數(shù)控加工過程中保證WCS與MCS對應(yīng)各軸平行（X//X,Y//Y,Z//Z）方向一致，原點重合，姿態(tài)與位置保持固定不變。如T－T五軸機床一樣，這類機床數(shù)控加工離線編程時，由于并不清楚刀位點相對于刀尖點的初始準(zhǔn)確位置而假定為（0, 0, 0）。理想刀位點在MCS中的位置P'（X',Y',Z'）可直接由WCS唯一確定，即：P'＝P（X'＝X,Y'＝Y,Z'＝Z）。由于刀尖點與刀位點的位置不重合以及刀具擺動，擺動中心O（刀位點）相對于刀尖點的位置進一步改變而需要準(zhǔn)確補償。位置補償量ΔP由式（7）、式（8）獲取[3]。

圖2 H－H型機床刀位點的位置補償

實際數(shù)控加工程序中指令的刀位點位置為P＝P'＋ΔP，即：

特殊情況下，刀具擺長為＝Δ、Δ＝0、Δ＝0時，刀位點的位置補償計算公式為[4]：

2 旋轉(zhuǎn)中心偏移補償算法的實現(xiàn)

圖3中，刀具的擺動及主軸帶動工件的旋轉(zhuǎn)分別為其物理轉(zhuǎn)軸B、C，系統(tǒng)為SINUMERIK 840C，由于年代久遠，系統(tǒng)老舊，不具有RTCP（Real-time tool center point rotation）功能及旋轉(zhuǎn)中心偏移自動補償功能，刀具的擺動中心常作為刀位點接受機床數(shù)控系統(tǒng)控制，程序的編制極為困難，重復(fù)利用率低，細微的參數(shù)調(diào)整，都需要重新編制加工程序。筆者結(jié)合機床的結(jié)構(gòu)特點和補償量的相應(yīng)算法，設(shè)計了可編制旋轉(zhuǎn)中心偏移自動補償?shù)臄?shù)控加工程序，使編程變得簡單，大大提高了程序的重復(fù)利用率。

圖3 奧地利WFL M120 MILLTURN車銑復(fù)合加工中心

補償量可按如下步驟實現(xiàn)：

（1）獲取五軸聯(lián)動數(shù)控機床結(jié)構(gòu)信息，確定相應(yīng)的坐標(biāo)變換算法；

（2）讀取離線編制的理想數(shù)控加工程序段N；

（3）數(shù)據(jù)分離，獲取理想數(shù)控加工程序段N中刀位點坐標(biāo)值、轉(zhuǎn)角及擺角信息；

（4）計算補償量ΔX、ΔY、ΔZ；

（5）理想數(shù)控加工程序段N重新賦值＝＋ΔX，＝＋ΔY，＝＋ΔZ；

（6）返回步驟2。

基于UG NX利用TCL語言開發(fā)的WFL M120 MILLTURN車銑復(fù)合加工中心五軸聯(lián)動數(shù)控加工時旋轉(zhuǎn)中心偏移補償量的自動計算的后置處理算法[6]為：

proc PB_CMD_Manaul_calculate_comprehension { } {

global mom_pos

global mom_out_angle_pos

MOM_output_literal "R41=[format "%.3f" $mom_out_angle_pos(0)]"

MOM_output_literal "R42=[format "%.3f" $mom_out_angle_pos(1)]"

MOM_output_literal "@630 R45 R41"

MOM_output_literal "@631 R46 R41"

MOM_output_literal "R36=R5*R46"

MOM_output_literal "R31=[format "%.3f" $mom_pos(0)]+R36"

MOM_output_literal "R32=[format "%.3f" $mom_pos(1)]"

MOM_output_literal "R37=R5*R45"

MOM_output_literal "R33=[format "%.3f" $mom_pos(2)]-R37"

}

WFL M120 MILLTURN機床加工某零件的帶有旋轉(zhuǎn)中心偏移自動補償?shù)臄?shù)控加工程序為：

N0001 %MPF362

N0002 ;Programmer: ScjxZkui Fri Jul 13 18:27:32 2018

N0003 R1=400.000 ;Tool length

N0005 R21=0 ;comprehension

N0006 R5=229.981+R1+R21 ;Pivot distance

N0007 G0 G90 G40 G71 G54 D0;

N0008 T1=3 R1=1 R3=0 R4=0 L106 ;Tool change

N0009 L918 ;milling model

N0010 M3=61 ;S3 milling-spindle

N0011 M3=150 ;relax c-axis

N0012 M6=150 ;Relax B1-axis

N0013 G0 G90 G54 G64 D0 Y1=0

N0014 M3=8 ;inner coolant on

N0015 M1=126

N0016 S3=1200 M3=03

N0025 R41=-0.147

N0026 R42=188.282

N0027 @630 R45 R41

N0028 @631 R46 R41

N0029 R36=R5*R46

N0030 R31=300.467+R36

N0031 R32=-77.731

N0032 R37=R5*R45

N0033 R33=-142.085-R37

N0034 G00 G90 Y1=R32 Z1=R33 B1=-.147 C1=188.282

N0035 G00 E1=R31

……

3 結(jié)束語

一些中高檔數(shù)控系統(tǒng)已成功開發(fā)旋轉(zhuǎn)中心偏移自動補償功能，如Heidenhain_iTNC530系統(tǒng)中的M114，編程人員只須在CAD/CAM軟件中按工件坐標(biāo)系編制刀位點運動軌跡和每一刀位點的刀軸矢量，然后根據(jù)機床結(jié)構(gòu)特點及旋轉(zhuǎn)中心偏移量為零的理想狀態(tài)后置處理，操作人員在數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的參數(shù)下輸入實際的旋轉(zhuǎn)中心偏移量，系統(tǒng)執(zhí)行程序過程中會自動計算補償后的刀位點軌跡從而進行實時控制。

本文中提出的算法和基于該算法開發(fā)的自動補償編程軟件，特別適用于還不具備旋轉(zhuǎn)中心偏移自動補償功能的數(shù)控系統(tǒng)，MCS位置、機床與刀具幾何參數(shù)存放于程序內(nèi)相應(yīng)變量中，刀位點的移動位置在程序中進行自動計算，調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)讓程序的重復(fù)使用變得可能。

[1]劉偉雄，等. 數(shù)控加工理論與編程技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]蔡永林，席光，查建中. 五坐標(biāo)數(shù)控加工后置處理算法研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2003（9）：17-20.

[3]王華僑. 實用數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4]林勇，彭芳瑜. 五軸聯(lián)動的后置處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 機電工程技術(shù)，2005（9）：73-74.

[5]Donald Hearn，M. Pauline Baker. Computer Graphics (Second Edition)[M]. USA：Prentice Hall/Pearson，1994.

[6]張磊. UGNX6后處理技術(shù)培訓(xùn)教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009.

The Algorithm of Compensation for Rotary Center Offset in 5-Axis NC Machining

ZHUANG Ying1，ZHOU Kui2

( 1.Sichuan Provincial Machinery Research & Design Institute, Chengdu 610063, China; 2.Sichuan Engineering Technical College, Deyang 618000, China )

In 5-axis NC machining, MCS ( Machining Coordinate System ) is the basis for the movement of machine tools and it is the basis for NC program, the location of the control pointP＝P'＋ΔP, P'is the base, it is calculated by the center of the rotation axis coincides with the origin of the MCS. The other component ΔPis due to the center of the rotation axis does not coincides with the origin of the MCS, which causes the difference in the position of the assumed position and the position of the tool loci in the program. In this paper, the calculation formula of the position compensation for the position of the control point is studied. The post processing program is developed which can automatically generate the NC program with the automatic compensation function of the rotation center offset. It is suitable for the 5-axis machining program which does not have the function of RTCP and the rotation center offset automatically.

5-axis；NC machining；coordinates transformation；rotary center；offset；compensation；algorithm

TP391.72

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.018

1006－0316 (2018) 07－0077－04

2018－03－09

莊瑛（1969－），女，四川成都人，本科，主要研究方向為機械制造與自動化；周奎（1973－），男，四川渠縣人，工程碩士，教授，主要研究方向為數(shù)字化制造及自動檢測。