韓飛燕，郭 衛(wèi)，張武剛，張 武

（西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

1 引言

在數(shù)控編程中，根據(jù)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)的指令格式，把工件坐標(biāo)系中的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機(jī)床能夠識(shí)別的1加工代碼的過(guò)程稱為后置處理。后置處理作為CAM自動(dòng)編程軟件與數(shù)控設(shè)備聯(lián)結(jié)的紐帶，是數(shù)控編程技術(shù)的重要組成部分，影響著數(shù)控編程技術(shù)的使用效果、零件的加工質(zhì)量和機(jī)床運(yùn)行的可靠性[1]。

后置處理技術(shù)的研究一直備受關(guān)注，各CAD/CAM編程軟件廠家都研發(fā)了通用后置處理系統(tǒng)，然而，大多數(shù)用戶對(duì)CAD/CAM軟件的使用集中在CAD模塊，對(duì)CAM模塊的使用率并不高，這是因?yàn)镃AM軟件只配備了通用后置處理，許多特定結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床無(wú)法使用CAM模塊進(jìn)行后置處理，大大影響CAM模塊的應(yīng)用效果。此外，許多學(xué)者對(duì)后置處理技術(shù)也進(jìn)行了廣泛的研究，文獻(xiàn)[2]采用機(jī)構(gòu)學(xué)理論，建立了一種通用五軸機(jī)床的機(jī)構(gòu)學(xué)模型，并提出通用五軸機(jī)床后置處理方法。文獻(xiàn)[3]提出了H5-800五軸臥式數(shù)控機(jī)床的專用后置處理算法。文獻(xiàn)[4]分析了雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，開(kāi)發(fā)了UCP600五軸機(jī)床專用后置處理程序。文獻(xiàn)[5-7]提出了DMU系列非正交雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床的后置處理方法。文獻(xiàn)[8-9]提出了非正交轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)、非正交擺頭結(jié)構(gòu)五軸機(jī)床的后置處理方法。隨著數(shù)控機(jī)床與數(shù)控系統(tǒng)的迅速發(fā)展，具有不同結(jié)構(gòu)和固定加工功能的五軸機(jī)床得到了廣泛應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)不同結(jié)構(gòu)的五軸設(shè)備后置處理方式也不同[10]。五軸機(jī)床后置處理的復(fù)雜性體現(xiàn)在帶旋轉(zhuǎn)軸的刀位坐標(biāo)變換和刀位旋轉(zhuǎn)角計(jì)算上，這是開(kāi)發(fā)數(shù)控機(jī)床后置處理程序必須要解決的核心技術(shù)。研究了一種WABECO雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸立式數(shù)控機(jī)床的專用后置處理算法?；谀孢\(yùn)動(dòng)學(xué)理論，在分析WABECO雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)關(guān)系和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)該類機(jī)床后置處理的轉(zhuǎn)角計(jì)算公式、坐標(biāo)變換計(jì)算公式，基于C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出的數(shù)控機(jī)床專用后置處理軟件，最后通過(guò)復(fù)雜葉輪零件的仿真加工與試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

2 雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸立式機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

在進(jìn)行數(shù)控編程時(shí)，通常視工件不動(dòng)，由刀具運(yùn)動(dòng)來(lái)完成加工，經(jīng)過(guò)處理可得到一個(gè)不針對(duì)具體機(jī)床型號(hào)的中間文件，即CLS刀位文件，CLS刀位文件包括刀具中心點(diǎn)坐標(biāo)值和刀軸矢量。在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)床運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式各不相同，有的運(yùn)動(dòng)由刀具實(shí)現(xiàn)，有的運(yùn)動(dòng)由工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)。在三個(gè)移動(dòng)軸（X、Y、Z）聯(lián)動(dòng)情況下，工藝員通常不需要關(guān)心是刀具運(yùn)動(dòng)還是工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)闄C(jī)床的坐標(biāo)系及其運(yùn)動(dòng)方向是按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義的。五軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)主要有三種：雙轉(zhuǎn)臺(tái)式、雙擺頭式和擺頭+轉(zhuǎn)臺(tái)式。那么，五軸聯(lián)動(dòng)的回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)就包括刀具不動(dòng)、工作臺(tái)擺動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)或者刀具擺動(dòng)、工作臺(tái)回轉(zhuǎn)。這就要求在后置處理過(guò)程中，針對(duì)不同情況分別進(jìn)行計(jì)算，首先，將CLS文件中的刀位信息轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動(dòng)坐標(biāo)及其相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度，再通過(guò)代碼轉(zhuǎn)換將它們轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機(jī)床能識(shí)別的加工程序。

2.1 機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析

機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)求解主要包括轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角計(jì)算和經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)后移動(dòng)坐標(biāo)的計(jì)算。對(duì)于不同類型數(shù)控機(jī)床，其運(yùn)動(dòng)關(guān)系有所不同，對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)求解算法也是不同的。下面以WABECOH雙轉(zhuǎn)臺(tái)立式五軸數(shù)控機(jī)床為例，分析后置處理坐標(biāo)變換以及回轉(zhuǎn)角度的計(jì)算方法。WABECOH雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 雙轉(zhuǎn)臺(tái)立式五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of Dual-Rotary Tables Five-Axis Machine Tool

如圖1所示，WABECOH雙轉(zhuǎn)臺(tái)立式五軸數(shù)控機(jī)床包括兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度A、C和三個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)X、Y、Z，并且A、C回轉(zhuǎn)軸相交于一點(diǎn)。

圖2 雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸加工刀軸矢量轉(zhuǎn)動(dòng)角度Fig.2 Rotation Angle of Cutter Orientation in Dual-Rotary Tables Five-Axis Machine Tool

設(shè)機(jī)床坐標(biāo)系OMXYZ，工件坐標(biāo)系OWXYZ，如圖2所示。轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)C的回轉(zhuǎn)軸與Z軸重合，擺動(dòng)工作臺(tái)A的回轉(zhuǎn)軸與X軸重合，A與C的方向分別符合右手螺旋法則，OMXYZ坐標(biāo)系的原點(diǎn)在A、C回轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)上。工件坐標(biāo)系OWXYZ與機(jī)床坐標(biāo)系OMXYZ的Z軸方向一致，其余的兩個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)軸分別平行，OWOM=d，工件可繞OWXYZ坐標(biāo)系的X軸轉(zhuǎn)動(dòng)A（-131°≤A≤131°）角，工件可繞OMXYZ坐標(biāo)系Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)C（0≤C＜360°）角。刀具參考點(diǎn)Oc在工件坐標(biāo)系OWXYZ中的坐標(biāo)為（xc，yc，zc）。刀軸矢量l為單位矢量（一個(gè)位于刀具的軸線上，從刀具中心點(diǎn)指向刀柄方向的矢量），在工件坐標(biāo)系OWXYZ中的坐標(biāo)為（lx，ly，lz）。為便于計(jì)算，以刀具中心點(diǎn)Oc為原點(diǎn)建立刀軸矢量坐標(biāo)系OCXYZ，其與工件坐標(biāo)系中OWXYZ各相應(yīng)軸平行。根據(jù)上述已知條件，計(jì)算機(jī)床的移動(dòng)坐標(biāo)X、Y、Z及相應(yīng)的轉(zhuǎn)角A、C。

2.2 工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算

WABECOH雙轉(zhuǎn)臺(tái)立式五軸數(shù)控機(jī)床有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，一個(gè)是旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，定義其轉(zhuǎn)角C以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。一個(gè)是擺動(dòng)臺(tái)繞X軸的旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)角A以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。將刀軸矢量l繞Zc軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)C角到Y(jié)cZc平面上，獲得矢量l′，再將矢量l′繞Xc軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)A角到與Zc軸方向一致，如圖2所示。這樣就實(shí)現(xiàn)了刀軸矢量的轉(zhuǎn)換，即刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于雙轉(zhuǎn)臺(tái)式五軸數(shù)控機(jī)床，為實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)換，工作臺(tái)需繞Z回轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)C角，擺動(dòng)臺(tái)需繞X回轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)A角。那么A、C的計(jì)算公式如下：

2.3 機(jī)床移動(dòng)坐標(biāo)計(jì)算

求刀具中心點(diǎn)OC（xC，yC，zC）經(jīng)過(guò)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)后，在機(jī)床坐標(biāo)系OMXYZ的位置坐標(biāo)，即機(jī)床移動(dòng)坐標(biāo)X、Y、Z。將工件坐標(biāo)系OWXYZ平移到機(jī)床坐標(biāo)系OMXYZ，對(duì)于WABECOH雙轉(zhuǎn)臺(tái)立式五軸數(shù)控機(jī)床，其工件坐標(biāo)系原點(diǎn)到機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離為27.93mm，移動(dòng)變換矩陣為：

刀具繞Z軸旋轉(zhuǎn)C角，相當(dāng)于機(jī)床工作臺(tái)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)-C角，那么轉(zhuǎn)動(dòng)變換矩陣為：

刀具繞X軸旋轉(zhuǎn)A角，相當(dāng)于機(jī)床工作臺(tái)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)-A角，那么轉(zhuǎn)動(dòng)變換矩陣為：

而［XMYMZM1］=［xCyCzC1］T1T2T3，展開(kāi)可得：

3 WABECOH五軸數(shù)控機(jī)床專用后置處理程序?qū)崿F(xiàn)

WABECOH五軸立式數(shù)控機(jī)床屬于雙轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心，該機(jī)床的控制系統(tǒng)是mach3。依據(jù)解釋執(zhí)行原則，后置處理程序采用式（1）、式（2）、式（6）進(jìn)行坐標(biāo)變換部分程序設(shè)計(jì)，根據(jù)機(jī)床控制系統(tǒng)mach3的要求進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換部分程序設(shè)計(jì)。后置處理具體步驟為：（1）讀取刀位文件中的刀位點(diǎn)信息，并判斷刀位文件是否讀取結(jié)束，如果未結(jié)束，轉(zhuǎn)到（2），否則，退出；（2）根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算；（3）結(jié)合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)特性生成G代碼；（4）輸出加工代碼，返回（1）。根據(jù)后置處理步驟以及所提算法，利用C++程序編寫WABECOH五軸立式機(jī)床專用后置處理程序，并設(shè)計(jì)軟件界面，創(chuàng)建可執(zhí)行文件。在進(jìn)行數(shù)控加工G代碼計(jì)算時(shí)，打開(kāi)后置處理可執(zhí)行文件WABECOH加工中心后處理軟件，然后讀入刀位文件中的信息，經(jīng)過(guò)代碼轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)變換計(jì)算，輸出數(shù)控加工的G代碼。

4 仿真加工與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提后置處理算法的正確性，以葉輪為對(duì)象，如圖3所示。將UG/CAM模塊生成的葉輪流道加工CLS文件采用WABECOH加工中心后處理軟件進(jìn)行后置處理，獲得數(shù)控加工的G代碼，并分別進(jìn)行了仿真加工與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 葉輪模型Fig.3 Impeller Model

4.1 仿真加工

根據(jù)WABECOH五軸立式數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在VERICUT仿真軟件中構(gòu)建該機(jī)床的運(yùn)動(dòng)仿真模型，如圖4所示。將UG/CAM模塊生成的數(shù)控加工刀位軌跡CLS文件，利用WABECOH加工中心后置處理軟件的可執(zhí)行文件進(jìn)行后置處理，生成數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別的G代碼，G代碼中包含程序頭，機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的3個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)xyz以及轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)A、B。

圖4 VERICUT下的WABECOH五軸立式數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真模型Fig.4 Motion Simulation Model of WABECOH Five-Axis Vertical CNC Machine Tool in VERICUT

然后，輸入后置處理后求得的零件數(shù)控加工G代碼，并進(jìn)行加工仿真，其結(jié)果，如圖5所示。由仿真結(jié)果可以看出，葉輪流道表面以及兩側(cè)壓力面與吸力面上切削軌跡均無(wú)明顯過(guò)切或欠切痕跡，說(shuō)明刀具與流道兩側(cè)葉片及底面未產(chǎn)生干涉，能夠確保葉輪流道的幾何形狀，證明所提的后置處理算法正確、可行。

圖5 VERICUT仿真加工結(jié)果Fig.5 Simulation Processing Results by VERICUT

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提的專用后置處理算法，在WABECOH五軸立式數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行葉輪流道的實(shí)際加工來(lái)驗(yàn)證算法。將UG/CAM模塊生成的葉輪流道加工軌跡的CLS文件進(jìn)行后置處理，然后將獲得的G代碼輸入到WABECOH五軸立式數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行葉輪流道的實(shí)際加工。當(dāng)設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為1000rpm，進(jìn)給速度為800mmpm時(shí)，其加工結(jié)果，如圖6所示。由加工結(jié)果可知，加工后的葉輪流道幾何形狀與葉輪理論模型基本符合，說(shuō)明后置處理所得的G代碼有效、可行，能夠保證葉輪流道加工中走刀路徑正確無(wú)誤，很好地解決了WABECOH雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床的后置處理問(wèn)題。此外，在實(shí)際加工過(guò)程中，機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系正確，未出現(xiàn)干涉、撞刀以及明顯的機(jī)床振動(dòng)等現(xiàn)象，證明了該后置處理算法的正確性。

圖6 葉輪加工結(jié)果Fig.6 The Impeller Machining Result

5 結(jié)論

（1）對(duì)WABECOH雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸立式數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)求解進(jìn)行了詳細(xì)介紹，給出了該機(jī)床后置處理的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)角計(jì)算公式，開(kāi)發(fā)了WABECOH五軸數(shù)控機(jī)床專用后置處理程序。（2）基于所建立的后置處理方法進(jìn)行了葉輪類復(fù)雜零件的加工仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，在WABECOH五軸數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用表明，所開(kāi)發(fā)的專用后置處理程序生成的加工代碼符合五軸聯(lián)動(dòng)的要求，可解決該數(shù)控機(jī)床的后置處理問(wèn)題。