高翔,胡軼杰,鄒捷
武漢華中數(shù)控股份有限公司研究院 湖北武漢 433100
激光切割利用高功率激光熔化或者氣化工件,不同于傳統(tǒng)金屬切削需要工件裝夾及對(duì)刀,存在工裝設(shè)計(jì)復(fù)雜通用性差,異形曲面工件對(duì)刀空間限制等問題,現(xiàn)代激光切割直接將工件板材放到統(tǒng)一工裝架上進(jìn)行加工,由于是人工或機(jī)械機(jī)構(gòu)直接放置加工,同一批次工件放置的角度與位置可能存在差異,每個(gè)工件放置后需要工藝人員找基準(zhǔn)點(diǎn)后用CAM設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的程序,加工一個(gè)工件生成一次程序[1,2],極其浪費(fèi)時(shí)間。本文提出在數(shù)控系統(tǒng)三點(diǎn)定位加工方案,不同于傳統(tǒng)機(jī)器人三點(diǎn)找正算法[3],工件找正包括刀尖跟刀軸的偏置,利用偏置值在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)加工G代碼修正偏置功能(包括刀尖軌跡及刀軸姿態(tài)的偏置),使得同一類型工件任意放置后可以使用同一個(gè)G代碼加工,不用每次放置工件后在CAM中重新生成程序過程,極大地提高了加工效率,并通過了VERICUT仿真及實(shí)際加工應(yīng)用驗(yàn)證。
基于三點(diǎn)定位的特性坐標(biāo)系五軸聯(lián)動(dòng)控制算法主要包括兩個(gè)步驟[4]。
(1)工件偏移找正算法 在加工開始前,根據(jù)3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)在CAM中工件坐標(biāo)系(WCS)與實(shí)際工件放置后的機(jī)床坐標(biāo)系(MCS)下的坐標(biāo),系統(tǒng)解釋器計(jì)算出CAM中WCS與MCS坐標(biāo)系之間的關(guān)系,通過數(shù)控系統(tǒng)指令G68.7建立特性坐標(biāo)系(TCS),坐標(biāo)變換如圖1所示。
圖1 基于三點(diǎn)定位的特性坐標(biāo)系五軸聯(lián)動(dòng)控制算法坐標(biāo)變換示意
(2)刀尖點(diǎn)及刀軸矢量的變換算法 針對(duì)G代碼中TCS下每行移動(dòng)指令,將刀位點(diǎn)映射到WCS下,并根據(jù)當(dāng)前旋轉(zhuǎn)軸角度計(jì)算刀軸姿態(tài),根據(jù)坐標(biāo)系的翻轉(zhuǎn)計(jì)算偏置后的刀軸姿態(tài),最后求解得到偏置后的WCS下的旋轉(zhuǎn)軸角度。
基于三點(diǎn)定位的特性坐標(biāo)系五軸聯(lián)動(dòng)控制算法流程如圖2所示。
圖2 基于三點(diǎn)定位的特性坐標(biāo)系五軸聯(lián)動(dòng)控制算法流程示意
本文研究的激光加工設(shè)備如圖3所示,使用此類設(shè)備的激光加工工藝與金屬切削相比,省去了裝夾及對(duì)刀工序。加工時(shí)直接進(jìn)行工件擺放,傳統(tǒng)方式需要在工件上找3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn),記錄3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的機(jī)床系XYZ的坐標(biāo),CAM中與工件模型的3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)理論坐標(biāo)對(duì)比,CAM自動(dòng)生成根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)比偏置后的G代碼進(jìn)行加工。此過程需要加工人員記錄基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)輸入CAM,每重新加工一個(gè)工件都需要重新設(shè)計(jì)程序,容易出錯(cuò)且影響效率。
圖3 激光加工設(shè)備
三點(diǎn)工件找正輸入為3個(gè)不共線的基準(zhǔn)點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系下的坐標(biāo),分別為CAM中編程坐標(biāo)系與實(shí)際工件放置的機(jī)床坐標(biāo)系,輸出為兩個(gè)坐標(biāo)系之間的位移偏置XYZ及歐拉角ijk。
輸入:工件上不共線三點(diǎn)CAM編程系坐標(biāo)及實(shí)際工件機(jī)床系坐標(biāo)。
輸出:從機(jī)床坐標(biāo)系到加工特性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)(位移偏置XYZ與歐拉角ijk)。
工件找正功能總體上分為兩部分:①根據(jù)輸入的點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算兩個(gè)坐標(biāo)系之間的平移與旋轉(zhuǎn)關(guān)系[5]。②計(jì)算輸出系統(tǒng)特性坐標(biāo)系功能所需參數(shù),即兩個(gè)坐標(biāo)系之間的位移偏置XYZ及歐拉角ijk。
(1)平移與旋轉(zhuǎn)變換 定義CAM編程坐標(biāo)系為A,機(jī)床坐標(biāo)系為B,工件表面上不共線三點(diǎn)構(gòu)建的工件坐標(biāo)系為C。根據(jù)坐標(biāo)系在參考坐標(biāo)系中的表示可得圖4和式(1)~式(3)。
圖4 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系示意
公式中各符號(hào)的具體含義解釋如下。
1)坐標(biāo)系符號(hào)代表點(diǎn)的坐標(biāo)值構(gòu)成的矩陣,以A為例,A為
2)轉(zhuǎn)換矩陣F可按如下方式定義(轉(zhuǎn)換矩陣定義來源:《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》)
其中,{nx,ny,nz}為坐標(biāo)系在參考坐標(biāo)系下X軸單位向量;{ox,oy,oz}為坐標(biāo)系在參考坐標(biāo)系下Y軸的單位向量;{ax,ay,az}為坐標(biāo)系在參考坐標(biāo)系下Z軸的單位向量;{px,py,pz}為坐標(biāo)系在參考坐標(biāo)系下原點(diǎn)的坐標(biāo),即原點(diǎn)的位置偏移量。
3)工件表面上不共線三點(diǎn)構(gòu)建的工件坐標(biāo)系為C,構(gòu)建方法如下:以第一個(gè)點(diǎn)為工件系C的坐標(biāo)原點(diǎn),第一到第二個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的向量X為X軸正方向,將X與第一個(gè)點(diǎn)到第三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的向量Z叉乘所得為Z軸正方向。
4)F的求解與含義如下。C與AB的轉(zhuǎn)換矩陣F1、F2由輸入的不共線的三點(diǎn)坐標(biāo)求得后,根據(jù)公式F=F2inv(F1),求出F后,由B=FA可求得B。
由于在構(gòu)建F1、F2時(shí)使用了正交的3個(gè)向量來構(gòu)成,所以各轉(zhuǎn)換矩陣均可逆。在4×4的F矩陣中3×3的部分即為旋轉(zhuǎn)矩陣
第四列前三項(xiàng)即構(gòu)成平移向量
任一點(diǎn)集在B坐標(biāo)系中坐標(biāo)與在A坐標(biāo)系中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為
即任一點(diǎn)坐標(biāo)滿足
(2)歐拉角求解 平移值可如上所述直接從F中讀取,旋轉(zhuǎn)矩陣和歐拉角的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以由對(duì)應(yīng)順序的基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)矩陣的乘積計(jì)算[6,7]。以華中數(shù)控8型激光加工系統(tǒng)的特性坐標(biāo)系G68.7功能為例,G68.7定義為以工件坐標(biāo)系為基準(zhǔn)繞Z→Y→X順序內(nèi)旋矩陣(繞旋轉(zhuǎn)后的軸旋轉(zhuǎn))而得,其所得旋轉(zhuǎn)矩陣與反向的外旋矩陣(繞原始固定坐標(biāo)系X→Y→Z)一致,即旋轉(zhuǎn)矩陣
由歐拉角旋轉(zhuǎn)矩陣定義可得對(duì)應(yīng)關(guān)系后反解即可得到歐拉角。此模式下旋轉(zhuǎn)矩陣用歐拉角表示為
在激光控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)三點(diǎn)定位計(jì)算坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系流程如圖5所示。
圖5 三點(diǎn)定位計(jì)算坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系流程
(1)輸入坐標(biāo)點(diǎn) 輸入CAM編程坐標(biāo)系下三個(gè)不共線點(diǎn)的坐標(biāo)值(Ax1,Ay1,Az1)、(Ax2,Ay2,Az2)、(Ax3,Ay3,Az3),實(shí)際測(cè)量機(jī)床坐標(biāo)系下此三點(diǎn)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值(Bx1,By1,Bz1)、(Bx2,By2,Bz2)、(Bx3,By3,Bz3)。
(2)校驗(yàn)輸入點(diǎn)坐標(biāo)有效性 為保證輸入點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的正確性從以下三個(gè)方面進(jìn)行校驗(yàn)。
1)實(shí)際測(cè)量位置誤差大于設(shè)定誤差值時(shí),報(bào)警三點(diǎn)定位所選三點(diǎn)實(shí)際測(cè)量誤差大。
2)選中任意兩點(diǎn)距離小于設(shè)定最小距離值時(shí),報(bào)警三點(diǎn)定位所選三點(diǎn)距離過近。
3)三點(diǎn)構(gòu)成三角形近似共線,報(bào)警三點(diǎn)定位所選三點(diǎn)近似共線。
(3)依前文所述方法構(gòu)建工件表面坐標(biāo)系C以CAM編程坐標(biāo)系下三個(gè)不共線點(diǎn)的坐標(biāo)值構(gòu)建為例。
X方向單位向量為
Z方向單位向量為
Y方向單位向量為
同理可得實(shí)際測(cè)量機(jī)床坐標(biāo)系下此三點(diǎn)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值構(gòu)建的工件表面坐標(biāo)系三個(gè)單位向量值Vbx、Vby、Vbz。
(4)計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣F依前文所述方法由F1、F2計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣F,此處求逆計(jì)算使用LU分解求逆以降低運(yùn)算復(fù)雜度[8],LU分解的上三角矩陣和下三角矩陣為Upper、Lower,則使用置換矩陣P保證PF1可以被化簡(jiǎn)為階梯矩陣
(5)反解平移值與歐拉角 依前文所述方法由旋轉(zhuǎn)矩陣反解平移值與歐拉角。
(6)輸出特性坐標(biāo)系G68.7功能所需參數(shù) 即兩個(gè)坐標(biāo)系之間的位移偏置XYZ及歐拉角ijk。
通過三點(diǎn)找正輸出的兩個(gè)坐標(biāo)系之間的位移偏置及空間角,將加工G代碼中軌跡坐標(biāo)進(jìn)行偏置及運(yùn)動(dòng)學(xué)變換計(jì)算偏移后的刀尖點(diǎn)。
設(shè)計(jì)帶到位點(diǎn)與刀具姿態(tài)變換的特性坐標(biāo)系功能指令。其中G68.7代表開啟特性坐標(biāo)系編程,后續(xù)指令刀尖與刀軸都是特性坐標(biāo)系編程,X、Y、Z是特性坐標(biāo)系下相對(duì)工件坐標(biāo)系偏移量,i、j、k是以工件坐標(biāo)系為基準(zhǔn)繞原始工件坐標(biāo)系X→Y→Z而得(此旋轉(zhuǎn)同內(nèi)旋,繞每次旋轉(zhuǎn)后的軸旋轉(zhuǎn)Z→Y→X順序旋轉(zhuǎn)),旋轉(zhuǎn)后兩個(gè)坐標(biāo)系的方向平行[9,10]。
由前文所述的方法可知,建立特性坐標(biāo)系TCS與工件坐標(biāo)系WCS的變換關(guān)系為
其中T為特性坐標(biāo)系相對(duì)于工件坐標(biāo)系原點(diǎn)偏移后的坐標(biāo)系的平移向量(3×1),偏移后與特性坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合,Rx(Ψ)、Ry(θ)、Rz(φ)(3×3矩陣)表示偏移后的坐標(biāo)系與依次繞X軸旋轉(zhuǎn)Ψ、繞Y軸旋轉(zhuǎn)θ、繞Z軸旋轉(zhuǎn)φ后的新坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣。
首先在系統(tǒng)解釋器層建立特性坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系間的變換關(guān)系,將特性坐標(biāo)系下每行G代碼坐標(biāo)Pt:[Xt,Yt,Zt]T轉(zhuǎn)換成工件坐標(biāo)系下坐標(biāo)Pw:[Xw,Yw,Zw]T,將工件坐標(biāo)系下坐標(biāo)根據(jù)RTCP算法的運(yùn)動(dòng)學(xué)變換計(jì)算各軸機(jī)床坐標(biāo)完成插補(bǔ)。G代碼刀位點(diǎn)XYZ偏移在數(shù)控系統(tǒng)中的處理流程如圖6所示。
圖6 刀位點(diǎn)偏移處理流程
特性坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到工件系變換方法為
傳統(tǒng)傾斜面加工在建立特性坐標(biāo)系后,需要刀軸擺正垂直于加工傾斜面。在建立特性坐標(biāo)系時(shí),將工件坐標(biāo)系初始刀軸矢量[0,0,1]T按Rx(Ψ)、Ry(θ)、Rz(φ)旋轉(zhuǎn)后,變換為在工件坐標(biāo)系下刀軸矢量[i,j,k]T,再通過RTCP算法運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)系計(jì)算出旋轉(zhuǎn)軸角度。
考慮到激光三點(diǎn)定位后加工方式,在建立特性坐標(biāo)系后刀具姿態(tài)也會(huì)在加工過程發(fā)生變換,系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)對(duì)刀軸進(jìn)行偏置,否則特性坐標(biāo)系下編程生成的刀軸姿態(tài)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤影響加工效果甚至發(fā)生干涉導(dǎo)致撞機(jī)。以AC雙擺頭機(jī)床結(jié)構(gòu)類型為例闡述算法,具體G代碼刀軸偏置在數(shù)控系統(tǒng)中的處理流程如圖7所示。
圖7 刀軸偏置處理流程
以上論述了基于三點(diǎn)找正算法的測(cè)量坐標(biāo)系建立與求解方法,本文利用VERICUT軟件對(duì)數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真(見圖8),根據(jù)誤差大小判斷算法的有效性[11],最后在三維五軸機(jī)床上進(jìn)行加工,根據(jù)加工效果判斷算法是否有效。
圖8 VERICUT仿真測(cè)試
為更好地驗(yàn)證算法的精度,采用NAS件五軸聯(lián)動(dòng)測(cè)銑進(jìn)行仿真,在UG軟件中,將工件放置在機(jī)床模型中任意的位置,選擇工件上三個(gè)特征點(diǎn),記錄坐標(biāo),再將工件任意平移一定距離,旋轉(zhuǎn)一定角度后,記錄移動(dòng)后的三個(gè)特征點(diǎn)在原始坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證,所有插補(bǔ)點(diǎn)指令精度控制在0.001mm內(nèi),滿足激光切割加工精度要求,部分加工點(diǎn)位坐標(biāo)及誤差見表1、表2。
表1 模擬加工坐標(biāo) (單位:mm)
表2 模擬加工坐標(biāo)誤差 (單位:mm)
為了進(jìn)一步驗(yàn)證算法功能的正確性,在華工激光三維五軸激光設(shè)備上進(jìn)行實(shí)際加工(見圖9),并對(duì)加工出來的B柱上的特征區(qū)域精度進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。經(jīng)過測(cè)試,小圓精度見表3和表4。
表3 B柱直徑5mm小圓實(shí)際誤差 (單位:mm)
表4 B柱直徑10mm小圓實(shí)際誤差(單位:mm)
圖9 加工工件
經(jīng)過實(shí)際加工測(cè)試,工件整體輪廓度無缺陷,小圓尺寸達(dá)標(biāo),且加工過程刀軸無干涉,滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。
本文提出了三點(diǎn)工件找正與軌跡偏置算法在激光加工中應(yīng)用的方法,并在數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)找正與加工軌跡偏置,相比原先采用CAM后置處理,大大簡(jiǎn)化了原先繁瑣的加工過程,提高了效率,仿真與實(shí)際加工結(jié)果表明,加工精度符合加工要求。目前已在多個(gè)激光產(chǎn)品中批量試用,具有良好的應(yīng)用與推廣價(jià)值。