五軸數(shù)控加工３Ｄ 刀具補(bǔ)償及其后置處理方法
2018-7-17 來源：西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 作者：蔡安江，宋仁杰，杜金健，李林
摘要：為解決五軸數(shù)控加工過程中，由于刀軸矢量不斷變化，刀具補(bǔ)償方向無法確定引起刀具在三維空間中無法補(bǔ)償?shù)膯栴}，提出一種基于前置與后置處理的五軸數(shù)控加工 ３Ｄ 刀具補(bǔ)償方法。針對具備３Ｄ 刀具補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)，推導(dǎo)出五軸數(shù)控加工３Ｄ 刀具補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償矢量與補(bǔ)償后刀位點(diǎn)坐標(biāo)的矢量計(jì)算方程，并基于前置三維軟件（ＵＧ）的前置處理，建立了控制刀位文件格式的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了 ＵＧ 前置處理在五軸數(shù)控加工模塊下輸出包含切觸點(diǎn)在內(nèi)的刀位文件。根 據(jù) ＳＩＥ－ＭＥＮＳ ８４０Ｄ 數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)３Ｄ 刀具補(bǔ)償?shù)臄?shù)字控制（ＮＣ）指令格式要求，以非正交擺頭轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機(jī)床為例，通過逆向運(yùn)動學(xué)變換提出具體的后置處理方法。基于智能制造軟件ＩＭＳｐｏｓｔ（后處理程序編輯器）平臺和所提出的后置處理方法開發(fā)了專用后置處理器，自動獲取了具有３Ｄ 刀具補(bǔ)償矢量信息的 ＮＣ程序，基于仿真軟件 ＶＥＲＩＣＵＴ 平臺對不同工況下整體葉輪仿真加工的結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明：當(dāng)?shù)毒咭蚰p發(fā)生尺寸變化時(shí)，采用提出的方法和開發(fā)的具有３Ｄ 刀具補(bǔ)償功能的后置處理器所獲取的 ＮＣ程序，可以將加工表面的欠切誤差控制在０．１ｍｍ 以下，且無過切現(xiàn)象，有效地提高了五軸數(shù)控加工的精度和效率，避免了刀具磨損后發(fā)生刀具尺寸改變必須返回計(jì)算機(jī)輔助制造（ＣＡＭ）系統(tǒng)重新生成刀位文件，以及再次進(jìn)行后置處理的繁瑣過程，驗(yàn)證了所提出的前置處理與后置處理方法的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：機(jī)械工程；五軸數(shù)控加工；３Ｄ 刀具補(bǔ)償；補(bǔ)償矢量；刀位點(diǎn)坐標(biāo)；數(shù)控系統(tǒng)；后置處理
０、引言
五軸數(shù)控加工是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜自由曲面加工的重要方式，已廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器、船舶、汽車等制造領(lǐng)域。針對二維輪廓加工，目前數(shù)控系統(tǒng)都具備刀具長度和刀具半徑補(bǔ)償?shù)墓δ埽欢谖遢S數(shù)控加工過程中，由于切觸點(diǎn)和刀軸矢量方向均不斷變化，刀具半徑補(bǔ)償功能較難實(shí)現(xiàn)。目前，眾多國內(nèi)外學(xué)者對３Ｄ 刀具補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究。針對具備五軸數(shù)控加工３Ｄ 刀具補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)，梁全等分析了前置輸出的 ＣＬＳ文件格式與數(shù)控系統(tǒng)接受刀具補(bǔ)償矢量的指令格式，通過后置處理解決了帶刀具補(bǔ)償矢量的五軸 ＮＣ代碼編程問題；胡自化等介紹了側(cè)銑加工的半徑補(bǔ)償方法；陳良驥等研究了在 ＣＮＣ 系統(tǒng)中３Ｄ 刀具半徑補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)方法；Ｔｕｎｇ等針對帶傾斜回轉(zhuǎn)臺的臥式機(jī)床，提出了通過后置處理實(shí)現(xiàn)三維刀具半徑補(bǔ)償方法。以上方法當(dāng)?shù)毒叱叽绨l(fā)生變化時(shí)均需重新進(jìn)行后置處理，數(shù)控程序重用性差。徐汝峰等針對不具備五軸３Ｄ 刀具補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)，研究了如何通過后置處理來實(shí)現(xiàn)３Ｄ 刀具半徑補(bǔ)償功能，但未對具備五軸３Ｄ 刀具補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)提出相 關(guān)解決方法。目前國內(nèi)外主要配置的數(shù)控系統(tǒng)（如 ＳＩＥ－ＭＥＮＳ ８４０Ｄ 系 統(tǒng)、Ｆａｎｕｃ３０ｉ系 統(tǒng) 和 Ｈｅｉｄｅｎ-ｈａｉｎ ｉＴＮＣ５３０系統(tǒng)等）均已具備３Ｄ 刀具補(bǔ)償功能，它們都自定義了接受３Ｄ 刀具補(bǔ)償矢量的 ＮＣ 指令格式。但 ＣＡＭ 軟件（如 ＣＡＴＩＡ、ＵＧ 等）生成的刀位文件經(jīng)過后置處理得到的 ＮＣ指令并不符合這些數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)３Ｄ刀具補(bǔ)償功能所 定義的指令格式。基于上述不足，本文針對具備五軸數(shù)控加工３Ｄ刀具補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng)，研究其基本原理及后置處理方法，解決如何生成具有 ３Ｄ 刀具補(bǔ)償矢量信息的 ＮＣ程序，實(shí)現(xiàn)五軸數(shù)控加工３Ｄ 刀具補(bǔ)償。
１、３Ｄ刀具補(bǔ)償?shù)幕驹?/strong>
由于刀軸矢量不變，二維刀具半徑補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)只是將切觸點(diǎn)的坐標(biāo)按其表面 的法向矢量 進(jìn)行偏置，再對刀具中心點(diǎn)編程；而在 ３Ｄ 刀具補(bǔ)償中，由于刀軸矢量不斷變化，刀位點(diǎn)的補(bǔ)償矢量與二維刀具半徑補(bǔ)償不同，是通過切觸點(diǎn)表面的法向矢量、刀具方向和刀具幾何尺寸計(jì)算得出。下文分別對五軸數(shù)控加工中常用的端銑刀、球頭銑刀和環(huán)形銑刀進(jìn)行矢量分析，計(jì)算得出３Ｄ 刀具補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償矢量及補(bǔ)償后的刀位點(diǎn)坐標(biāo)，見下頁圖１。圖 中：Ｐ 為 切 觸 點(diǎn)，ＯＰ（ｘ，ｙ，ｚ）為 刀 具 中 心點(diǎn)，即 刀 位 點(diǎn)，ＯＣ為 刀 心 點(diǎn)，Ｏ１為 刃 口 圓 心，Ｐ（ｐｘ，ｐｙ，ｐｚ）為切觸點(diǎn)，Ｒ 為刀具半徑，ｒ、ｒ１均為刃口半徑，ｎ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）為 切 觸 點(diǎn) 表 面 的 法 向 矢 量，ｌ（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）為刀軸矢量，ｍ（ｍｘ，ｍｙ，ｍｚ）為垂直于刀軸方向的矢量，ｖ（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）為補(bǔ)償矢量，以上矢量均為單位矢量，ｋ為路徑切線。
圖１ ３Ｄ刀具補(bǔ)償模型
１．１ 端銑刀的補(bǔ)償矢量及補(bǔ)償后的刀位點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算
２、五軸數(shù)控加工３Ｄ 刀具補(bǔ)償后置處理的實(shí)現(xiàn)
２．１ ＵＧ刀位文件及數(shù)控系統(tǒng)３Ｄ
刀具補(bǔ)償 ＮＣ 格式分析
五軸數(shù)控加工３Ｄ 刀具補(bǔ)償是在實(shí)際加工刀具尺寸發(fā)生變化的情況下，讓原規(guī)劃的刀具中心點(diǎn)沿著補(bǔ)償矢量方向進(jìn)行一定的偏置，從而保證切觸點(diǎn)位置的正 確。基于 ＵＧ 前 置處理生 成 刀 路 軌 跡時(shí)，為滿足五軸數(shù)控加工 ３Ｄ 刀具補(bǔ)償矢量計(jì)算所需要的刀位信息，需要對 ＵＧ 控制刀位文件格式的函數(shù)進(jìn)行修改，使生成的ＣＬＳ 文件包含切觸點(diǎn)坐標(biāo)。ＵＧ 前置處理控制刀位文件格式的函數(shù)主要針對 ＣＬＳ文件中的關(guān)鍵字輸出進(jìn)行控制，如 ＧＯＴＯ、ＦＥＥＤＡＴ、ＲＡＰＩＤ 等。
圖２ 非正交擺頭轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)
通過建立非正交擺頭轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機(jī)床各運(yùn)動軸坐標(biāo)與刀位數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，基于逆向運(yùn)動學(xué)求解方法，可以得到非正交擺頭轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機(jī)床平動軸坐標(biāo)與轉(zhuǎn)動軸坐標(biāo)。
３、３Ｄ刀具補(bǔ)償后置處理器的開發(fā)
基于ＩＭＳｐｏｓｔ（后 處 理 程 序 編 輯 器）開 發(fā) 具 有３Ｄ 刀具補(bǔ)償功能的后置處理器，需根據(jù)非正交擺頭轉(zhuǎn)臺 類 五 軸 數(shù) 控 機(jī) 床 結(jié) 構(gòu) 和 配 置 的 ＳＩＥＭＥＮＳ８４０Ｄ 數(shù)控系統(tǒng)程序格式進(jìn)行設(shè)置、修改、子程序調(diào)用及宏程序編制等。宏程序編制實(shí)現(xiàn)后置處理的主要任務(wù)除刀位文件信息的讀取、機(jī)床運(yùn)動學(xué)變換求解、進(jìn)給速度的校驗(yàn)、非線性運(yùn)動誤差校驗(yàn)外，還應(yīng)完成切觸點(diǎn)處表面法向矢量的求解。ＳＩＥＭＥＮＳ ８４０Ｄ 數(shù)控系統(tǒng)自定義了五軸數(shù) 控加工時(shí)實(shí)現(xiàn)３Ｄ 刀具的補(bǔ)償指令，即刀具長度補(bǔ)償指 令 為 ＴＲＡＯＲＩ 和 半 徑 補(bǔ) 償 功 能 的 命 令 為ＣＵＴ３ＤＦ。為實(shí)現(xiàn)３Ｄ 刀具補(bǔ)償功能，在調(diào)用３Ｄ 刀具補(bǔ)償指令后，除需知道機(jī)床坐標(biāo)系下刀具中心點(diǎn)坐標(biāo)和２個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度外，還需提供切觸點(diǎn)處表面的法向矢量。當(dāng)?shù)毒叱叽绨l(fā)生變化，把變化量添加到數(shù)控系統(tǒng)刀具補(bǔ)償量里，ＳＩＥＭＥＮＳ ８４０Ｄ數(shù)控系統(tǒng)就可根據(jù)具有３Ｄ 刀具補(bǔ)償格式的 ＮＣ 代碼自動進(jìn) 行 補(bǔ) 償，從 而 提 高 了 數(shù) 控 加 工 程 序 的 重用性。以球頭銑刀為例，利用ＩＭＳｐｏｓｔ平臺的宏命令功能，基于后置處理算法，主要通過在 ＧＯＴＯ／＊ 宏命令中編譯宏程序?qū)崿F(xiàn)刀具中心點(diǎn)坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度的輸出；基于五軸數(shù)控加工 ３Ｄ 刀具補(bǔ)償矢量的矢量算法，可在 ＮＯＲＭＡＬ／＊ 宏命令編譯宏程序中實(shí)現(xiàn)切觸點(diǎn)處表面法向矢量輸出。ＮＯＲＭＡＬ／＊ 宏命令中具體的代碼如圖３所示。
圖３ 編輯 ＮＯＲＭＡＬ／＊ 宏命令
４、仿真加工驗(yàn)證試驗(yàn)
為驗(yàn)證本文方法的有效性，以整體葉輪為例，基于 ＵＧ 的前置處理，生成含切觸點(diǎn)坐標(biāo)的整體葉輪ＣＬＳ文件。通過基于ＩＭＳｐｏｓｔ開發(fā)的后置處理器生成具有３Ｄ 刀具補(bǔ)償矢量的 ＮＣ程序，在某航空企業(yè)生產(chǎn)使用的基于 ＶＥＲＩＣＵＴ 構(gòu)建的 ＤＭＵ ２１０ＦＤ虛擬仿真加工系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真加工驗(yàn)證主要對整體葉輪葉片在３種工況下的加工結(jié)果進(jìn)行比較。
（１）采用刀具半徑及刀具切削部分的半徑均為Ｒ＝３ｍｍ的球頭銑刀（生 成 刀 路 軌 跡 所 使 用 的 刀具），仿真加工結(jié)果如下頁圖４所示。
圖４ Ｒ＝３ｍｍ 球頭銑刀仿真加工結(jié)果
（２）采用刀具半徑 Ｒ＝３ ｍｍ、刀具切削部分的半徑ｒ＝２．５ｍｍ 的球頭銑刀，用來表示刀具更換或磨損后的刀具。仿真加工結(jié)果如下頁圖５所示。
圖５ Ｒ＝３ｍｍ，ｒ＝２．５ｍｍ 球頭銑刀仿真加工結(jié)果
（３）采用刀具半徑 Ｒ＝３ ｍｍ、刀具切削部分的半徑ｒ＝２．５ｍｍ 的球頭銑刀，設(shè)置刀具長度補(bǔ)償值和刀具半徑補(bǔ)償值均為０．５ｍｍ，同時(shí)激活３Ｄ 刀具補(bǔ)償指令。仿真加工結(jié)果如圖６所示。
圖６ Ｒ＝３ｍｍ，ｒ＝２．５ｍｍ 的球頭銑刀帶補(bǔ)償?shù)姆抡婕庸そY(jié)果
由圖５可以看出，當(dāng)?shù)毒叱叽绨l(fā)生變化時(shí)，葉片表面有明顯的欠切，且欠切誤差都在０．１ｍｍ 以上，但無過切現(xiàn)象。由圖６ 可以看出，在激活 ３Ｄ 刀具補(bǔ)償指令的情況下，即使刀具尺寸發(fā)生變化，工件的加工表面并沒有出現(xiàn)過切和欠切現(xiàn)象。對比圖４和圖６可知，本文提出的 ３Ｄ 刀具補(bǔ)償及其后置處理方法有效.
５、結(jié)語
（１）研究了五軸數(shù)控加工 ３Ｄ 刀具補(bǔ)償?shù)幕驹恚槍Γ撤N常用類型刀具分別推導(dǎo)出五軸數(shù)控加工３Ｄ 刀具補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償矢量與補(bǔ)償后刀位點(diǎn)坐標(biāo)矢量計(jì)算方程，為實(shí)現(xiàn)五軸數(shù)控加工具有 ３Ｄ 刀具補(bǔ)償功能的后置處理器開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。
（２）基于 ＵＧ 的前置處理，建立了控制刀位文件格式的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在五軸數(shù)控加工模塊下可輸出包含切觸點(diǎn)在內(nèi)的刀位文件，解決了五軸數(shù)控加工３Ｄ 刀具補(bǔ)償后置處理所需的刀位信息問題，為具有３Ｄ 刀具補(bǔ)償功能的后置處理器的開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
（３）以非正交擺頭轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機(jī)床為例，基于ＳＩＥＭＥＮＳ ８４０Ｄ 數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)３Ｄ 刀具補(bǔ)償?shù)?ＮＣ指令格式要求和逆運(yùn)動學(xué)原理，提出了實(shí)現(xiàn)五軸數(shù)控加工３Ｄ 刀具補(bǔ)償功能的后置處理方法，并基于ＩＭＳｐｏｓｔ平臺開發(fā)了專用后置處理器。
（４）實(shí)例加工仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的正確性和有效性。該方法 可以實(shí)現(xiàn) 五 軸數(shù)控加 工具有３Ｄ 刀具補(bǔ)償，避免了刀具磨損后發(fā)生刀具尺寸改變必須返回 ＣＡＭ 系統(tǒng)，重新生成刀位文件和再次進(jìn)行后置處理的繁瑣過程，從而縮短零件總加工時(shí)間，提高數(shù)控加工程序的可重用性，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
（５）進(jìn)一步研究可考慮基于圖像處理方法，研究如何對加工中刀具的磨損量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并結(jié)合五軸數(shù)控加工３Ｄ 刀具補(bǔ)償算法，對實(shí)時(shí)磨損引起的刀具尺寸變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)３Ｄ刀具補(bǔ)償。
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