摘 要:本文通过5轴复合激光加工机床坐标系和CAM加工坐标系的关系,建立了机床运动学模型,并推导了可用于该机床后置处理的坐标转换关系,开发了5轴复合激光加工机床数控系统专用后置处理程序,经实验验证可以满足五轴联动后置处理的要求。
关键词:CAD/CAM 运动学分析 刀位文件 后置处理
中图分类号:TG659文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)04(a)-0120-01
采用CAD/CAM软件进行自动编程时,按规定均视工件不动,由刀具运动来完成加工动作,刀具轨迹经过处理可得到一个不针对具体机床的刀位文件。在多轴加工中,CAD/CAM软件生成的刀位文件中包含刀具参考点坐标值和刀轴矢量。在实际机床上,运动的实现方式各不相同,有的运动由工作台实现,而有的运动由刀具实现。在只有三直线轴(X,Y,Z)联动的情况下,编程员一般不需关心是工作台运动还是刀具运动,因为机床厂家均按国际标准来定义机床的坐标系及其运动方向。而对于包括回转轴运动(刀具摆动、工作台回转)的多轴联动,这就要求后处理程序针对不同情况进行不同的计算将刀位文件中刀具轨迹坐标转换为机床坐标及相应的回转角度,并通过代码转换将它们转换成所用数控机床能执行的数控程序。然而,目前大多数CAD/CAM软件只配备通用后置处理模块,生成的代码需要进行大量修改才能使用,甚至在一些情况下生成的代码根本无法满足使用要求。因此,根据具体的数控机床特进行二次开发是非常必要的。本文以5LC五轴联动激光加工机为例,通过分析双转台五轴数控运动学模型,推导出该类机床后置处理转角计算公式、坐标转换计算公式,在此基础上开发出了适用于该五轴数控机床专用后置处理程序。
1 五轴数控机床的机床运动学分析
5LC五轴复合激光加工机的运动轴包括三个移动轴X、Y、Z和两个转动轴A、C,其中回转轴、的轴线交于一点。机床运动学分析就是根据在工件坐标系下给出的加工点的坐标值及激光头轴线与轴和轴的夹角、,求出机床各坐标轴的驱动量、、、、。
下面介绍利用刀位算法进行5LC激光加工机运动学求解析,建立机床运动坐标系如图1所示。
——机床坐标系,基坐标系;
——工作台坐标系,原点为回转轴与倾斜轴两轴线的交点;
——工件坐标系;
——激光刀具上参考点坐标系,与刀具轴线方向相同;
——激光头坐标系坐标系,其原点设在激光头中心点上,与焦点之间的距离为d,坐标轴方向与机床坐标系一致。
建立刀位算法的串联矩阵为:
(1)
为机床坐标系到激光头坐标系的变换阵。
式中,——机床坐标系原点到激光头坐标系原点在轴方向上的距离;
——轴坐标原点在机床坐标系中的绝对坐标位置;
——轴坐标原点在机床坐标系中的绝对坐标位置。
为机床坐标系到旋转工作台坐标系的位姿变换矩阵,其表达式为:
式中,——轴坐标原点在机床坐标系中的绝对坐标位置;
——机床坐标系原点到旋转工作台坐标系原点在轴方向上的距离;
——机床坐标系原点到旋转工作台坐标系原点在轴方向上的距离;
、、、——、、、的缩写(下文采用相同的表示方法)。
为旋转工作台坐标系到工件坐标系的位姿变换矩阵。
式中,——旋转工作台坐标系到工件坐标系平移变换在三坐标轴上的分量。
为工件坐标系到刀具参考点的位姿变换矩阵,这个矩阵包含了工件坐标系下激光头位姿的相关信息。对于自动编程而言,刀位文件中给出了刀具参考点在工件坐标系下的坐标值以及激光头轴线在三坐标轴上的方向余弦。对激光头轴线方向采用了绕两次旋转变换来描述,分别为绕轴转角和绕轴转角,从而得到的表达式为:
为刀具参考点(加工点)坐标系到激光头坐标系的位姿变换矩阵。
式中,——工件加工点坐标系原点到激光头坐标系原点的距离。
通过求解方程,可以得到:
, (4)
通过以上运动学解析,得到五个坐标轴各自的驱动量X、Y、Z、A、C的数学表达式,在此基础上进行专用后置处理程序的开发。
2 程序开发
刀位文件是相对CAM的加工坐标系生成的刀位轨迹文件,因此要对刀位文件进行后置处理首先要建立CAM加工坐标系。一般来说,CAM加工坐标系的原点就是程序零点(机床对刀点),CAM加工坐标系的3个直线轴的方向就是机床导轨的方向。同时,在确定CAM加工坐标系的方向和原点位置时,还应当考虑现场加工的实际需要,以保证毛坯在机床上的位置便于装夹、找正和加工。
5LC复合激光加工机是配置了PMAC控制系统的双转台五轴数控加工机床。在编写该机床的后置处理程序时,首先根据用户阅读要求(满足习惯NC代码编程的用户的阅读要求)进行刀位文件解释部分程序设计;其次,根据解释执行的原则,采用公式(4)进行坐标转换部分程序设计;最后,根据机床控制系统要求进行代码转换部分程序设计。
3 结语
本文对运动形式复杂的双转台五轴数控机床运动学求解进行了较为详细的论述,推导出该类机床后置处理转角计算公式和坐标转换计算公式。并且开发了5LC复合激光加工机专用后置处理程序。在该设备上对复杂曲面零件的切割实验表明,本文开发的专用后置处理程序生成的数控程序可以满足5LC复合激光加工机的需要。
参考文献
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