国产双摆头五轴机床后置处理的研究*

唐清春，张 健，马仲亮，刘 谦

(广西科技大学 工程训练中心,广西 柳州 545006)

国产双摆头五轴机床后置处理的研究*

唐清春，张 健，马仲亮，刘 谦

(广西科技大学 工程训练中心,广西 柳州 545006)

文中针对汉川机床厂所研发的XH/2420双摆头五轴联动加工中心，通过运动求解，系统地推导了该机床的后置处理算法；并通过变换刀长与摆长值推导出几种求解方法，基于JAVA平台，开发了该机床专用后置处理软件，且通过VERICUT7.0对某叶轮仿真加工验证了该后置处理算法的正确性以及实用性。该后置处理器的开发为以后开发同类后置处理软件提供了一定的经验。

五轴联动加工中心；叶轮 ；JAVA ；后置处理

0 引言

随着国民经济的迅速发展，我国对制造业的要求越来越高，尤其是在航天、航空、船舶、模具以及汽车等行业中，对其所要加工零件的复杂性、精度性、产量性等要求甚为严格，为此，普通三轴机床已经无法满足新时代的加工要求，四轴以及五轴机床应运而生[1]。由于所需生产零件的复杂性，通常采用CAM软件(UG、Proe、Cimatron等)进行自动编程，生成其刀位源文件，再通过后置处理软件转换为数控程序。由此可见，后置处理软件是实现五轴加工的核心技术,在整个过程中起着桥梁作用；对于五轴双摆头机床后置处理方面的研究，国外已经做成专业化的后置处理软件。目前我国在后置处理方面正处在起步阶段，基本上是基于通用CAM软件内部平台做一些二次开发，此类通用后置处理软件具有如下不足：①不能随时调整刀长值、摆长值处理数控程序；②对影响表面质量的非线性误差不能控制；③不具有动态速度补偿功能。为解决以前使用过程中的缺陷问题，本文以汉川机床厂研发的XH/2420双摆头五轴机床为案例，基于JAVA高级语言平台，相对于通用软件独立开发，满足机床的多种使用场合。

1 XH/2420(A-C)式五轴机床后置处理算法

1.1 XH/2420后置处理基本算法

图1 五轴双摆头机床实物图

图2 五轴双摆头机床坐标变换简图

刀位位置Rw(wx,wy,wz)和刀位矢量Rv(vi,vj,vk)通过坐标平移及旋转变换由刀具坐标系到工件坐标系[3-4]。可得：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，有关运动变换矩阵为：

展开式(1)得：

解得：

αA=LAarccos(vk)LA=(1,-1)

(3)

αC=arctan(vi/vj)-LCπLC=(0,1)

(4)

将结果αA,αC代入式(2)解得：

汤显祖是享誉世界的戏剧大师。今天我们纪念汤显祖这位戏剧大师，研讨他的创作思想、总结他的艺术贡献，向其创作的伟大文学经典致敬，可以从中发掘中华优秀传统文化中的改革文化和革故鼎新、推陈出新的精神，从中汲取继续前进的丰厚养分和力量，大力弘扬改革开放的时代精神，推动改革再出发，开放再深入，对于增强民族文化自信、推动中华文化传承发展、促进中外文化交流互鉴，具有重要意义。

(5)

1.2XH/2420后置处理变换算法

本文跟据刀长、摆长是否参加计算，推导出以下几种变换算法：

(1)刀长与摆长均参与后置处理算法计算；

控制刀长、摆长是否参加计算与机床的摆角A、C无关，只改变X、Y、Z值。选择此算法时，应将预先计算好的刀长值H与摆长值K之和赋给式(5) 中的L，进而参加后置处理计算。采用该算法时机床系统不必再考虑刀具长度补偿问题。故算法(1)也为后置处理的基本算法。

(2)只有刀长参加后置处理算法计算 ；

选择此算法时，应将刀长值H赋给基本算法中的L，以参加后置处理计算，得到的计算公式如式(6)所示，称此算法为算法(2)。该算法须在数控系统加载摆长。

(6)

选择此算法时，应将0赋给基本算法的L，以参加后置处理计算，该方法须在机床数控系统内部加载刀长及摆动半径值；.变换后的后置处理计算公式如式(7)，后置处理时只完成点对点的转换，其余由机床自身通过刀长及摆动半径值自动加载计算。采用该方法，在刀具磨损时容易调整，只需修改机床刀长补偿值即可，但不能实现非线性误差补偿。该方法为算法(3)。

(7)

2 XH/2420后置处理实现与验证

2.1 XH/2420后置处理实现

XH/2420(A-C)式机床属于龙门式五轴双摆头机床，该机床配有Siemens 840D数控系统，该系统具有长度补偿功能。跟据上述三种不同的后置处理算法，结合JAVA语言后对置处理软件进行编写[5]，以某叶轮流道粗加工为例。使用上述三种后置处理算法编写成的软件分别对同一流道粗加工程序进行处理。经处理后的程序如图3、4、5所示。

如图1经为经过算法(1)得到的数控程序，可以发现左端数控程序的X、Y、Z值与其它两个数控程序的数值不同，而A、C角值均不变，且图3中缺少N6 CYCLE832(0.035,102101)这一行，这是因为算法(1)是采用刀长加摆长均参加算法计算，所以不用CYCLE832命令控制机床自动加载摆长与刀长值计算。图4为经过算法(2)得到的数控程序，采用CYCLE832命令自动加载机床内部设置好的摆长值进行计算。图5为经过算法(3)得到的数控程序，采用CYCLE832命令自动加载机床内部设置好的摆长值与刀具长度补偿值H进行计算。由式(4)、(5)可知，计算A、C角与刀长值摆长值无关，所以不管采用那种后置处理算法旋转角的数值不变，X、Y、Z值变化。

2.2 XH/2420后置处理软件验证

本文以某特型零件叶轮仿真切削来验证XH/2420后置处理软件。仿真加工主要采用VERICUT 7.0对同一流道采用三种算法进行模拟加工对比，以验证算法的正确性。

2.2.1 流道加工对比

VERICUT 7.0中的机床模型完全按照真实机床结构设置，仿真切削后的效果图如图6、7、8所示。根据切削效果对比，三种切削结果完全一致，验证了三种后置处理算法均满足加工要求，为实际加工零件提供了多种选择方式。

分别采用三种方法对整体叶轮的叶片、流道进行模拟切削加工，加工后的叶轮无过切、干涉等现象，曲面及过渡圆角表面较光滑。经残留值检测，符合实际加工要求。仿真后的实物图如图9所示。

3 结束语

本文通过对XH/2420五轴双摆头机床的结构特点进行分析，建立数学模型推导出该机床的后置处理算法，根据改变刀长值、摆长值等多种工况，演化出多种求解方法.虽然该后置处理软件没有国外成熟的专业化后置处理软件功能强大，但是经济实用。国内对五轴双摆头机床后置处理也进行了一定的研究，上海交通大学的郑焱在文献[6]中采用基本后置处理算法开发出一款五轴双摆头后置处理软件，虽然该款软件能实现后置处理的基本转换，但是它只适用于单一工况的转换，不能解决多工况问题。本软件可在不同工况下使用不同的后置处理算法进行转换，解决了在实际加工过程中遇到的多工况问题，同时也为以后开发同类后置处理软件奠定了一定的基础。

[1] 周莹君. 基于UG NX的5轴联动高速铣削加工中心后置处理软件的研发[D].上海：同济大学，2005.

[2] 李永桥，陈强，谌永祥. 五轴数控机床通用坐标运动变换及求解方法的研究[J].组合机床与自动化加工技术，2010(10):4-5.

[3] 赵世田，孙殿柱，孙肖霞.基UGPOST五轴联动加工中心专用后置处理器的研发[J].组合机床与自动化加工技术,2006(1):26-29.

[4] 唐清春，吴汉夫.基于CimatronE的四轴后置处理软件开发[J].设计与研究，2010(6)：15-17.

[5] 赵真. Eclipse开发技术详解[M].北京：化学工业出版社，2010.

[6] 郑焱. 复杂曲面五轴联动数控加工的进给率规划[D]. 上海：上海交通大学,2011.

(编辑 赵蓉)

Study on the Post Processing of the Domestic Double Swing Head of Five-axis Machines

TANG Qing-chun,ZHANG Jian,MA Zhong-liang,LIU Qian

(Engineering Training Center,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou Guangxi 545006,China)

According to the XH/2420 that double swing head of five-axis linkage machining center developed by Han Chuan Machine Tool Works, the paper systematically derived the post processing algorithms of this machine through movement solving and several solving methods by transforming the values of tool length and pendulum length, based on JAVA platform, developed a special post processing software for the machine, machining simulation of an impeller through VERICUT7.0 verities the correctness and practicality of the post processing algorithm and also this postprocessor’s development provides a certain amount of experience for the future of the development of similar post processing software.

five-axis linkage machining center; impelle; JAVA;post processing

1001-2265(2014)04-0035-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.04.009

2013-07-08；

2013-09-06

柳州市应用技术研究与开发计划课题：多功能五轴联动机床后置处理软件开发(2011C030107)

唐清春(1972—), 男， 四川绵竹人，广西科技大学副教授，硕士，研究方向为多轴数控机床的加工与开发，(E-mail)gxtangqingchun@163.com。

TH164;TG659

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