五轴联动后置处理技术的应用

蒋道顺， 雷蔓， 姚民菊

（贵阳险峰机床有限责任公司，贵州 惠水 550600）

0 引言

五轴联动后置处理技术的应用是根据数控机床的结构特点及数控系统的要求进行代码后续处理，通过刀触点和刀位矢量的空间坐标转换，最终生成五轴联动数控机床能够直接识别的NC代码的过程。

1 五轴联动的坐标转换

空间坐标系包含3个平动自由度和3个转动自由度，由于五轴联动机床具有任意的两个转动轴，使得机床可以有很多种运动轴配置方式，其中包括工作台回转型、刀具摆动型和刀具与工作台回转/摆动型三大结构组合形式，本文以刀具与工作台回转/摆动型作为后置处理应用对象，即以［X、Y、Z、B、C］作为配置方式。

2 五轴机床后置处理算法

当以［X、Y、Z、B、C］为配置方式时，为了完成对此机床的后置处理，可以采取如下方式：

令工件的坐标系为OWXYZ；机床的运动坐标系为OrXYZ，由此可以推导出：工件坐标系OWXYZ相对于机床 OrXYZ 的相对坐标为（xd，yd，zd）；刀具中心 C0在工件坐标系中的位置为（xc0，yc0，cc0）；刀轴矢量C0（单位矢量）在工件中的坐标系为（ax，ay，az）；由机床运动关系可知，刀具可绕坐标轴Y摆动A（0°≤A≤90°）角；工件可绕坐标轴Z转动C角。现在要解决的问题是求出机床运动坐标X、Y、Z和B、C的参数方程。

图1 刀轴矢量转动关系

1）假设刀轴矢量a为自由矢量，先将刀轴矢量的起点移动到工件原点上，然后将刀轴矢量绕Z轴顺时针转到（-Y）（+Z）平面上，再将刀轴矢量绕X轴顺时针转到与Z坐标一致的位置，这样做可以确保当az≥0时，刀轴矢量绕X轴顺时针转动角在（90°～0°）范围内变动。

2）让刀轴相对于工件绕X轴逆时针转动B角，然后让刀具相对于工件绕Z轴逆时针旋转C角，由B、C角的计算公式可知：

3）通过刀心C0经过工件转动后在机床坐标系CrXYZ上的位置，可以求取机床坐标X、Y、Z的值。

（1）先将工件坐标系CwXYZ平移到机床坐标系CrXYZ上，其变换矩阵为

（3）刀具绕Y轴旋转B角，其变换矩阵为

通过以上坐标处理后，采用MATLAB编程语言进行编程，可实现后置处理转换和NC代码的生成。

3 后置处理后的叶轮数控程序

主程序：

load DX.dat%刀心矢量

a=DZ;%刀轴矢量

c=DX;%刀心矢量

S=size(a);

n=S(1,1);%n算出点的总数

postprocessor(a,d,c,n);%a为刀轴矢量,c为刀心矢量,d为相对坐标。

子程序：

function[X,Y,Z,A,C]=postprocessor(a,d,c,n)

P=[P;[X Y Z A C]];

C=C*pi/180;

A=A*pi/180;

i=i+1

……

end

4 五轴联动后置处理后的NC代码

S3000 F80

M04 M08 T1

G04 P300 G01

X0.7046 Y24.8297 Z52.6186 B87.8796 C179.7535

X1.3003 Y24.8848 Z52.1374 B87.6215 C179.4896

X1.8942 Y24.9386 Z51.6566 B87.3576 C179.2199

X2.4504 Y24.9826 Z51.1998 B87.1112 C178.9501

X3.0264 Y25.0193 Z50.7177 B86.8471 C178.6399

X3.5982 Y25.0487 Z50.2312 B86.5717 C178.318

……………

X78.2637 Y23.7207 Z1.7512 B14.5158 C68.3684

X78.8858 Y23.5022 Z1.6829 B13.0526 C67.2611

X79.5074 Y23.2829 Z1.6144 B11.5463 C65.8166

M09M30

［1］ 蒋道顺.直纹面叶片侧铣数控加工研究［D］．北京：北京交通大学，2009.

［2］ 朱心雄.自由曲线曲面造型技术［M］．北京：科学出版社，2003.

［3］ 苏云玲.三元整体叶轮的几何造型与五坐标数控加工［D］.大连：大连理工大学，2004.