DMU50V型非正交五轴数控机床后置处理算法及验证

盘有师，赵勇进，于杰，赵远方，龚德鹏，丁爽

(扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州225127)

0 引 言

非正交五轴数控机床的旋转轴与其对应平动轴不重合，刚性好，排屑能力强，应用越来越广泛。后置处理是将刀位文件转化为特定机床可识别的数控程序[1]。由于非正交五轴数控机床结构特殊，正交机床的后置处理算法无法适用，因此开发非正交五轴机床的后置处理算法尤为重要。不同的机床具有不同的空间结构，因此需要针对不同结构的五轴机床设计出不同的后置处理器。周续等[2]针对非正交回转轴的双转台五轴机床运用逆运动学的方法推导出机床各坐标轴的计算公式。葛振红等[3]基于三维图形的几何变换理论解决了非正交旋转轴数控机床后处理的坐标变换问题。本文以DUM50V 型非正交五轴数控机床为研究对象，分析机床结构并研究了后置处理算法，最后用仿真切削软件对叶轮进行完整切削，验证后置处理算法的正确性，为非正交五轴数控机床的后置处理器开发提供了参考。

1 后置处理算法

1.1 机床结构

DMU50V型非正交五轴数控机床的运动轴包括X、Y、Z等3个平动轴和转动C轴及与Z轴成45°夹角的转动B轴，转动B轴在YOZ平面内，B轴坐标原点OB和O重合，采用机床初定的C轴坐标原点OC和工件坐标系原点OW重合的设置，OB与和OC的距离为LZ，如图1所示。C轴的运动范围为0°～360°，B轴的运动范围为0°～180°。

图1 DMU50V 非正交五轴数控机床结构及坐标定义

1.2 旋转角度计算

设任意刀轴矢量在工件坐标系下表示为OT=bxi+byj+bzk，其中i、j、k分别为X、Y、Z方向的单位矢量。由于机床平动轴的移动不影响刀轴矢量，故可将刀轴矢量OT起点平移至机床坐标系的原点，因为实际加工时刀轴矢量始终与机床坐标系的Z轴同向，因此对于旋转角度计算的问题可等价转换为：在工件坐标系下的任意刀轴矢量OT如何转化至与机床坐标系Z轴重合的问题。如图2所示，根据几何关系，矢量OT绕Z轴旋转角度C至R点，C1、C2为旋转角度C的分解，然后再绕B轴旋角度B可与OT0重合，其中OT0为机床坐标系中Z轴方向的单位矢量，如图2所示。

图2 旋转角度的计算图示

图3 机床运动链

1.3 平移坐标值计算

机床结构的运动链如图3所示。T1～T3为相邻组件间的位置与运动变换矩阵，其中T1为C轴坐标系变换至工件坐标系的运动和位置变换矩阵。T4～T7仅为相邻组件间的运动变换矩阵[5]，其相邻组件间的位置关系可在加工时通过G54设置工作偏置处理。

不同于正交机床，非正交五轴机床的C轴至B轴的位置和运动变换矩阵T2更复杂，其表达式为式(6)。设刀位点在刀具坐标下的坐标表示为［x,y,z,1］T，通过运动链关系，建立运动学方程求解机床平移值：

2 仿真验证

本文采用Matlab 编程平台，将从UG NX 得到的刀轨文件转换为机床NC 代码。叶轮的整体加工是非正交五轴数控机床的常见实例，借助UG NX 实现自动编程，叶轮模型如图4 所示，主要有3 道工序，粗加工、叶片精加工和流道精加工。将粗加工、叶片精加工和流道精加工的刀位文件(.cls)分别导出，利用本文所开发的后置处理算法进行转换，得到机床能识别的 G代码。

基于VERICUT 的仿真加工，本次仿真验证步骤如下：首先，创建新项目，并在机床库里选择DMU50V 非正交五轴数控机床，以FAN15M 为控制系统。在GU NX 里导出毛坯模型文件(.stl)，并创立与UG NX 编程里相同的刀具库，手工编写循环(主)程序，将后置处理得到的G 代码放入子程序以实现多次调用循环切削。设置编程原点，调整机床旋转轴方向为正向等仿真系统参数，进行仿真加工。

叶轮轨迹编程时参数设置为：刀具轨迹内外公差0.003 mm，残留高度设置为0.001 mm。在VERICUT 中将零件模型和仿真加工模型使用采集点和法矢量的方式对比，精度分析结果如图5 所示。图5(a)所示的采集点中，第7 和第28 点出现丢失，这是由于其偏差小于1 μm，对应图5(b)的偏差图中，其偏差值为0，第31 点处有最大偏差0.0187 mm，表明切削精确度较高。最后可以得出结论：本文所开发的后置处理程序能使刀位数据正确地转化为机床G 代码。

图4 叶轮模型及刀具轨迹

图5 仿真切削和分析结果

3 结 语

1）通过分析DMU50V 非正交五轴数控机床的机床结构特点，采用图解法和多体理论进行后置处理算法求解，并对所得的旋转角C 的结果进行优化调整，经验证，本文所编写的后置处理算法正确有效。

2）开发了后置处理的程序，可直接将刀位文件转换为NC 代码，并运用仿真切削验证了后置处理模型的正确性。