具有RPCP功能五軸雙轉臺機床后置處理方法*

于珊珊 徐汝鋒 郭前建

(山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255000)

具有RPCP功能五軸雙轉臺機床后置處理方法*

于珊珊 徐汝鋒 郭前建

(山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255000)

針對不具備RPCP功能的五軸雙轉臺機床每次安裝工件時需使工件原點與機床原點重合的問題，提出了一種具有RPCP功能五軸雙轉臺機床后置處理方法。首先根據五軸雙轉臺機床的結構特征，分析該機床各坐標軸之間的運動關系，以工件原點在機床坐標系中的偏置量作為變量，建立前置刀位數據與機床坐標軸數據之間的運動變換方程；然后推導出該五軸機床各坐標軸的計算公式。在此基礎上，基于VC++平臺開發出具有RPCP功能的五軸雙轉臺機床后置處理程序。以模具曲面加工為例，在VERICUT軟件中進行了加工仿真驗證，結果表明了該方法的正確性和有效性。

五軸雙轉臺機床；后置處理；RPCP；五軸加工

在五軸數控加工中，一個或多個轉動坐標的運動會引起刀具中心的位移，繞刀具中心旋轉(rotation tool centre point，RTCP)功能可以使系統自動對轉動軸的運動進行實時線性補償，以確保刀具中心點在插補過程中始終處在編程軌跡上。現有五軸數控系統按其功能特點可分為不帶RTCP功能型和帶RTCP功能型[1]。早期的五軸數控系統一般不具有RTCP功能，五軸聯動加工時需要根據具體機床的結構將前置處理的刀位數據轉換為機床各運動軸的坐標值，還要考慮刀具長度的補償、工作臺的軸線及偏差等問題，而目前五軸數控系統都具備此項功能[2-3]。國內學者也在RTCP功能方面開展了相關研究，孫維堂等[4]系統深入研究五軸數控系統的RTCP功能，闡述了具體實現算法并進行試驗驗證。高偉強等[5]研究了五軸數控系統中的RTCP功能，并推導出了RTCP算法的通用數學模型。樊曙天等[6]在研究五軸雙轉臺機床運動原理基礎上給出了一種集成RTCP 功能的插補算法。

而繞工件中心旋轉(rotation around part center point, RPCP)功能的定義與RTCP類似，是五軸機床繞工件旋轉中心編程的簡稱。其意義同RTCP功能類似，不同的是該功能是補償工件旋轉所造成的平動坐標的變化。從上面的分析可以看出，RTCP功能主要是應用在雙擺頭結構形式的五軸機床上，而RPCP功能是應用在雙轉臺形式的五軸機床上，而對于擺頭轉臺形式的五軸機床是以上兩種情況的綜合應用。雖然有學者開展雙轉臺類型五軸機床的后置處理方面研究[7-8]，但多數事先假定工件原點與機床原點重合，重點推導該類機床后置處理轉角計算公式和坐標轉換計算公式，涉及RPCP功能方面的研究較少。

針對不具備RPCP功能的雙轉臺類五軸機床，每次安裝工件時都要花大量時間進行測量和調整，以便使工件原點與機床原點重合，這將增加工件實際加工時間和影響其加工精度。為解決上述問題，本文提出了一種具有RPCP功能五軸雙轉臺機床后置處理方法，只需在后置處理軟件中對實際工件原點在機床坐標系偏置量進行設置就可以生成能夠實現RPCP功能的數控加工程序。

1 五軸雙轉臺機床的運動建模

本文以A-C雙轉臺結構形式五軸數控機床為例，如圖1所示。根據該機床的具體結構，可以得出該機床各坐標軸之間的運動關系，即機床運動鏈，由刀具、主軸、平動工作臺、床身、回轉工作臺等單元按順序串聯而成，如圖2所示。

圖1所示為五軸雙轉臺機床結構示意圖，其中第四軸為A軸，第五軸為C軸，且兩旋轉軸線互相垂直。為描述機床各坐標軸之間的運動，建立如圖3所示坐標系統。其中OmXmYmZm為機床坐標系，機床原點Om位于C軸回轉工作臺上；Om1Xm1Ym1Zm1為與旋轉軸A固連的坐標系，其旋轉軸線固定不變；OwXwYwZw為與工件固連的工件坐標系，前置刀位數據是在該坐標系下給出；OtXtYtZt為與刀具固連的刀具坐標系，其原點設在刀心或刀尖點上。機床初始狀態時，假設坐標系OwXwYwZw、OtXtYtZt、Om1Xm1Ym1Zm1與機床坐標系OmXmYmZm各坐標軸的方向一致，坐標系Om1Xm1Ym1Zm1原點Om1在坐標系OmXmYmZm的位置矢量OmOm1為(xm1,ym1,zm1)，工件坐標系原點Ow在機床坐標系OmXmYmZm中的位置矢量OmOw為(x0,y0,z0)；刀軸矢量與機床坐標系Z軸平行，動軸C的軸線與機床坐標系Z軸平行；在刀具坐標系OtXtYtZt下，刀心點的位置矢量和刀軸矢量分別為(0, 0, 0)和(0, 0, 1)。假設機床平動軸相對于初始狀態的平移矢量為rs(X,Y,Z)，旋轉軸相對于初始狀態的轉角分別為A和C(其正方向如圖3所示)，此時在工件坐標系OwXwYwZw中，刀位點和刀軸矢量分別為(x,y,z)和(i,j,k)。其運動變換的過程是由刀具坐標系轉換到機床坐標系，再由機床坐標系轉換到工件坐標系，最終通過機床各坐標軸的運動得到工件坐標系下的刀位點和刀軸矢量。

由機床各坐標軸的運動關系進行相應的坐標變換，可得：

(1)

(2)

式中：T和R分別為機床各坐標軸平動和轉動的齊次變換矩陣。

(3)

(4)

由式(2)和(3)可以得到機床各平動軸：

(5)

由式(3)、(4)和(5)確定機床各坐標軸的計算公式，即對前置刀位數據進行后置處理而得到機床各坐標軸的數值。由式(5)可以看出，工件原點Ow(x0,y0z0)與回轉軸之間存在耦合關系，它直接影響機床軸的運動坐標。因此，如果五軸數控系統不具備RPCP功能，就不能簡單在數控系統工件坐標系如G54中進行工件原點偏置設定，須在后置處理時考慮這個偏置量。

2 后置處理軟件開發

根據五軸雙轉臺機床的結構特征建立其運動變換方程，并推導出該機床各坐標軸的計算公式，基于VC++6.0平臺設計帶RPCP功能五軸后置處理軟件界面及編制相應計算程序。該軟件界面主要包括文件輸入輸出設置、工件原點在機床坐標系中的位置、第四軸相對于機床原點偏置量、回轉軸C的運動范圍、后置處理命令按鈕等，如圖4所示。該軟件可以將刀位源文件(CLSF)轉化為數控系統可以識別的數控程序(G-Code)；同時，對于不具有RPCP功能五軸雙轉臺機床，若工件原點不在C軸轉臺回轉中心時，則可以根據工件原點在機床坐標系中的實際位置矢量進行相應的補償，避免每次安裝工件時需使工件原點與機床原點重合的問題。

3 仿真驗證

本文將以某工業模具曲面的加工為例進行仿真驗證[9]。采用UG/CAM中可變軸曲面加工策略，刀具為D20R3的環形刀，加工誤差為0.05mm，加工區域v[0,0.3],刀具前傾角為10，側傾角為0，所生成曲面區域的加工刀軌如圖5所示，并將其轉換為相應的刀位文件。設工件安裝時工件原點在機床坐標系中偏置量為(1, 0.5, 0)，若利用不具備RPCP功能的后置處理軟件生成數控加工程序，并在VERICUT軟件中進行加工仿真，此時需在數控系統提供的工件坐標系如G54中進行設置(1, 0.5, 0)，則VERICUT加工仿真結果如圖6所示，其加工誤差在0.1～0.4mm；若采用本文開發的具有RPCP功能后置處理軟件并設置工件原點在機床坐標系中偏置值(1, 0.5, 0)生成相應的數控加工程序，則VERICUT加工仿真結果如圖7所示, 其加工誤差在0～0.05mm。

由圖6可以看出，對于不具備RPCP功能五軸雙轉臺機床，若工件安裝時工件原點與機床原點不重合，僅在機床數控系統提供的工件坐標系如G54中進行偏置量設置，則會產生較大的加工誤差。由圖7可以看出，采用本文提出的具有RPCP功能五軸雙轉臺機床后置處理軟件，且在該軟件界面中補償工件原點偏置量，所生成的數控加工程序的仿真結果與編程給定的加工誤差一致。因此，本文提出的五軸后置處理方法可以解決工件原點與機床原點不重合的問題。

4 結語

本文針對不具備RPCP功能的五軸雙轉臺機床每次安裝工件時需使工件原點與機床原點重合的問題，提出了一種具有RPCP功能五軸雙轉臺機床的后置處理方法，并基于VC++平臺開發出相應的后置處理軟件。以模具曲面加工為例，在VERICUT軟件中進行了加工仿真驗證，結果表明該方法的正確性和有效性。

[1] 梁全，王永章. 五軸數控系統RTCP和RPCP技術應用[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2008(2): 62-65.

[2]Siemens.SINUMERIK840D/840Di/810D/FM-NC編程指南高級篇[M].SiemensAutomationGroup, 2001.

[3]Fidia.菲迪亞M級C級用戶及編程手冊[M]. 意大利:FIDIAS.p.A.SanMauroTorinese, 2000.

[4]孫維堂，劉偉軍，于東，等. 五軸聯動數控系統RTCP技術的研究與實現[J]. 小型微型計算機系統, 2011(12): 2515-2518.

[5]高偉強，胡澤華，莊朱協. 五軸聯動數控系統中RTCP技術的研究[J]. 制造技術與機床, 2011(10): 66-69.

[6]樊曙天，楊偉平. 雙轉臺五坐標機床RTCP功能的研究[J]. 制造技術與機床, 2009(12): 74-77.

[7]何永紅，齊樂華，趙寶林. 雙轉臺五軸數控機床后置處理算法研究[J]. 制造技術與機床, 2006(1): 9-12.

[8]陳明方，梁全，侯伯民.RTCP功能在后置處理中的應用[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2011(4): 74-77.

[9]WarkentinA,IsmailF,BediS.Comparisonbetweenmulti-pointandother5-axistoolpositioningstrategies[J].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture, 2000, 40(2): 185-208.

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Post-processing method for 5-axis dual tables machine tool with the function of RPCP

YU Shanshan，XU Rufeng，GUO Qianjian

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, CHN)

For the 5-axis dual tables machine tool without the function of RPCP, when the workpiece is fixed on the rotary table, the workpiece origin needs to coincide with the machine origin. In order to solve this problem, a post-processing method with the function of RPCP for 5-axis dual tables machine tool is proposed. Firstly, according to the structure of the 5-axis dual tables machine tool, the relationship among machine coordinate axes is analyzed, the offset from the workpiece origin to the machine origin is set to be variables, and the transformation equation between the cutter data and the machine coordinates is established. Then, the formulas of all machine coordinates are derived. On this basis, a post-processor with the function of RPCP for 5-axis dual tables machine tool is developed on VC++ platform. Finally, a mould surface processing is used as an example, and a cutting simulation test is done in VERICUT software. The simulation results show the correctness and validation of the proposed method.

5-axis dual tables machine tool; post-processing; RPCP; 5-axis machining

*山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金(BS2013ZZ002)

TG659

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.018

于珊珊，女，1980年生，碩士研究生，講師，主要研究方向為數控加工技術，己發表論文6篇。

?鋼) (

2016-05-17)

160923