五軸數(shù)控加工3D刀具補(bǔ)償及其后置處理方法

馬引勞

摘? ?要：本文針對(duì)五軸數(shù)控加工3D刀具補(bǔ)償及后置處理方法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)牡毒哐a(bǔ)償算法，并利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)后置處理，通過(guò)仿真模擬和實(shí)例驗(yàn)證，得出有效的數(shù)學(xué)模型和算法公式，由此解決數(shù)控加工中的尺寸偏差問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：五軸數(shù)控加工? 后置處理? 3D刀具補(bǔ)償

刀具補(bǔ)償是數(shù)控加工系通過(guò)主要功能之一，在零件加工過(guò)程中，由于刀具在長(zhǎng)時(shí)間使用中出現(xiàn)變形和磨損，導(dǎo)致加工零件尺寸精度不滿足加工標(biāo)準(zhǔn)。以往解決方式為更新刀具或重新編寫加工程序，加大了刀具成本和程序維護(hù)難度。因此，需要盡快尋找一種高效的補(bǔ)償方法。本文提出了五軸數(shù)控系統(tǒng)刀具補(bǔ)償功能，在實(shí)際加工中有著較好應(yīng)用性。

1? 刀具補(bǔ)償基本原理

加工實(shí)踐中的刀軸矢量保持不變，在二維刀具補(bǔ)償算法中，是對(duì)切觸點(diǎn)坐標(biāo)按照表面矢量進(jìn)行處理，之后針對(duì)刀具中心位置編程。但是進(jìn)行3D刀具補(bǔ)償時(shí)，刀具矢量是不斷變化的，程序編程要求和二維刀具補(bǔ)償不同，實(shí)質(zhì)是根據(jù)切觸點(diǎn)表面矢量、刀具尺寸和刀具方向計(jì)算求得的。下面將具體分析五軸數(shù)控加工中常用刀具的補(bǔ)償處理問(wèn)題。計(jì)算出刀具補(bǔ)償時(shí)和刀位點(diǎn)坐標(biāo)，為之后的編程提供依據(jù)。如模擬所示，P為刀具切觸點(diǎn)，Op為刀位點(diǎn)，Oc是刀心點(diǎn)，O1是刃口圓心、R為刀具半徑，n為切觸點(diǎn)表面矢量，v為補(bǔ)償矢量。上述矢量都是單位矢量。

當(dāng)使用平底刀為刀具時(shí)，刀心點(diǎn)和刀位點(diǎn)重合，刀具補(bǔ)償向量和切觸點(diǎn)表面矢量重合，若刀具半徑從R變成R1時(shí)，則刀位點(diǎn)沿著補(bǔ)償向量平移，補(bǔ)償量為R1-R，得到新的刀位點(diǎn)坐標(biāo)：。式中：POp為P點(diǎn)到Op點(diǎn)的矢量，為兩點(diǎn)之間的長(zhǎng)度。

而選擇球頭銑刀為加工刀具時(shí)，刀具半徑和刃口半徑相同，刀具半徑從R轉(zhuǎn)變?yōu)镽1時(shí)，為了保證球頭刀和曲面相切，要進(jìn)行刀具補(bǔ)償。刀位點(diǎn)沿著補(bǔ)償向量平移，得到補(bǔ)償量為R1-R，這時(shí)補(bǔ)償向量可根據(jù)切觸點(diǎn)表面矢量與刀軸矢量得到。采用環(huán)形銑刀為刀具時(shí)，刀具半徑從R轉(zhuǎn)變?yōu)镽1，補(bǔ)償量為ΔR-Δr，這時(shí)沿刀軸矢量的刀具補(bǔ)償量是Δr。補(bǔ)償向量可通過(guò)刀軸矢量、切觸點(diǎn)表面矢量和刀軸矢量求得。在明確以上三種刀具的刀具補(bǔ)償計(jì)算模型和補(bǔ)償后刀具中心點(diǎn)坐標(biāo)方程的情況下，為五軸數(shù)控系統(tǒng)刀具補(bǔ)償功能的后置處理提供了理論依據(jù)。

2? 五軸數(shù)控加工3D刀具補(bǔ)償后置處理分析

2.1 刀位文件和數(shù)控系統(tǒng)刀具補(bǔ)償格式

數(shù)控加工刀具補(bǔ)償是指實(shí)際加工中刀具尺寸出現(xiàn)偏差時(shí)，讓原計(jì)劃刀位點(diǎn)沿著補(bǔ)償矢量進(jìn)行一定距離的位移，確保切觸點(diǎn)位置合理設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)生成刀具加工軌跡后，為了滿足數(shù)控加工刀具補(bǔ)償計(jì)算運(yùn)用的位置信息，應(yīng)對(duì)刀位文件格式類型進(jìn)行修改，確保得到的CLS文件包括接觸點(diǎn)、刀位點(diǎn)等信息。UG前置處理刀位文件格式主要對(duì)CLS文件中的字段輸出進(jìn)行調(diào)整，選中非切削位移界面中的切觸點(diǎn)數(shù)據(jù)輸出按鈕，生成的文件中包括切觸點(diǎn)位置信息，對(duì)于具有數(shù)控加工刀具尺寸補(bǔ)償功能的自動(dòng)化系統(tǒng)，當(dāng)已知切觸點(diǎn)的表面向量、刀具尺寸以及刀具方向后，可在刀具補(bǔ)償指令執(zhí)行下，自動(dòng)計(jì)算出刀具補(bǔ)償矢量和補(bǔ)償后的刀位點(diǎn)坐標(biāo)[1]。五軸數(shù)控系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)其刀具尺寸補(bǔ)償功能的同時(shí)，要保證各類信息的有效傳遞。以擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床為例，要求NC代碼包括機(jī)床坐標(biāo)系中的刀位點(diǎn)坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度，還要提供刀具切觸點(diǎn)的表面矢量坐標(biāo)，但是很少有系統(tǒng)能提供切觸點(diǎn)的矢量信息。這時(shí)需要通過(guò)相關(guān)公式求得，代碼中，刀位點(diǎn)坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度可根據(jù)CLS文件中的刀軸運(yùn)動(dòng)變換原理和尖點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算。

2.2 切觸點(diǎn)矢量計(jì)算

本文以環(huán)形銑刀為刀具進(jìn)行分析，切觸點(diǎn)法向矢量是指切觸點(diǎn)到圓心的矢量距離，通過(guò)表達(dá)式計(jì)算其矢量，要求知道POc矢量與m矢量，可通過(guò)計(jì)算得出。與這一刀具矢量計(jì)算公式比較，球頭銑刀和端銑刀矢量計(jì)算簡(jiǎn)單，當(dāng)r為零時(shí)，將得出的矢量進(jìn)行單位化處理后可得到端銑刀法向矢量;r=R時(shí)，對(duì)矢量進(jìn)行單位化處理，得到的便是球頭銑刀法向矢量。

2.3 五軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)求解要根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行矩陣的平移與旋轉(zhuǎn)，將加工零件坐標(biāo)下的刀位點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到機(jī)床坐標(biāo)系中的機(jī)床坐標(biāo)。對(duì)于以非正交旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)為主的數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，除了平動(dòng)軸外，還要考慮兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，分別確定以工件和刀具為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，在機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)是刀具對(duì)于加工零件的運(yùn)動(dòng)，因此，坐標(biāo)模型中兩者間運(yùn)動(dòng)關(guān)系是刀具坐標(biāo)系向加工零件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而得到數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，結(jié)合刀具擺長(zhǎng)、工作臺(tái)和擺頭轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在建立五軸數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系和刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換模型后，可從運(yùn)動(dòng)學(xué)理論角度出發(fā)，確定機(jī)床的轉(zhuǎn)動(dòng)軸坐標(biāo)系和平動(dòng)軸坐標(biāo)系。

3? 刀具補(bǔ)償?shù)暮笾锰幚矸治?/p>

目前使用的五軸數(shù)控加工機(jī)床，在后置處理程序編輯器作用下，開發(fā)出具有刀具尺寸補(bǔ)償功能的處理器，能在完成刀具補(bǔ)償后進(jìn)行后置處理，應(yīng)根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)程序等，修改和編寫宏程序和子程序，發(fā)揮系統(tǒng)功能。宏程序編程任務(wù)主要是讀取刀位點(diǎn)信息、機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、速度校檢、非線性運(yùn)動(dòng)的誤差校檢等。數(shù)控系統(tǒng)中定義了在數(shù)控加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)刀具補(bǔ)償?shù)闹噶睿?dāng)半徑補(bǔ)償功能和長(zhǎng)度補(bǔ)償指令開始執(zhí)行時(shí)，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)補(bǔ)償功能。調(diào)用補(bǔ)償指令后，要收集機(jī)床坐標(biāo)體系中的刀位點(diǎn)坐標(biāo)和刀軸旋轉(zhuǎn)角度等信息，還要了解切觸點(diǎn)的表面矢量大小。當(dāng)加工刀具尺寸變化后，要將變化量考慮到刀具補(bǔ)償計(jì)算中。數(shù)控加工系統(tǒng)可根據(jù)刀具補(bǔ)償矢量計(jì)算結(jié)果自動(dòng)補(bǔ)償，由此減少了系統(tǒng)維修工作量，并能保證數(shù)控加工程序有效運(yùn)行，從根本上避免零件加工誤差[2]。

如在使用球頭銑刀進(jìn)行零件加工時(shí)，可利用平臺(tái)指令編輯功能，通過(guò)后置處理程序輸出相應(yīng)的刀位點(diǎn)坐標(biāo)和各軸旋轉(zhuǎn)角度。通過(guò)數(shù)控加工刀具補(bǔ)償矢量算法，能確定刀位點(diǎn)沿著補(bǔ)償矢量的位移大小，進(jìn)而輸出補(bǔ)償矢量。為了驗(yàn)證上述系統(tǒng)補(bǔ)償功能的有效性，在進(jìn)行仿真驗(yàn)證時(shí)，以整體葉輪為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，生成包含切位點(diǎn)坐標(biāo)信息的葉輪文件。通過(guò)后置處理器編制刀具補(bǔ)償程序。某一企業(yè)生產(chǎn)中使用的虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)上述過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：利用刀具切削部位和刀具半徑都是3mm的球頭銑刀時(shí)，仿真效果顯示，當(dāng)?shù)毒叱叽绯霈F(xiàn)變化時(shí)，則葉片表面會(huì)發(fā)生0.1mm以上的欠切誤差，但是不會(huì)出現(xiàn)過(guò)切問(wèn)題。在執(zhí)行刀具補(bǔ)償指令后，盡管刀具尺寸有所變化，但工件加工表面不發(fā)生欠切或過(guò)切問(wèn)題。對(duì)比傳統(tǒng)的加工方案，證明本文提出的五軸數(shù)控系統(tǒng)刀具尺寸補(bǔ)償以及后置處理方式是有效的，在零件加工中有著較好應(yīng)用性。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，構(gòu)建五軸數(shù)控空間刀具補(bǔ)償數(shù)學(xué)計(jì)算模型，通過(guò)刀位文件信息推倒有關(guān)的計(jì)算方法，同時(shí)進(jìn)行刀具補(bǔ)償后置處理的程序編寫，利用數(shù)控模擬仿真軟件檢驗(yàn)五軸數(shù)控系統(tǒng)刀具補(bǔ)償計(jì)算公式準(zhǔn)確性。隨著數(shù)控加工系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)零件加工精度提出越來(lái)越高的要求，通過(guò)五軸數(shù)控系統(tǒng)刀具加工補(bǔ)償以及后置處理的實(shí)現(xiàn)，能發(fā)揮數(shù)控加工系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值，說(shuō)明本次研究具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡安江，宋仁杰.五軸數(shù)控加工3D刀具補(bǔ)償及其后置處理方法[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2018，38（1）：120-126.

[2] 李曉偉，夏鏈.五軸加工中心3D刀補(bǔ)下奇異點(diǎn)判據(jù)及處理研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，40（9）：1153-1157.