倾斜回转工作台五坐标数控机床后置处理.pdf

2 】 l 2年 7月 第4 0卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAULI CS J u 1 ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 4 ． 0 1 6 倾斜 回转工作台五坐标数控机床后置处理 陈芳 深圳职业技术学院，广 东深圳 5 1 8 0 5 5 摘要介绍一种旋转工作台倾斜的特殊五坐标数控机床，分析其结构和运动特点；利用矩阵变换的原理 ，建立该机床 的运动坐标系统，推导出刀位文件的后置处理方法，给出转角和直角坐标的计算公式，并在某单位机床上得到验证。该推 导思路和方法可用于其他特殊结构的五坐标机床。 关键词五坐标机床；后置处理；旋转工作台；矩阵变换 中图分类号T G 6 5 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 4一 o 4 4 3 Po s t Pr o c e s s i n g o f 5- a x i s CNC M a c h i n e To o l wi t h I n c l i ne d Ro t a r y W o r k tabl e CHEN Fa n g S h e n z h e n P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e ，S h e n z h e n G u a n g d o n g 5 1 8 0 5 5 ，C h i n a Ab s t r a c t A s p e c i a l 5 - a x i s CNC ma c h i n e t o o l w i t h i n c l i n e d r o t a r y w o r k t a b l e wa s i n t r o d u c e d ． I t s s t r u c t u r e a n d mo v e me n t c h a r a c t e r i s t i c s we r e a na l y z e d． The c o o r d i n a t e s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d a n d t h e c o r r e s po n d i n g p o s t p r o c e s s i n g me t ho d wa s d e riv e d b y ma t rix t r a n s f o r ma t i o n p r i n c i p l e ． T h e f o r mu l a e o f t h e r o t a r y a n g l e s a n d t h e mo t i o n c o o r d i n a t e s we r e p r e s e n t e d wh i c h w e r e t e s t e d t r u e b y ma c h i n i n g ． T h e d e ri v i n g me t h o d c a n b e a p p l i e d t o o t l l e r s p e c i a l 5 - a x i s C NC ma c h i n e t o o 1 ． Ke y wo r d s 5 - ax i s ma c h i n e t o o l ； P o s t p r o c e s s i n g ； Ro t a r y w o r k t a b l e ；Ma t rix t r a n s f o rm a t i o n 一 般来说，五坐标联动是指数控机床的 、Y 、 3个移 动坐标 和绕 、Y 、z 轴旋转 的 3个转 动坐标 A、 B、C中的任 意 5个 坐标 的线 性插 补运 动⋯ ，如 图 1 所示。一般机床的回转工作台都是水平的，这类机床 的后置处理很多资料都有阐述。但是当有些机床出于 尺寸大小的限制 ，将旋转工作台安装为倾斜时，则旋 转坐标A、B、c就不是绕 、Y 、 移动坐标轴旋转 ， 而是绕与 、Y 、 移 动坐标 轴成 一个 角度 的轴 旋转 。 这类倾斜回转工作 台的后置处理 却很少有 文章 提 到。某 单位 配有 西门子 8 4 0 D数控 系统 的 X K H 8 0 0 五坐标 机床 属于 这种类 型 ，作 者 将讨论这种倾斜旋转工作台五坐 标数控机床的结构和运动特点， 推导其刀位文件 的后置处理方法 。 1 机 床 的结构 与运 动坐 标 系 图 1 机床运动坐 标示意图 五坐标机床 的结构类型一般分 为 以下 3类 1 双摆头式 ； 2 双转台式； 3 摆头及转台式 J 。 该单位五坐标机床采用刀具摆动 工作台旋转的结 构 ，如图2所示。该机床 的5坐标分别为 、Y 、。3 个移动坐标和 B 、C旋转坐标。主轴能绕 Y轴旋转 日 角 ，角度范 围为 一 4 5 。 ～ 4 5 。 。刀具端部到 主轴旋转 中 心的距离为 L 。特殊的是 该机床旋转工作台不是安 装在机床 平面上 ，而是与 平面成 4 5 。 。工作台 绕与工作台垂直的轴线旋转 C角 ，旋转角度为 0 。 ～ 3 6 0 。 。值得注意的是 ，这里虽然命 名为 C坐标 ，但 是 它的旋转轴线并不是 Z 轴。 图 2 五坐标机床结构 图 为 了后面推导 的方便 ，建立如图 3 所示 的笛卡儿 坐标 系。 建立与机床 固联 的机床坐标系 O Y 坐标 系的原点为工作台旋转 中心， M 、Y 、 轴方向分 别与机床 、Y 、 轴的直线运动方向一致。 建立与刀具固联的刀具坐标系 O Y 坐标系 原点为主轴摆动轴线与刀具旋转轴线的交点。坐标系 z 轴始终与刀具旋转轴 线一致 ，坐标 系 Y 轴 与机床 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 3 0 作者简介陈芳 1 9 7 7 一 ，女，硕士研究生 ，副教授，主要从事数控机床应用研究等。Em a i l c h e n f a n g s z s z p t ． e d u ． c n 。 第 1 4期 陈芳 倾斜回转工作台五坐标数控机床后置处理 4 5 坐标系 0 Y 的 Y 轴平行 。主轴能绕 Y 轴摆动 。 笔 。 _ 图 3 机床 的运动坐标系统 建立 与旋转工作 台固联 的工件坐标 系 O Y z 该坐标 系相 当于机床坐标系 0 Y 先绕 Y 轴旋转 一 4 5 。 ，再绕倾斜后的z 轴旋转 C角。 2后 置 处理 把刀位原文件转换成指定数控机床能执行的数控 程序 的过程称为后置处理 ⋯。因此该机床后置处理可 转化 为以下数学问题 已知 刀心位置 在工件 坐标 系 0 Y z 中 的坐 标为 。 ， Y 。 。 ， 。 。 ，刀轴矢量 ， l 在工件坐标系中为 a ， a ， a 。求机床的运动坐标值 、Y 、 、B 、C 。 2 ． 1 转角计算 机床 的刀轴矢量转动关系如 图 4所示 。 c a r c ta n 可l a y l 当。 ≥ 0 且。 ≥ 0 c1 8 0。一a r c t a “ l a y [ 当 口 0且 a y 0 I 6 t l c 1 8 。 。 a r c ta “ 可l a y [ 当。 。 且a y0 c 3 6 a r c t a n 当 。且 a y 。 0 O 0 一 三 1 ‘ 1 0 0 1 0 0 ．0 0 c o s B 0 一 s i n B 0 代入式 1 ，得 Pc y 一 L s i n B 0 Lc o s B 1 2 2 刀 心 C 。在机 床坐标 系 0 Y 中的坐 标 P 。 与 刀心 C 。在工 件坐 标系 D w Y w w中的坐 标 P 的关 系为 0 0 0 0 1 0 0 1 0 O 4 6 机床与液压 第4 0卷 P。 P 。 3 其 中 工 件 坐 标 系 0 Y 相 对 于 机 床 坐 标 系 0 Y 的描述 为 工 件坐 标 系 0 Y z 可看 作最初 与机床 坐标 系 0 Y 重合 ，然后先绕 Y 轴 转 一 4 5 。 ，再绕倾斜后 z 轴旋转 一c角 根据相对运 动原则 ，刀具 相 对于 工件 为 c角 ，则工 件相 对 于刀 具为 一C角 ，因此齐次变换方程 R Y ， 一 4 5 。 R z ， 一 c 其 中 R y ， - 4 5 。 R ， 一C Pc C 。 ， c 。 Z C 。 1 ’ c o s 一4 5 。 、 0 0 l s i n 一 4 5 。 、0 ． 0 0 C O S C s i nC 0 s i nC C O S C 0 0 0 1 O O O 代人式 3 ，得 Pc 。 s i n 一 4 5 。 0 0 0 c o s 一 4 5 。 0 O 1 c o s c 。s i n C-Z c o 一 c 。 s i nC Y C oc o s C c o s c 。s i n c 。 l 4 3结束语 针对某单位特殊结构的五坐标机床，分析其结构 特点和坐标 系统 ，推导 出倾斜旋转工 作台的后置处理 公式。该计算公式已在该单位五坐标机床上得到验证， 其推导思路和方法也可用于其他特殊结构的机床。 参考文献 【 1 】刘雄伟． 数控加工理论与编程技术[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 0 1 6 9 ． 【 2 】 全荣． 常见五坐标联动数控铣床的结构与分析 [ J ] ． 机 械工程 师 ， 1 9 9 4 6 3 4 3 5 ． 【 3 】熊有伦． 机器人技术基础[ M] ． 武汉 华中理工大学出版 社 。 1 9 9 6 1 8 2 2 ． 上接第4 3页 1 结合实际加工选择刀片，提高刀具 寿命 ， 降低换刀次数 例 如 原 加 工 球 头 的 精 车 刀 片 的 S A N D V I K D C E T 1 1 T 3 0 1 ． U M G C 1 1 0 5刀具寿命较低 ，后分析该 刀 片适用 于不锈钢件 的加工 ，并不适用于钢件加工 ，需 重新选 择 刀 片。刀片更 改 为 S A N D V I K D C G T 1 1 T 3 0 1 一 U M 1 0 2 5 ，更改 刀片后的实 际加工 工件数 1 4 0 0～ 1 6 0 0 件 ，而机床原配刀具只能加工 4 5 0～ 5 0 0件。刀 具寿命提升后，单件价格 由0 ． 2 2元降低到 0 ． 0 7元 ， 单件成本降低 0 ． 1 5元 。 2 合理分配加工余量 ，提高刀具寿命 例如 粗加工 球 孔 的钻 头 由原配 的 D 3 ． 5的 钻头更改为 D 3 ． 8的钻头，可减少精加工余量，提高 成 型铣刀 寿命 ，更改后 的实际加 工工件 数 为 5 2 0 0～ 5 6 0 0 件，而机床原配刀具只能加工 3 0 0 0～3 4 0 0件。 刀具寿命提升后，单件价格 由0 ． 3 4元降低到 0 ． 1 9 元 ，单件成本降低 0 ． 1 5元。 3 优化程序，降低节拍，提高设备利用率 如表 2所示 ，改 进前 ，外形 中 S R 1 3的加 工方式 为两次粗车，一次精车 ，表面有接刀痕迹。为解决此 问题 ，采 用表 3所示 的加工方式 ，更换刀片材质 ，选 择大切深 刀片 ，一次加 工 ，避免 出现接刀痕迹 ，零件 表面加工质量提高 ，无 接刀痕 ，不 同品种加 工节拍 平 均降低4～ 6 S 。 表 2改进前外形 S R1 3的 j n - r 方式 工序 刀具号 走刀路径 粗 轴 1 2 ． 84 3 蚴 S L1 2 饿 3 扭一 表 3 改进后外形 S R 1 3的J j - r 方式 参考文献 【 1 】霍苏萍． 数控车削加工工艺编程与操作[ M] ． 北京 人民 邮电出版社， 2 0 0 9 ． 【 2 】袁哲俊， 刘华明． 刀具设计手册[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 1 9 9 9 ． 【 3 】王光． 数控加工刀具 的正确选择 [ E B ／ O L ] ． h t t p w w w ． m w 1 9 5 0 ． c o r n ／ 中国金属加工在线 ， 2 0 0 8 ．