基于UG的五轴联动机床后置处理器研究与实现.pdf

第 6期 2 0 1 1年 6月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c h i ne To o l Aut o m a t i c M a n uf a c t ur i n g Te c hn i qu e NO． 6 J u n ．2 0 1 1 文章 编 号 1 0 0 12 2 6 5 2 0 1 1 0 60 0 1 70 3 基于 U G的五轴联动机床后置处理器研究与实现 粱蔓安 ， 唐 清春 ， 黎 家宏 广 西工 学院 重型车辆 零部件 先进设 计制造 教 育部 工程 研 究中心 ， 广 西 柳 州 5 4 5 0 0 6 摘要 在 UG前 置处理 输 出的刀 位文件 的基 础 上 ， 针 对 A C回转 工 作 台式五 轴 联 动数 控 机床 结构 ， 分 析 了后置 处理 中重要 的机 床运 动轨 迹 坐标 变换 ； 就 加 工表 面曲率 变化 较 大 时 ， 旋 转 自由度 大幅 摆 动 导致加 工表 面质 量下 降的 问题 ， 提 出 了进给 速度 修 正 的方 法 并 论述 了数控 系统 S I E M E N S 8 4 0 D特 有 的钻 削循 环类指 令的后 置处理 方 法 所 开发 出的后 置 处理 程序 的 正 确性 通过 在 B V一1 0 0机 床 上 某叶轮 样件 的加 工得到 了验证 。 关键词 数控 系统 ； 后 置 处理 ； 速度 调 节 ； U G 中图分类号 T P 3 9 1 文献标识 码 A Re s e a r c h a nd I mpl e m e nt o f Po s t Pr o c e s s i n g o n Fi ve - Ax i s M a c h i ne Ba s e d o n UG L I A NG Ma n a n，T AN G Qi n g e h u n，L I J i a h o n g E n g i n e e r i n g Re s e a r c h C e n t e r o f Ad v a n c e d D e s i g n a n d Ma n u f a c t L l r e o f He a v y d u t y Ve h i c l e Co mp o n e n t s ， G u a n g x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，Gu a n g x i L i u z h o u 5 4 5 0 0 6，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n c u t t e r l o c a t i o n fi l e g e ne r a t e d b y U G Pr e - Pr o c e s s i n g ， five - a x i s ma c h i ne e q u i pp e d wi t h AC r o t a r y wo r k b e n c h i s o b j e c t i v e ， c o o r d i n a t e t r a n s f o r ma t i o n o f ma c h i n e t r a j e c t o ry wh i c h i s t h e m a j o r p a r t o f po s t pr o c e s s i ng i s a n a l yz e d．Fe e d r a t e r e c t i fic a t i o n i s pr o pos e d t o a v oi d s u r f a c e q ua l i t y d e c l i n e d u e t o r o t a ry d e g r e e s wi n g i n g whe n pr o c e s s s u r f a c e c u r v a t u r e c h a n g i n g gre a t l y． Pos t pr o c e s s i n g o f i n s t r u c t i o n s o f d r i l l i n g c yc l e o n S I EM ENS 8 4 0 D CNC s ys t e m i s d i s c u s s e d．Po s t pr o c e s s i n g pr o gra m i s d e ve l o pe d a n d v a l i d a t e d o n BV_ 1 0 0 ma c h i n e wi t h a n e x a mpl e pr o c e s s o n a i mpe l l e r mo d e 1 ． Ke y wo r d sCNC s ys t e m ； po s t pr o c e s s i n g ；v e l o c i t y r e g u l a t i o n； UG 0 S l 言 置处理进行了研究和开发 - 后置处 理是数 控 自动 编程 过程 中一个 重 要 组成 部 分 。其 主要任 务是 对前 置处 理 中生 成 的刀 位 文件 进 行转换 ， 生成特 定 数控 系统 能 够识 别 的控 制 指令 。 不 同于三轴 联 动 机 床 ， 五 轴 联 动 机 床 由 于 回转 工 作 台或摆动 主轴 的加入 ， 一 方面 导致 机 床结 构 多 样 ， 运 动 轨迹 坐标变换算 法 不 尽相 同 ； 另一 方 面 ， 在 加 工表 面 曲率 变化 较 大 时 ， 需 要 动态 调 整 进 给 速 度 以确 保 加_丁件 表 面质 量 。此 外 对 于 不 同 的数 控 系统 ， 一些 特殊功 能对应 的 G、 M 代码 的 意 义和 格式 存 在 差 异 。 随着五轴 联 动 机床 的 国产 化 ， 迫 切 需 要 开 发 出 与 机 床结构 、 加 工 对 象 和配 套 系统 相 适 应 的 后 置 处 理 软 件 。本 文在 U G输 出的刀位 文件基 础上 ， 对 配 以 S I E ME N S 8 4 0 D系统 的 A C转 动 工 作 台式 数 控机 床 的 后 1 机床 运 动 轨 迹 求 解 U G的前置 处理是 依据 三 维造 型 ， 利用 辅 助编 程 功能将 加1 时相对 于 工件 坐标 系 的 刀具 位置 轨迹 和 其它数控操作信息输出至刀位文件 中， 此文件语法 遵 循 A P T格式 。其 中最 重要 的刀 具 位 置 ， 在 五轴 机 床 中需 要通 过刀心 坐 标 和刀 轴矢 量 联合 描 述 P ， ，i ， ， J c 。后置处 理 最重 要 的任 务则 是依 据 具体 机床结 构 ， 通 过相应 的坐 标变 换 ， 将刀 具位 置 转换 成 为机 床坐标 系下 由五 个相 互 独立 驱 动轴控 制 的运 动 坐标 P ， y ，z， A， 曰， c ， 并 选 择 合适 的插 补 方 式 构成 这些坐 标间 的运动进 给指 令 。 A C回转工作 台式 数 控机 床 的结 构 如 图 1 ， 在 直 角 i坐标平 移 自由度 的 基 础 _L， 工 件 可 以 通 过 回转 收稿 日期 2 0 1 01 l一 0 8 基金项 目 广西教育厅科研资助项 目 2 0 0 9 0 8 L X1 7 8 ； 广西科技厅科技攻关项 L I 桂科攻 0 9 9 2 0 0 2 6 作者简介 梁蔓安 1 9 7 8 一 ， 男 ， 南宁人 ， 广西工学院硕士 ， 讲 师， 主要研究领域为机 电一体化设计 ． E 1 8 组合机 床 与 自动化 加 工技术 第 6期 工作台 c绕 z轴自由独立旋转 c角 ； 通过 回转工作 台 A 自由独立 摆动 A角 。两旋 转 轴线 垂 直相 交 。机 床运 动坐标 的求 解思 路 首 先是 通 过 坐标 平 移 ， 使 工 件坐 标系平 移 距 离 d后 ， 原 点 与机 床 运 动 坐 标 系原 点重 合 ， 接 着 利 用 两 回转 工 作 台 的旋 转 完 成 如 图 2 的坐 标旋转 回转 台 C旋 转 角 度 c ， 使 刀轴 矢 量 绕 z 轴转 到 Y Z平 面 内 ， 再 利用 回转 台 A旋 转角 度 A， 使 刀 轴矢 量绕 轴 最终转 至 与 z轴 正方 向一 致 。则旋 转 角度 c 、 A与刀 轴矢量 的关 系 C 图 1机 床 结 构 图 2旋 转 坐 标 变 换 ar ct an - j 2 一。 j 2 k 9 。。一a r c t a nf f i 0n ≥o i 0nj o i onjO 机 床运 动坐标 系 中的三 平移 坐标 由坐标 变换得 [ x， Y ， z， 1 ][ ， Y ， ， 1 ]． 7 T3 其 中 0 0 l O 0 1 0 d C O S C s i nC 0 s i n C C O S C 0 0 0 1 O 0 0 1 0 0 C O S A 0 s i n A 0 O ；1为 回 转 台 c旋 转 变 换 矩 阵 ； 将 刀位文件 中 的 P ， 依 次 通 过 上 述 坐 标 变 换 转 换 为机 床运 动 坐 标 P ， 并 结 合 上 下 文 中 的 R A P I D、 C I R C L E等关键 字 ， 即可生 成 N C代 码 中主 要 的运 动 位 置控 制类指令 ， 如 G 0 0 、 G 0 2等 。 2进给速度 的修正 进 给速度 是数 控加 工 切 削用 量 中 的一 个 重要 参 数 ， 直接 影 响 到 加 工 表 面质 量 。数 控代 码 中 的进 给 速 度指 的是 各 轴 的伺 服 控 制 速 度 ， 而 伺 服 控 制 速 度 以对应 轴 的位移 合成 来 确定 。虽然 理 论 上端 铣 加 工 时多 轴控 制下 的刀 具 切削 点 相 对 于工 件 的实 际 进 给距离 是 和刀位 文件 中连续 刀 心 之 间 的距 离保 持 一 致的。但在加工一些表 面曲率变化较 大的工件 时， 曲率较 大处 旋转 自由度 的大 幅摆 动 而刀 心 的微 小 移 动容易 在切 削处 留下 刀 口状 切 痕 ， 使 局 部 粗 糙 度 增 大 。因此有 必要 在后 置处 理 中依据 加 工 表 面 曲率 变 化对数 控代 码 中的进 给速 度进行 修 正 。 在 多轴 联 数 控 系 统 中 ， 对 运 动 加 工 进 给 速 度 的 控制 指令 G 9 4有效 时 ， 数控 代 码 段 中 的 F值 被 定 义 为进 给速度 ， 即 F AS ／AT 而在 U G 的 前 置 处 理 中 依 据 加 工 工 艺 要 求 在 F E D R A T关 键字 给 出 的进 给速 度 ．厂 是 没 有 考 虑 旋 转 自由度 的。若直 接效 仿三 轴联 动 的后 置处 理 ， 则 AS 、 为 了避免上 述 因旋转 自由度 大 幅摆 动 导致 的表 面粗糙 度增 大 ， 当 前 一 些 较 新 的数 控 系统 普 遍 采 用 扩展线 位 移 的方 法 ， 即把 旋 转 自由度 的位 移 也 等 同 于平移 自由度位 移看 待 ， 一 起 计入 合 成 位 移之 中 。 则 A S ／ A X △ y △ z A A A A C 式 中的 A是根 据走 刀轨迹 曲率 变化 程度 确 定 的修 正 系数 。此 时 的多轴联 动 加 工 NC程 序 中的 F代表 的 是单 位时 间 内产 生 的当量 位移 。 因此 ， 考虑旋转 自由度的影 响， 在依据加工工艺 要求选 择 ，的基 础上 ， 对 N C程序 中 ，进行 修正 垒 垒 垒 墨 垒 垒 2 需要 注意 的是 在某 些 N C程 序 段 ， 当在 工 件 坐 阵 矩 换 变 转 旋 A 厶 口 转 回 勾 A 0 {詈 0 一 C ． 上 ． 、 J n n a a C C a a 一 O O 0 7 7 o 8 2 2 0 l 阵 矩 换 变 移 乎 标 坐 为 2 0 1 1年 6月 梁 蔓安 ， 等 基于 U G 的五轴联 动机 床后 置处理器 研 究与实现 l 9 标系 中两个 连续 刀 位点 的刀 心 坐 标 不 变 ， 仅 刀 轴 矢 量发生 变 化 时 ， 由上 式 修 正后 得 到 的进 给 速度 ，趋 于无穷 大 ， 超 出实 际 数 控 系统 允许 的进 给 速 度 指 令 的极 限值 。对 此 N C程序 段 相 应 的进 给速 度 F需 要 设定一 个极 限值 F 。 3 钻 削循环后置处理 由于各数 控 系 统 、 机 床 厂 家 提 供 功 能 的 多 样 性 等原 因 ， 仍有 大 量 未做 统 一 规 定 的代 码 在 各 数 控 机 床上 根 据 需 要 自行 定 制 。 常 用 的 钻 削 循 环 ， 在 F A N U C和 S I E M E N S系统 中的代码就 不尽 相 同 ， 并 且 由于加T 工艺 的变 化 ， 随后 的加 工 参 数 也 存 在 较 大 差异 。因此需 要 在 后 置 处 理 中根 据 具 体 的 数 控 系 统 ， 将 刀位文 件 中 的 相应 代 码 转 换 成 为 系 统 能 够 识 别的 N C程 序 。 S I E ME N S 8 4 0 D系 统 提 供 的钻 削 固定 循 环 指 令 C Y C L E 8 1～ C Y C L E 8 9是 一 类 钻 削 T艺 子程 序 ， 借 助 它可 以有 效实现 各类孔 系 的复 杂钻 削加工过 程 。 其 中多次 进 刀 、 带 退 刀 排 屑 功 能 的深 孔 钻 削 加 工 指令 C Y C L E 8 3 工 艺过 程如 图 3 。与其 相对 应 的 在 U G前 置处理 输 出的深孔 钻削刀位 文件格 式 C Y C L E ／ D R I I L ， D E E P ， S T E P [ ， d a t a [ ， d a t a ⋯ ] ， D WE L L ，d a t a ] ， R A P T O[ ， d a t a ] ，F E D T O[ ， d a t a ] ，R T R C T O[ ， d a t a ] ， MM PM [ ， d a t a ， O P T I O N CnT0⋯ CYCLE／0FF 亘 - ，■■ _ ／ ＼ I l ／ ＼ I I ． 一F DE -J J F D E 7， ． ／ ／ ／，／ ／ ■ 【 ／／／／／／／， - ■ 图 3深 子 L 钻 削工 艺 过 程 表 l列 m了 8 4 0 D系 统 C Y C L E 8 3指 令 的 参数 和 与之对 应的 U G刀位 文件关键 字 的工 艺要求 。 表 1 CYCLE8 3参 数 对 应 关 系 CYC L E8 3 UG 参 数 关 键 字 工 艺 要 求 z轴坐标 R T P 退回平面高度 绝对坐标 RT RC T0 R F P Z轴坐标 基准面高度 绝对坐标 S DI S R A P T O 安 全 距离 D R P F E D T O 相 对 于基 准 面 的 最 终 钻 削深 度 续 表 CYCL E 8 3 UG 工 艺要求 参数 关键字 F D P R S T E P l 第一个钻削深度 S TE P 2 D A M 钻 削 深度 递 减 量 一 S T EP 3 D T B D WE I L 钻削深度停 留时间 F R F 进给系数 推荐 1 V A R I 0 断屑加工 l 退刀排屑加工 MM P M 进 给速 度 m m ／ min 后 置处理 程序需 要 在处理 C Y C L E ／ D R I L L ， D E E P 关键 字 时 ， 选 择 C Y C L E 8 3指 令 ， 并 依 据各 工 艺 参 数 的对应 关 系 ， 完成 指令后 参数 的变换 。结果如下 U G 刀 位 文 件 C Y C L E ／ D R I L L ， D E E P ， S T E P ， 4 0 ． 0 0 0 ， 3 0． 0 00，2 0． 0 0 0， DW EL L，2． O 0 0， RAPTO ，5． 00 0，FEDTO ， 一 9 0． 0 0 0， RTRCTO， 1 0． 0 00， MMP M ， 2 50 ． 00 0， OP TI ON GOTO 3 50 ． 00 0， 2 0． 0 0 0， 1 20 ． 0 00， 0． 0 00， 0 ． 0 00， 1 ． 0 00 GOTO 一35 0． 0 00， 2 0． 00 0， 1 20 ． 0 00， 0． 0 0 0 ， 0． 0 0 0 ， 1 ． 0 0 0 CYCI E／0FF 相 应后 置处理结 果 N5 0 G00 X3 5 0． 0 00 Y2 0． 0 0 0 Z1 3 0． 0 00 F2 5 0． 0 0 0 N 5 5 CY CL E 8 3 1 3 0 ． 0 0 0，1 2 0 ． 0 0 0，5 ． 0 0 0． ，9 0 ． 0 0 0， ， 4 0． 0 0 0 ， 1 0 ． 0 0 0， 2 ． 0 0 0， ， 1， 1 N6 O GOO X 一3 5 0． 0 00 Y2 0． 0 00 Z1 3 O． 0 00 F2 5 0． 0 00 N 6 5 CY CL E 8 3 1 3 0 ． 0 0 0，1 2 0 ． 0 0 0，5 ． 0 0 0， ，9 0 ． 0 0 0， ， 4 0． 0 00， 1 0 ． 0 0 0， 2 ． 0 0 0， ， 1 ， 1 4 结束语 基 于上述 五轴 联 动 机 床 后 置 处 理 方 法 的 研 究 ， 以 U G前 置 处 理 输 出 的 刀 位 文 件 为 输 入 ， 在 V i s u a l c 环 境 下 开 发 了 以 S I E M E N S 8 4 0 D为 数 控 系 统 、 具有 A C回转 工作 台结 构 的五 轴联 动 机 床 的后 置 处 理软件 。 在 B V 一 1 0 0数控 机 床 上 加 工 某 叶 轮 样 件 以验 证 后置处 理算法 的正 确 性 ， 如 图 4 。经 检 测 ， 工 件 表 面 粗糙度 分布 不 均 的 现 象得 到 了有 效 改 善 ， 证 实 了进 给速度 修正 的可行 性 。开 发 的后置 处 理软 件具 有 较 好 的生 产应用 价值 。 图 4加 工 的叶 轮 样 件 下转 第 2 2页 - 2 2 组合 机床 与 自动化 加工 技术 第 6期 以及 电机轴 输 出端 的振 荡 特性 也会 导致 整 个进 给 系 统产 生振 荡 。虽 然 在 普 通 机 床 的进 给 系统 中 ， 这 种 振荡 可 以忽 略不 计 ， 但 是 对 精 度 达 到 了 纳 米 级 的 超 精 密滚珠 丝杠 进 给 系统 来 说 ， 这 种 振 荡 则 必 须 要 考 虑 。这种 情 况下 ， 就 需 要 对 电 机 轴 的 输 出 端 施 加 一 定 的转 矩 动载 荷来 进 行滚 珠丝 杠 进给 系统 的谐 响应 分析 。由于 图 5所示 传 统 的滚 珠 丝杠 进 给 系统 模 型 无法正 确描 述 其 传 动 关 系 ， 并 且 有 限 元 软 件 又 没 有 提供合 适 的单 元 ， 所 以这 种 谐 响 应 分 析 在 目前 是 一 个 难点 。文 中根 据 谐 响 应 运 动 方 程 及 A N S Y S中弹 簧单元的特点 ， 提 出了一种新 的滚珠丝杠进给系统 有限元 分析 的模 型 ， 该 模 型 可 以正 确 的分 析 电机 轴 输 出端施 加 的转 矩动 载荷 对 整个 进 给系 统所 产 生 的 谐 响应 。如图 7所 示 。 图 7新 的滚 珠 丝 杠 进 给 系统 模 型 示 意 图 在 图 7中 ， 辅助 件用来 表示 电机 轴 。图 8是 给电 机轴 轴 向施 加 1 0 N的正 弦力 矩信 号 时谐 响应 分 析 的 结果 。 由计 算 结 果 可 知 ， 当 进 给 系统 在 约 为 6 5 0 H z 和 1 0 5 0 H z时 ， 谐 响应 的振 幅最 大 。此 时的 振 幅约 为 2 ． 1 n m。可见 ， 在精 度 达到纳 米 等级 的超 精 密滚 珠 丝 杠进 给系统 中 ， 这 种 振 荡是 不 可 忽视 的 。所 以 ， 在 系 统进 给 的过程 中 ， 应 尽 量 使 电 机 轴输 出 的 转 矩 动 载 荷避 开这个 频率 ， 从 而提高 系统 的定位 精度 。 2 ． 7 5 2 ． 5 2 -2 5 苫I ．75 1 ． 5 毒L 0 ． 7 5 O ． 5 0 ． 2 5 ll I l 『l I l J l ， 1 一， l | _ 0 2 0 0 4 0 O 6 O 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 O 0 1 4 0 0 频率 ／ Hz 图 8进给 系统的谐响应分析 电机轴 4 结束语 首先使用了有限元法对超精密滚珠丝杠进给系 统 进行 了谐 响应分 析 。得 到 了进 给 系统 的工 作 台轴 向受到 正弦 力载荷 时 系 统 的谐 响 应 曲线 。这 为 超精 密机床 在加 工 时 避 免 振 动 过 大 ， 提 高加 工 精 度 提 供 了一定 的理 论依据 。 其 次 ， 由于 目前 传 统 的 滚 珠 丝 杠 进 给 系统 有 限 元 模 型不能 准确 的分 析 电机轴 输 出端 的 转矩 动 载 荷 对 进 给系统 产生 的谐 响 应 ， 对此 ， 建 立 了一 种 新 的滚 珠 丝杠 进给 系 统 的有 限元 模 型 ， 保 证 了其 谐 响 应 分 析 的准确性 。这 为对 滚 珠丝 杠 进 给 系统进 行 准 确 的 动力 学有 限元分 析提 供 了一 种新 的手段 。 最后 可知 ， 在超精 密 滚珠 丝 杠 进 给 系统 中 ， 电机 轴输 出端 的转 矩动 载荷 会 对进 给 系 统 的定 位 精度 产 生不 可忽 视 的影 响。从 而 提 出 了一 种通 过 调 整 电机 轴输 出端 的转矩 动 载荷 来 提 高超 精 密 滚珠 丝 杠进 给 系统 定位 精度 的新思 路 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]卢礼华 ， 郭永 丰 ， 下河边 明 ， 等．滚 珠丝杠 在超精 密定 位 中的应用 [ J ] ．航空精密制造 技术 ， 2 0 0 7 2 2 1 2 4 ． [ 2 ]张朝晖 ， 李树 奎．A N S Y S 1 1 ． 0有限元分 析理论与工 程应 用 [ M] ．北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ]S a e e d Mo a v e n i 著 ， 王松 ， 董春 敏 ， 金 云平 ， 等 ， 译．有 限元 分析一 A N S Y S理论 与应用 2版 [ M] ．北京 电子工业 出 版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ]宁怀明 ， 王彦红．T H K滚珠丝杠基于 A N S Y S的动 态分析 [ J ] ．煤炭技术 ， 2 0 1 0 7 1 81 9 ． [ 5 ]傅 中裕 ， 杨晓京．A N S Y S的丝杠模态分析 [ J ] ．机械制造 与研究 ， 2 0 0 4 6 3 73 9 ． [ 6 ]安琦瑜 ， 冯平法 ， 郁 鼎文．基于 F E M 的滚珠 丝杠进 给系 统动态性能分析 [ J ] ．制造技 术与机 床 ， 2 0 0 5 1 0 8 5 8 8． [ 7 ]巫少龙 ， 张元 祥．基 于 A N S Y S Wo r k b e n c h的高速 电主轴 动力学特性分析 [ J ] ．组合机床与 自动化加 工技术 ， 2 0 1 0 9 2 02 6 ． [ 8 ]李小彭 ， 刘春时 ， 马晓波 ， 等 ．数 控机 床加工 精度 提高技 术 的进展及其存在 的问题 [ J ] ．组合 机床与 自动 化加工 技术 ， 2 0 1 0 1 1 1 4 ． 编辑赵蓉 上接 第 1 9页 [ 参考文献] [ 1 ]刘雄伟 ， 等．数控加工理论 与编程技 术 [ M] ．北京 机械 工业出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ]周瑞红 ， 成群林 ， 穆 英娟 ， 等．基 于 P r o ／ E的多 轴联 动数 控加工进给速度 控制 技 术研 究 [ J ] ．制 造技 术 与机 床 ， 2 0 0 9 1 1 2 31 2 5 ． [ 3 ]唐清春 ， 吴汉夫 ．叶 片五坐标 联动加 工后 置处理 开发及 应用 [ J ] ．汽轮机技术 ， 2 0 0 9 ， 5 1 6 4 7 5 4 7 7 ． [ 4 ]西 门子 S i n u m e r k 8 4 0 D循 环编程 手册 [ M] ．S I E ME N S公 司 ． 2 0 0 8 ． [ 5 ]王宏莲．S i n u me r k 8 0 2 D孔加工 固定循环后置处理分析 与开发 [ J ] ．制造技术与机床 ， 2 0 0 9 1 0 1 5 71 5 9 ． 编辑李秀敏