VMC850 F五轴联动机床坐标变换的研究.pdf

2 0 1 4年 2月 第4 2卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAULI CS Fe b ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 1 0 V M C 8 5 0 F五轴联动机床坐标变换的研究 唐清春 ，张健 广西科技 大学工程训练中心，广西柳 州 I 5 4 5 0 0 6 摘要以某数控机床研究所研发的 V M C 8 5 0 F五轴联动机床为例，通过坐标系统间的变换关系，推导出了刀轴矢量及 刀位点运动换模型，对该模型方程进行了求解。根据此算法开发了后置处理器，通过在 V MC 8 5 0 F机床上加工叶轮样件得 到了验证，为五轴后置处理器的开发提供了参考。 关键词五轴联动机床；坐标变换 ；后置处理 中图分类号T K 2 6 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 30 3 5 3 Re s e a r c h o n Co o r d i na t e Co nv e r s i o n f o r VM C8 5 0F Fi v e - a x i s Li nk a g e M a c h i ne T A N G Q i n g c h u n ．Z H A N G J i a n 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 ，L i u z h o u G u a n g x i 5 4 5 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g VMC 8 5 0 F fi v e a x i s l i n k a g e ma c h i n e ma n u f a c t u r e d b y s o me r e s e a r c h i n s t i t u t e o f C NC ma c h i n e a s a n e x a mp l e ， t h e t r a n s f o r ma t i o n a l mo d e l f o r t h e c u t t e r l o c a t i o n v e c t o r a n d i t s p o i n t s wa s d e d u c e d b a s e d o n c o n v e r s i o n c o n n e c t i o n o f c o o r d i n a t e s y s t e ms ，a n d t h e n t h e mo d e l e q u a t i o n s we r e s o l v e d ．Ac c o r d i n g t o t h e a r i t h me t i c，a p o s t p r o c e s s i n g s o f t wa r e wa s d e v e l o p e d，wh i c h wa s v e r i fie d b y a i mp e l l e r mo d e l p r o c e s s o n VMC 8 5 0 F ma c h i n e ． I t p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r fi v e a x i s p o s t p r o c e s s o r d e v e l o p me n t ． Ke y wo r d s F i v e a x i s l i n k a g e ma c h i n e ；C o n v e r s i o n o f c o o r d i n a t e ；P o s t p r o c e s s o r 五轴数控加工通常是经前置处理 、后置处理等 过程 ，才能得到数控机床 的加工程序 。在数控编程 中，前置处理一般是用 C A M软件生成刀位源文件 的过程 ；后置处理是将前置处理所得到的刀位源文 件装换成指定的机床数控程序代码 ，而后置处理的 关键是机床运动坐标及 角度 的变换。以 V M C 8 5 0 F 五轴加工中心 AC工作 台双 回转五轴机床 为 例 ，利用数学模型 ，推 导出机床坐标及 角度变换 模 型并求解 。通过实例加工论证 了该方 法 的正确 性 。 1 V MC 8 5 O F五轴联动机床坐标变换模型 五轴联动数控机床按其具体机床结构不同可以分 为多种。而不同结构的五轴联动数控机床的坐标及角 度变换是不同的。对图 1所示为 AC双转台机床， 其运动链如图2所示 ，通常各个坐标系统之间的变换 就是各个基准之间的变换，各个基准之间的变换常常 选用矩阵论中的坐标转换矩阵法。 图 1 A、C双转台结构机床 图2 双转台机床运动链 1 ． 1 坐标 系统变换的数学模 型 如图3所示，假设任意有两空间三维坐标系 M、 N。在空间三维坐标系 M 中，有一任意点坐标值为 l ， M Z ；在空问直角坐标系 N中，也有一 任意点的坐标值为 X Y N Z ；在三维空间中， 三维 坐 标 系 M 变 换 到 三维 坐 标 系 N 的平 移 因子 为 △ △ △ Z n ，三维坐标系 M变换到三维坐标 系 N的旋转因子为 ， ， v I z 。根据上述给出的 数据，可以推导出两个坐标系问的变换关系，且用数 收稿 日期 2 0 1 21 02 9 基金项目柳州市机械及机电一体化产业关键技术攻关项目 2 0 1 1 C 0 3 0 1 0 7 作者简介唐清春 1 9 7 2 一 ，男 ，硕士，副教授 ，研究方向为多轴数控机床的加工与开发。Em a i l g x t a n g q i u g c h u n 1 6 3 ． c o n。 3 6 机床与液压 第4 2卷 ㈩ Q l 0。。 in lx l r c o s ／ y 0 一 s i n ， r ] l 0 0 1 j UN y 图 3 基准 一 坐标转换图 1 ． 2 V MC 8 5 0 F中坐标 变换模 型 根据图2所示的A c双转台机床，其 A轴摆动 轴线与 c轴回转轴线相互垂直且相交，创建一个坐 标 系统如 图 4所示。 统中， 、y 、z 、A 、c各轴均 与机床坐标系 同向。 容易看出，坐标系统之间的变换就是不同坐标系之间 的平移与旋转。 根据图 1 所示机床 ，假设机床主轴轴线与回转轴 C的轴线平行 。把此刻的状态定位机床原 始状态 ，此 刻，坐标轴 ， ，z 的方向与机床坐标系相 同，z 轴垂直于工作台，r n 1 m ，m ，m 为刀具坐标系 O 。 X Y Z 与工件坐标系 0 X Y Z 交点 0 的位置矢量 值。在刀具坐标系 O o X Y c Z 中，记 r t ，t ，t 为机床平 动轴相对于初始状态的位置值， 和 逆时针为正为回转轴 A 、C相对于初始状态的值 ， [ 0 0 0 r和[ 0 0 1 r分别为刀具的位置和刀轴 矢量值。， ， ， 和 ， ． n ，n ，n 分别 为工件坐标系 0 X Lz 中刀轴方向和刀位矢量。此 时 ，， ， y ， z 和 r n ，n ，n z 可 由刀具 坐标系 0 X Y Z 到名义坐标系 0 X Y Z 的平移为 ， ，T ， ． 一 ， 和 名义 坐标 系 0 X Y m Z 到 工 件坐标系 0 X YZ 的旋转为 一 ，R 一 得 [ y 0 r T ， 一卢 R 一 T r 一 r [ 0 0 1 0 ] 1 [ n n n 1 T ， R 一卢 尺 一 T r l r m [ 0 0 0 1 ] 2 式中有关平移与旋转运动的齐次坐标变换矩阵为 1 0 0 i n 0 1 0 i ny 0 0 1 mz 0 0 0 1 R 一 卢 R 一 c， 图4 双转台工件坐标系 其中坐标系 0 X 。 Y o Z 、坐标系 0 X y m z 、坐标 系 0 X Y , Z 分别为与刀具 、回转轴、工件固联的坐 标系，故称 0 ⋯ X Lz 。 为刀具坐标 系，0 X Lz 为 名义坐标 系和 0 X Lz 为工件坐标系。在此坐标系 根据式 1 0 0 t xm 0 1 0 t ymy 0 0 1 t zmz 0 0 O 1 一 c 0 c s i n ／ 3 c 0 一 s i c c o s c 0 O O 1 0 0 0 1 O 0 0 c o s ／ 3 A s i n f { a 0 一s i r eA c o s ／ 3 A 0 0 0 1 和式 2 s i n ／ 3 。 s i n ／ 3 c ] i ．。 。 。I c o s ／3 4 1 0 J 可得机床的运动变换为 3 0 0 0 l 0 0 0