五軸數控加工３Ｄ 刀（dāo）具補償（cháng）及其後置（zhì）處理方法
2018-7-17 來源：西安（ān）建（jiàn）築科技大學 機（jī）電工程學院（yuàn） 作（zuò）者：蔡安江，宋仁傑（jié），杜金（jīn）健，李林
摘要（yào）：為（wéi）解決五軸數控加工過程中，由於刀軸矢量不斷變化（huà），刀具補償方向無法確定（dìng）引起刀具在三維（wéi）空間中無法補償的問題，提出一種（zhǒng）基於前置與後置處理的五軸數控加工（gōng） ３Ｄ 刀具補償方法（fǎ）。針對具（jù）備３Ｄ 刀具補償功能的數控係統，推導出五軸數控加（jiā）工３Ｄ 刀具補償的補償（cháng）矢量與補償後刀位點（diǎn）坐標的矢量計算方程，並基於（yú）前置三維軟（ruǎn）件（ＵＧ）的前置處理，建（jiàn）立了控製刀位（wèi）文件格式的函數，實現了 ＵＧ 前置（zhì）處理在五軸（zhóu）數控加工模塊下輸（shū）出包含切觸（chù）點在內的刀位（wèi）文件。根 據 ＳＩＥ－ＭＥＮＳ ８４０Ｄ 數（shù）控係統實現３Ｄ 刀具補償的數字控製（ＮＣ）指令格（gé）式要（yào）求（qiú），以非正交（jiāo）擺頭轉台五軸數控機床為例，通過逆向運動學變換提出具體的後置（zhì）處理方法。基於智能製造軟件ＩＭＳｐｏｓｔ（後處理程序編輯器）平台和所提出的後置處理方法開發了專用（yòng）後置處理器，自動獲取了具有３Ｄ 刀具補償矢量信息的 ＮＣ程序，基於仿真（zhēn）軟件 ＶＥＲＩＣＵＴ 平台對不同（tóng）工況（kuàng）下整體（tǐ）葉輪仿（fǎng）真加工的結果進行對比。結果表明（míng）：當（dāng）刀具因磨損發生尺寸變化時，采（cǎi）用提出的方法和開發的具有３Ｄ 刀（dāo）具補償功能的後置處理器所獲取的 ＮＣ程序，可以將加（jiā）工表麵的欠切誤差控製（zhì）在０．１ｍｍ 以下，且無過切現象，有效地提高了五軸數控加工的精度和效率，避免了刀具磨損後發生刀具尺寸（cùn）改變必須返回計算機輔（fǔ）助製造（ＣＡＭ）係統重新（xīn）生成刀位文件，以及再次進行後置處理的繁瑣過程，驗證了所提（tí）出的前置處（chù）理與後置處理方法的正確性和（hé）有效性（xìng）。
關鍵（jiàn）詞：機（jī）械工程；五軸數控加工；３Ｄ 刀具補償；補償矢量；刀位點坐標；數控係統；後置（zhì）處（chù）理
０、引（yǐn）言
五軸數控加工是實現複雜自由曲麵加工的重要方式，已廣泛應用於航空航天、兵器、船舶、汽車等製造領域（yù）。針對二維輪廓加工，目前數（shù）控係統都具備刀具長度和刀具半徑補（bǔ）償的功能，然（rán）而在五軸數控加工過程中，由於切觸點和刀軸矢量方向均不斷變化（huà），刀（dāo）具半（bàn）徑補償功能較難實現。目前，眾多國內外學者對３Ｄ 刀具補償技術（shù）進行了研究。針對具備五軸數控加工３Ｄ 刀具補償功能的數控係統，梁（liáng）全等（děng）分析了前置輸（shū）出的 ＣＬＳ文件格式與數控係統接受刀具（jù）補償矢量的指令格式，通過後置（zhì）處理解決了帶（dài）刀具補償矢量的五軸 ＮＣ代碼編程問題；胡自化等介紹了側銑加工的半（bàn）徑補償方法；陳（chén）良驥（jì）等（děng）研究了在 ＣＮＣ 係統中３Ｄ 刀具半徑補償的實現方法；Ｔｕｎｇ等針對帶傾（qīng）斜回轉台的臥式機床，提出了通過後置處理實現三維刀（dāo）具半徑補償方法。以上方法當刀具尺寸發生變化時均需（xū）重（chóng）新進行後置處理，數控程序重用性（xìng）差。徐汝峰等針對不具備（bèi）五（wǔ）軸３Ｄ 刀具補償功能（néng）的數控係統（tǒng），研究了如何（hé）通過後（hòu）置處理來實現３Ｄ 刀具半徑補償功能，但未對具備五軸３Ｄ 刀具補償功能的（de）數控係統提出（chū）相 關解決方法。目（mù）前國內外主（zhǔ）要配置的數控係統（如 ＳＩＥ－ＭＥＮＳ ８４０Ｄ 係 統、Ｆａｎｕｃ３０ｉ係（xì） 統 和 Ｈｅｉｄｅｎ-ｈａｉｎ ｉＴＮＣ５３０係（xì）統等）均已具備３Ｄ 刀具補償功能，它們都自定（dìng）義了接受３Ｄ 刀（dāo）具補償矢量的 ＮＣ 指令格（gé）式（shì）。但 ＣＡＭ 軟件（jiàn）（如 ＣＡＴＩＡ、ＵＧ 等）生成的刀位文件經過後置處理得到（dào）的 ＮＣ指令並不符（fú）合這些數控（kòng）係統實現３Ｄ刀具補償功能所 定義的（de）指令格式（shì）。基於上述不足（zú），本文針對具備五軸數控加（jiā）工３Ｄ刀具補償功能的數控係統，研究其基（jī）本原理及後置處理（lǐ）方法，解決如何（hé）生成具有 ３Ｄ 刀具補（bǔ）償矢量信息的 ＮＣ程序（xù），實現五軸數控加工３Ｄ 刀具補償。
１、３Ｄ刀具補償的基本原理
由於刀軸矢量不變，二維刀具半徑補償的實質隻是將切（qiē）觸點的坐標按其表麵 的法向矢量 進行偏置，再對刀具中心點編程；而在 ３Ｄ 刀具（jù）補（bǔ）償（cháng）中，由於刀（dāo）軸矢量不斷變化，刀位點的補償矢量與二維刀具半徑補償不同，是通過切觸點表麵（miàn）的（de）法向矢量（liàng）、刀具方向和刀具幾何（hé）尺寸計算得出。下文分別對五（wǔ）軸數控加工中常用的端銑刀、球頭銑刀和環形銑刀進行矢量（liàng）分析，計算得出３Ｄ 刀具補償的補償矢量及補償（cháng）後的刀位點坐標（biāo），見下頁圖１。圖（tú） 中：Ｐ 為 切 觸 點，ＯＰ（ｘ，ｙ，ｚ）為 刀 具 中 心點，即 刀 位 點，ＯＣ為 刀 心 點，Ｏ１為 刃 口 圓 心，Ｐ（ｐｘ，ｐｙ，ｐｚ）為切觸點，Ｒ 為刀具半徑，ｒ、ｒ１均為刃口半徑，ｎ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）為 切 觸 點 表 麵 的 法 向 矢 量，ｌ（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）為刀軸矢量，ｍ（ｍｘ，ｍｙ，ｍｚ）為垂直於刀軸方向的矢量，ｖ（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）為（wéi）補償矢量，以上矢量均（jun1）為單位矢量，ｋ為路徑切線。
圖１ ３Ｄ刀具補償模型
１．１ 端銑刀的補償矢量及補償（cháng）後（hòu）的刀位點（diǎn）坐（zuò）標計算
２、五軸數控加（jiā）工３Ｄ 刀具補償後置處（chù）理的實現
２．１ ＵＧ刀位文件及數控係（xì）統３Ｄ
刀（dāo）具補償 ＮＣ 格式分析
五軸數控加工３Ｄ 刀具補償是在實際加工刀具尺寸發（fā）生變化的情況下，讓原規劃的刀具中心（xīn）點沿著補償矢量方向進行一定的偏置，從而保證切觸點（diǎn）位置的正 確。基於 ＵＧ 前 置處理生 成 刀 路 軌 跡時，為滿足（zú）五軸數控加工 ３Ｄ 刀具補償矢量計算所需要的（de）刀位信息，需要對 ＵＧ 控製刀位文件格式的（de）函數進行修改，使生成的ＣＬＳ 文件包含切觸點坐標。ＵＧ 前置處理控製刀位文件格式的函數主要（yào）針對（duì） ＣＬＳ文件中的關鍵字（zì）輸出進行（háng）控製，如 ＧＯＴＯ、ＦＥＥＤＡＴ、ＲＡＰＩＤ 等（děng）。
圖２ 非正交擺頭（tóu）轉台結構
通（tōng）過建立非正交擺頭轉台五軸數控機床各運動軸坐（zuò）標與刀位數據（jù）之間的關係，基於（yú）逆向運動學求解方法（fǎ），可以得到非正交擺頭轉台五軸數控機床平動軸坐標與轉動軸坐標。
３、３Ｄ刀具補償後（hòu）置處理器的開發
基於ＩＭＳｐｏｓｔ（後（hòu） 處 理 程 序 編 輯 器）開 發 具 有３Ｄ 刀具補償功（gōng）能的後置處理器，需（xū）根據（jù）非正交擺（bǎi）頭轉台 類 五 軸 數 控 機 床 結 構 和 配（pèi） 置 的 ＳＩＥＭＥＮＳ８４０Ｄ 數控係統程（chéng）序格式進行設置、修改、子（zǐ）程序調用及宏程序編製等。宏程序編製實現（xiàn）後置處理的主要任務除刀（dāo）位文件信息的讀取（qǔ）、機床運動學變換求解、進給速度的校（xiào）驗（yàn）、非線性運動誤（wù）差（chà）校（xiào）驗外，還應完成切（qiē）觸（chù）點處表麵法（fǎ）向矢量的求解。ＳＩＥＭＥＮＳ ８４０Ｄ 數控（kòng）係統自（zì）定義（yì）了五軸數 控加工時實現３Ｄ 刀具的補償指令，即刀具長度補償指（zhǐ） 令 為 ＴＲＡＯＲＩ 和 半 徑 補 償 功 能 的（de） 命（mìng） 令（lìng） 為ＣＵＴ３ＤＦ。為實現３Ｄ 刀具補償功能，在調用３Ｄ 刀具補償指令後（hòu），除（chú）需知道機床坐標係下刀具中心點坐標和２個旋轉軸的旋轉角度外，還需提供（gòng）切觸點處表麵的法向矢（shǐ）量。當（dāng）刀具尺寸發生（shēng）變化，把變化量添加（jiā）到數控係統刀具補償量裏，ＳＩＥＭＥＮＳ ８４０Ｄ數控係統就可根據具有３Ｄ 刀具補償格式的 ＮＣ 代碼（mǎ）自動進 行 補 償（cháng），從 而 提 高（gāo） 了 數 控 加 工 程 序 的 重用性（xìng）。以球頭銑刀為例，利（lì）用ＩＭＳｐｏｓｔ平台的宏命令功能，基於後置處（chù）理算法，主（zhǔ）要通過在（zài） ＧＯＴＯ／＊ 宏命令（lìng）中編譯宏程序實（shí）現刀具中心點坐（zuò）標和（hé）旋轉角度的輸出（chū）；基於五軸數控加工 ３Ｄ 刀具補償矢量的矢量（liàng）算（suàn）法，可在 ＮＯＲＭＡＬ／＊ 宏命令編譯宏程序中實現切觸點處表麵法向矢量輸出。ＮＯＲＭＡＬ／＊ 宏命令中具體的代碼如圖３所示。
圖３ 編輯 ＮＯＲＭＡＬ／＊ 宏命令
４、仿真加工驗證試驗
為驗證本文方法的有效性，以整體葉輪為例，基於 ＵＧ 的前置處理，生成含切觸點坐標（biāo）的整體葉輪ＣＬＳ文件。通過基於ＩＭＳｐｏｓｔ開發（fā）的後置處理器生成具有３Ｄ 刀具補償矢量的 ＮＣ程序，在某航空企業生（shēng）產使用的基（jī）於 ＶＥＲＩＣＵＴ 構建的 ＤＭＵ ２１０ＦＤ虛擬仿真加工係統中進行了驗證。仿真加工驗證主要對整體葉輪葉片在３種工況下的加工結果進（jìn）行比較。
（１）采用刀具半徑及刀具（jù）切削部分的半徑均為Ｒ＝３ｍｍ的球頭銑刀（生 成 刀 路 軌 跡 所 使 用 的 刀具），仿（fǎng）真加工結果如下頁圖４所示。
圖４ Ｒ＝３ｍｍ 球頭（tóu）銑刀仿真（zhēn）加工結果
（２）采用刀具半（bàn）徑 Ｒ＝３ ｍｍ、刀具切削部分的半徑ｒ＝２．５ｍｍ 的球頭銑刀，用來表示刀具更換或磨損後的刀具。仿真加工結果（guǒ）如下頁（yè）圖５所示（shì）。
圖（tú）５ Ｒ＝３ｍｍ，ｒ＝２．５ｍｍ 球頭銑刀仿真（zhēn）加工結果
（３）采用刀具半徑 Ｒ＝３ ｍｍ、刀具切削部分的半（bàn）徑ｒ＝２．５ｍｍ 的球（qiú）頭銑刀，設置刀具長度補償值和刀具半徑補償值均為０．５ｍｍ，同（tóng）時激活（huó）３Ｄ 刀具（jù）補償指令。仿（fǎng）真加工結果如圖６所示（shì）。
圖６ Ｒ＝３ｍｍ，ｒ＝２．５ｍｍ 的球頭銑刀帶補償的仿真加工結（jié）果
由圖５可以看出，當刀具尺寸發（fā）生變化時，葉片表麵有（yǒu）明顯的欠切，且（qiě）欠切誤（wù）差都在０．１ｍｍ 以上，但無過切現象。由圖６ 可以看出，在激活 ３Ｄ 刀（dāo）具補償指令的情況下，即使刀具尺寸發生變化，工件的加工表麵並沒有出現過切和欠切現象。對比圖４和圖６可知，本文提（tí）出的 ３Ｄ 刀具（jù）補償及（jí）其後置處理方法有效.
５、結語
（１）研究（jiū）了五軸數控加工 ３Ｄ 刀具補償（cháng）的基本原理，針對３種常用類型刀具分別推導出五軸數控（kòng）加工３Ｄ 刀具補償的補償矢量與補償後刀位點坐標矢量計算方程，為實現五軸數控加（jiā）工具有 ３Ｄ 刀具補償功能的後置處理器開發提供了理（lǐ）論基礎。
（２）基於 ＵＧ 的前置處理，建立了控製刀位（wèi）文（wén）件（jiàn）格式的函數，實現了在五軸數控加工模塊下可輸出（chū）包含切觸點在內的刀位文件，解決了五軸數控加工３Ｄ 刀（dāo）具補償後置處理所需的刀位信息問題（tí），為具有（yǒu）３Ｄ 刀具補（bǔ）償功能的（de）後置處理（lǐ）器的開發奠定了技術（shù）基礎。
（３）以非正（zhèng）交擺頭轉台五軸數（shù）控機床為例，基於ＳＩＥＭＥＮＳ ８４０Ｄ 數控係統實現３Ｄ 刀具補償的 ＮＣ指令格式要（yào）求和逆運動學原理，提出了實（shí）現五軸數控加工（gōng）３Ｄ 刀具補償功能的後置處理方法，並基於ＩＭＳｐｏｓｔ平台開發了專用（yòng）後置處理器。
（４）實例加工仿真結果驗證了本文方（fāng）法的正確性和（hé）有（yǒu）效性。該（gāi）方法 可以實現 五 軸數控加 工具（jù）有３Ｄ 刀具補償，避免了刀具（jù）磨損後發生刀具尺寸改變必須返回（huí） ＣＡＭ 係統，重新生成刀位文件和再次進行後置處（chù）理的繁瑣過程，從而縮短零件總（zǒng）加工（gōng）時間，提高數控加工程序的可重用（yòng）性，具有較（jiào）強的實際應用價值。
（５）進一步研究可考慮基於圖像處理方法，研究如何對加工中刀具的磨（mó）損量進行實時監測，並結（jié）合五（wǔ）軸數控加工３Ｄ 刀具補償算（suàn）法（fǎ），對實時磨損引起的刀具尺寸變化情況進行實時３Ｄ刀具補償。
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