唐清春，李科輝，黎國強

(廣西科技大學 工程訓練中心，廣西 柳州 545006)

MORISEIKI1500S車銑復合機床后置處理算法的研究*

唐清春，李科輝，黎國強

(廣西科技大學 工程訓練中心，廣西 柳州 545006)

車銑復合機床與傳統(tǒng)的五軸聯(lián)動機床在結構上有區(qū)別，所控制的軸數(shù)超過5個。因此，在開發(fā)后置處理過程當中，與傳統(tǒng)的五軸機床有較大區(qū)別，需要根據(jù)不同的功能來分析不同的運動鏈。文章主要以1500S車銑復合機床為例，詳細介紹該類機床后置處理開發(fā)過程。首先建立MORISEIKI車銑數(shù)控機床的運動坐標系，根據(jù)運動鏈分析及坐標變換，推導出MORISEIKI機床的轉角計算公式和坐標變換公式，分析了回轉角在各個象限的取值；利用JAVA語言開發(fā)出MORISEIKI1500S數(shù)控機床的專用后置處理軟件，并通過某葉片仿真加工驗證了該后置處理算法的正確性。該研究不僅為用戶解決了軟件使用問題，也為車銑復合類多軸機床提供了后置處理開發(fā)思路。

MORISEIKI；車銑復合機床；運動求解；坐標變換；回轉角取值

0 引言

數(shù)控后置處理技術是連接CAD/CAM系統(tǒng)與數(shù)控機床制造的紐帶。后置處理需根據(jù)數(shù)控機床的結構以及控制系統(tǒng)有針對性的對待。因此，不同機械結構及控制系統(tǒng)的數(shù)控設備必須開發(fā)專門的后置處理器。

國外很多機床廠商大部分都是采用商業(yè)的后置處理軟件，但是價格昂貴；國外學者一般研究熱點在五軸加工中的刀路優(yōu)化、軌跡平滑過渡方面，如BeudaertX等[1-2]分析了不連續(xù)的線性軌跡的平滑過渡問題。國內(nèi)由于基本沒有成熟的商業(yè)軟件，后置處理基本上是通過通用軟件平臺自主開發(fā)專業(yè)后置處理軟件。目前，針對傳統(tǒng)的三種類型的五軸機床，國內(nèi)做了很多研究，其中何永紅等[3-5]分析了(A-C)雙轉臺五軸數(shù)控機床坐標運動模型，推導出該類機床后置處理數(shù)學模型。本文作者等[6-7]對國產(chǎn)XH/2420雙擺頭(A-C)五軸聯(lián)動加工中心進行運動分析，推導出該機床的后置處理模型并討論了刀長與擺長在后置處理中的幾種不同用法。周奎等[8]提出了擺頭轉臺加工中心(A-C)的后置處理算法，并利用VisualC++ 6.0開發(fā)出單獨的后置處理程序，采用仿真軟件進行了驗證，根據(jù)相關文獻的分析，未見有對車銑復合類機床進行后置處理研究方面的文獻。本文所涉及的車銑復合機床屬于進口設備，與傳統(tǒng)的三種類型的五軸機床在結構上有較大區(qū)別，數(shù)控系統(tǒng)控制的軸數(shù)超過5個，存在多個運動鏈，購買進口商業(yè)軟件價格比較昂貴；本文的目的是通過自主開發(fā)專用的后置處理軟件，解決企業(yè)運用的實際問題。本文主要工作是通過MORISEIKINT4250DCG1500S車銑復合機床后置處理算法的運動學模型，得到該類機床的轉角計算公式和坐標變換公式，利用JAVA語言開發(fā)出MORISEIKINT4250DCG1500S車銑復合機床的專用后置處理軟件,并通過葉片仿真加工驗證該后置處理算法的正確性。

1MORISEIKI機床的坐標轉換結構模型的建立

MORISEIKINT4250DCG1500S車銑復合機床結構示意圖如圖1所示。該機床直線軸有X1、X2、Y、Z1、Z2四個軸，回轉軸有A、B、C1、C2。A軸是調(diào)整回轉軸，主要用于頂針部位調(diào)整，C2軸是從動回轉軸。從聯(lián)動配置方式看，有兩種配置方式，方式1：直線軸X1、Y、Z1和旋轉軸B、C1進行五軸聯(lián)動;方式2：直線軸X2、Z2與旋轉軸C1聯(lián)動。方式2是車削加工下的狀態(tài)，本文主要研究五軸聯(lián)動時狀態(tài)，通過方式1配置對機床進行簡化可以看成是擺頭轉臺類型的五軸機床，其中C1為回轉軸，B為主軸擺動軸，刀具運動鏈：床身→X1軸→Z1軸→Y軸→B軸→主軸→刀具。工件運動鏈：床身→C1軸→工件。

圖1 MORI SEIKINT4250 DCG 1500S結構示意圖

本文主要研究該機床五軸聯(lián)動銑削時的后置處理算法，因此，后面算法推導主要研究聯(lián)動方式1。設OwXwYwZw是為工件坐標系，Om1XYZ為機床坐標系。Om2XYZ坐標系是建立在擺動軸(B軸)上的的坐標系。OTXTYTZT坐標系是建立在刀具刀尖點上的坐標系。

(1)

帶入直線軸的平移變化及回轉角的旋轉變化可得：

(2)

由此可知，該結構機床的刀尖點運動坐標與初始刀心位置的關系式為：

(3)

根據(jù)公式(3)，由矩陣位置相對應的關系，可得出B-C回轉角度計算公式如下：

(4)

由公式(3)和(4)就得到了該類型機床進行五軸聯(lián)動的后置處理基本算法，包括3個直線軸及兩個回轉軸的基本運算公式。

2 回轉角的取值

由式(4)可知回轉角B、C角的通用計算公式，但在實際的運用過程中，角度的取值要根據(jù)機床結構加以約束。因此現(xiàn)在分析其具體取值范圍。

(1)刀具擺角B的確定

圖2 C角的旋轉投影圖

(2)回轉角C值的確定

回轉角C是圍繞著Z軸旋轉的，投影到XOY平面后，如圖2所示。分析其在四個象限內(nèi)的取值。如果C軸是按照360°周期性變化，必須分象限取值，不然會影響坐標取值。由圖可知在XOY投影平面內(nèi)，回轉角C的值與刀軸矢量在XOY平面內(nèi)投影ux、uy的取值正負有關。由此關系可得回轉角C的公式取值如下：

(5)

在C軸跨象限時，存在特殊取值情況，如公式(6)所示：

(6)

3MORISEIKINT4250DCG1500S后置處理算法驗證

前面詳細地推導了MORISEIKINT4250DCG1500S機床后置處理算法，在此算法的基礎上，利用JAVA語言[8]開發(fā)出MORISEIKINT4250DCG1500S數(shù)控機床的專用后置處理軟件，如圖3所示。專用后置處理軟件的實現(xiàn)流程：逐行讀入利用UG軟件生成的刀位文件中的刀位數(shù)據(jù)，對讀入的刀位數(shù)據(jù)進行預處理和關鍵字的識別，通過轉角計算公式(4)～式(6)計算出回轉角度B、C，并判斷回轉角度是否在360°范圍周期變化，如果出現(xiàn)了應對C角進行處理，以保證兩個連續(xù)的刀位點之間C角按一固定方向平滑過渡，然后利用坐標轉換公式(3)計算出平動軸X、Y、Z的值，并根據(jù)MORISEIKINT4250DCG1500S數(shù)控機床所配置的數(shù)控系統(tǒng)的程序頭和程序尾的格式生成數(shù)控程序，最后通過葉片仿真加工驗證推導出的該機床后置處理算法的正確性，葉片仿真加工結果如圖4所示。

圖3 MORI SEIKINT4250 DCG 1500S專用后置處理軟件

圖4 葉片仿真加工

通過仿真可以看出，后置處理后的NC代碼能夠按照設計意圖加工葉片，加工過程無碰撞及干涉現(xiàn)象，證明推導出的該機床的五軸聯(lián)動專用后置處理算法正確。

4 結束語

本文根據(jù)MORISEIKINT4250DCG1500S車銑復合機床的結構，詳細分析了其運動鏈，并建立了該機床五軸聯(lián)動時的后置處理算法模型，并在基本算法上分析了轉角計算取值范圍，根據(jù)所推導的算法利用JAVA語言開發(fā)出MORISEIKINT4250DCG1500S數(shù)控機床的專用后置處理軟件,并通過某葉片的仿真加工驗證了該機床后置處理算法的正確性，同時為該類機床后置處理算法的推導提供一定的參考。

[1]BeudaertX,LavernheS,TournierC. 5-Axislocalcornerroundingoflineartoolpathdiscontinuities[J].IntJMachToolsManuf,2013,73:9-16.

[2]YuenA,ZhangK,AltintasY.Smoothtrajectorygenerationforfive-axismachinetools[J].IntJMachToolsManuf,2013,71:11-19.

[3] 何永紅,齊樂華,趙寶林. 雙轉臺五軸數(shù)控機床后置處理算法研究[J]. 制造技術與機床, 2006(1):9-11.

[4] 唐清春,張仁斌,何俊,等.基于VBBV100五軸聯(lián)動加工中心后置處理的研究[J]. 機械設計與制造, 2012(2):73-75.

[5] 代星,熊蔡華,丁漢. 雙轉臺式五軸機床后置處理中的最優(yōu)選解問題研究[J]. 裝備制造技術, 2012(2):10-12.

[6] 唐清春,馬仲亮,劉謙,等. (A-C)式雙擺頭五軸機床旋轉角的選擇及優(yōu)化[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2015(1)：16-18.

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[9] 李興華.Java開發(fā)實戰(zhàn)經(jīng)典[M]. 北京:清華大學出版社，2009.

(編輯 李秀敏)

Research on Post-processingAlgorithm of SEIKI 1500 S MORI Turning and Milling Composite Machine

TANGQing-chun,LIKe-hui,LIGuo-qiang

(EngineeringTrainingCenter，GuangXiUniversityofScienceandTechnology,LiuZhouGuangxi545006,China)

Lathemillingmachineinstructurewiththetraditionalfiveaxismachinetoolsaredifferent,thenumberofcontrolaxismorethan5.Therefore,inthedevelopmentofpostprocessingprocess,isgreatlydifferentfromthetraditionalfiveaxismachinetool,theneedtoanalyzethekinematicchainaccordingtodifferentfunction.Thispapertakesthe1500Scompositemillingmachinetoolasanexample,introducesthedevelopmentprocessofpostprocessingmachine.FirstestablishedMoriSeikiturningandmillingcompositemachinetoolmovingcoordinatesystem,accordingtothekinematicchainanalysisandcoordinatetransformation,thederivedMoriSeikicarmillingcompoundmachinetoolanglecalculationformulaandtheformulaofthecoordinatetransformation,analysisthebackanglevaluesineachquadrant;usingjavalanguagetodevelopMoriSeiki4250CNCmachinetoolsandthespecialpostprocessingsoftware,andthroughablademachiningsimulationtoverifythecorrectnessofthepostprocessingalgorithm.

MORISEIKI;turningandmillingcompositemachine;kinematicssolution;coordinatetransformation;valueoftherotationangle

1001-2265(2016)12-0049-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.014

2016-01-06；

2016-03-02

廣西教育廳項目：國產(chǎn)雙擺頭五軸聯(lián)動機床后置處理軟件的開發(fā)(0314101401)

唐清春(1972—)，男， 四川綿竹人，廣西科技大學副教授，博士，研究方向為數(shù)控多軸加工技術，(E-mail)gxtangqingchun@163.com。

TH164;TG

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