五轴数控铣削加工后置处理及加工编程研究.pdf
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1、山东大学硕士学位论文五轴数控铣削加工后置处理及加工编程研究姓名:庞继伟申请学位级别:硕士专业:机械制造及其自动化指导教师:王兆辉20070915山东大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名:7 碑日关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被
2、查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名第一章绪论第一章绪论五轴数控技术是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术m。在复杂曲面的高效、精密、自动化加工方面,五轴联动加工更是具有三轴加工所不能比拟的的优势。主要体现在以下几个方面:五轴加工可有效地避免刀具干涉。加工三轴机床难以加工的复杂零件:对于直纹面的加工,五轴加工可以采用侧铣的方式一刀成型,加工质量和加工效率高;五轴加工可以实现一次装夹、多面多工序加工,容易保证产品精度;五轴加工中刀具相对于工件具有
3、良好的切削状态;对于加工空间受到限制的通道加工和组合曲面过渡区域加工,五轴加工可以选用较大尺寸刀具避开干涉进行加工,刀具刚性好嘲。因此,五轴加工技术一直是数控加工领域内国内外学者的研究热点之一“”。并且,也一直受到西方国家对我国的技术封锁。因为许多先进武器装备的制造,如飞机、导弹、坦克等的关键零件,都离不开高性能数控机床的加工。五轴编程技术是五轴加工技术的关键问题之一。在此对数控编程技术的各方面内容做一简单概述。1 1 数控编程技术的发展历程2 0 世纪5 0 年代,美国麻省理工学院(M I T)设计了一种专门用于零件数控加工程序编制的语言A P T(A u t o m a t i c a l
4、 l yP r o g r 砌I e dT 0 0 1 s)。其后M I T 组织美国各大飞机公司共同开发了A P T I I。到了6 0 年代,在A P T I I 的基础上研制的A P T I I I 已经到了应用阶段。以后又几经修改和充实,发展成为A P T 一,A P T A C 和A P T 一S S。A P T 能处理二维、三维铣削加工,但较难掌握。为此,在A P T 的基础上,世界各国发展了带有一定特色和专用性更强的A P T 衍生语言0 1。1 9 7 2 年,美国洛克西德加里福尼亚飞机公司首先研究成功采用图像仪辅助设计、绘图和编制数控加工程序的一体化系统c A D A h I
5、 系统。1 9 7 5 年,法国达索飞机公司引进C A D A M 系统,为已有的二维加工系统C A L I B R B 增加二维设计和绘图功能,1 9 7 8山东大学硕士学位论文年进一步扩充,开发了c A T I A 系统。随着计算机处理速度的发展和图形设备日益普及,数控编程系统进入了C A D C 删一体化时代啪。目前应用较为广泛的数控编程系统有A P T 一s S、C A D A M、c A T I A、E u K L I D、u G N x、I N T E R G R A P H、P r o E n g i n e e r、M a s t e r c A I,C i 帕t r o nE
6、 等。我国西北工业大学、华中科技大学等开发的图形编程系统如N P u G N C P 和I n t e C A M 也具有两轴半零件加工和雕塑曲面多轴加工等功能,达到了实用化程度。1 2 数控编程技术的关键技术1 零件几何建模要完成复杂零件的数控加工编程,必须要用自动编程软件来实现。其首要环节是建立被加工零件几何模型。1。复杂形状零件几何建模的主要技术内容包括:曲线曲面创建及编辑技术、实体建模技术和特征建模技术等。2 加工方案及工艺参数的合理选择加工方案的确定及工艺参数的选择,直接决定着数控加工的效率和质量。其中刀具、刀轴控制方式、走刀路线和进给速度的自动优化选择与自适应控制是近年来所研究的重
7、点问题。1。3 刀具轨迹生成刀具轨迹生成是复杂形状零件数控加工中最重要同时也是研究最为广泛深入的内容,能否生成有效的刀具轨迹直接决定了加工的可能性、质量和效率。刀具轨迹生成的首要目标是使所生成的刀具轨迹能满足:无干涉、无碰撞、轨迹光滑、切削负荷光滑并满足要求、代码质量高、代码量小等条件嘲。4 数控加工仿真零件实际加工之前,对所编制的数控加工程序进行加工仿真验证是十分必要的,特别是在多轴加工编程中,其作用更为突出。由于多轴加工中刀具相对于工件运动的复杂性,所生成的加工程序在加工过程中有可能会出现过切与欠切、干涉与碰撞等问题。数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径与材料切除过程来检验并优化加工
8、程序。1,可以有效地避免上述问题,提高编程效率与质量。5 后置处理2第一章绪论后置处理是数控编程技术的一个重要内容,它将c A M 系统生成的不包含具体机床和数控系统信息的刀位数据转换成能够控制特定机床运动的数控加工程序。有效的后置处理对于保证加工质量、效率与机床可靠运行具有重要作用。1。1 3 后置处理技术概述数控机床的各种运动都是执行特定的数控指令的结果,完成一个零件的数控加工一般需要执行连串的数控指令,即数控程序。在c A l I 系统中,考虑到具体机床的结构和系统不同以及C A M 编程的独立性,其自动生成的是相对于工件坐标系的刀位文件,这个过程称为前置处理。前置处理产生的刀位文件不能
9、用于驱动数控机床的运动。因此,这时需要设法把刀位文件转换成特定数控机床能够识别并且能够执行的数控程序,这个过程称为后置处理。1。1 3 1 后置处理的主要任务后置处理的主要任务包括以下几个方面“:1 机床运动变换五轴数控编程生成的刀位文件中的刀位数据,是刀具相对于工件坐标系的刀心位置和刀轴矢量数据。机床运动变换的作用就是根据具体的机床运动结构将刀位文件中的刀位数据转换成为机床各运动轴的运动数据。2 非线性运动误差校验C A M 系统进行刀位数据的计算时,是使用离散直线来逼近工件轮廓。加工过程中,只有当刀位点实际运动为直线时,才能与编程精度相符合。多坐标加工时,由于旋转运动的非线性,由机床各运动
10、轴线性合成的实际刀位运动会严重偏离编程直线。因此,应对该误差进行检验,若超过允许误差时应作必要修正。3 进给速度校验进给速度是指刀具接触点或刀位点与工件表面的相对速度。在多轴加工中,由于回转半径的放大作用,其合成速度转换到机床坐标时,会使平动轴的速度变换很大,超出机床伺服能力或机床、刀具的负荷能力。因此,应根据机床伺服能山东大学硕士学位论文力(速度、加速度)及切削负荷能力进行校验修正。4 数控加工程序生成数控加工程序生成是指根据数控系统规定的指令格式将机床运动数据转换成机床程序代码。后置处理在完成这个过程时,原则上是逐行解释执行,根据刀位文件记录行的类型,来确定是进行针对特定机床的坐标变换还是
11、进行代码转换,直到刀位源文件结束。1 3 2 后置处理技术发展自2 0 世纪5 0 年代由美国麻省理工学院设计A P T 语言以来,后置处理就成为自动编程的重要组成部分。在A P T 中,对于不同的数控系统,编写不同的后置处理程序,由于数控系统种类繁多,机床配置不尽相同,A P T 的专用后置处理程序达上千种之多1”。1 9 8 0 年I B M 公司为解决A 阿刀位源文件的处理推出了D A P P(D e s i g nA i df o rP o s tP r o c e s s o r)系统,系统包括输入模块、输出模块、数据处理模块等,用户可以利用它生成所需后置处理。该系统的推出使后置处理
12、系统向通用化发展迈进了步。随着C A D c A M 一体化技术的出现及迅速发展。各种c A D c A M 系统的c A M 部分大都配置了通用后置处理(P o s tP r o c e s s i n g)模块。例如u G 软件系统采用的u G P O s T、P r o E n g i n e e r 系统采用的P r o N C P O S T、C A T I A 软件系统采用的I m s P o s t,c i m a t r o nE 系统采用的G P P 2 等。1 3 3 国内后置处理技术研究现状近年来,国内对后置处理理论与技术也进行了深入研究。取得了一定的研究成果。在通用后置
13、处理技术方面,张利波,周济1 提出了一种基于配置文件的开放式数控编程通用后置处理模型;程筱胜,刘壮啪1 对南京航空航天大学的超人c A D c A M 系统的通用后置处理系统进行了研究,开发了具有交互式图形系统用户界面的通用后置处理程序;C A X A 制造工程师是目前国内应用最广泛的国产C A D c A M 系4第一章绪论统,其后置处理功能模块解决了常见数控机床的后置处理“”。在后置处理的有关技术方面,刘雄伟”1 探索了典型配置多坐标数控机床后置处理的算法:陈涛,彭芳瑜,周云飞啪1 提出了适用于任意结构形式的多坐标数控机床运动模型的建立与反求方法,在此基础上建立了对机床几何误差进行补偿的后
14、置变换。韩向利,袁哲俊田1 对五坐标数控机床的后置处理算法原理和后置处理配置文件参数进行了探索和设计;刘日良、张承瑞等1 研究解决了4 5。B 轴特殊双转台五坐标数控机床后置处理算法。冯显英o”、丁勇、耿小强衄3 等也针对特殊双转台结构的机床进行了后置处理算法研究。周艳红、周济。1 提出了通过后置处理实现数控机床几何误差软件补偿的原理和算法。在针对国外c A D C A M 系统的应用研究方面,明兴祖啪3 介绍了后置处理系统的组成、数控自动编程系统M a s t e r c a 硼后置处理程序的结构及其惯用文件的设定内容,并探索了开发途径,通过操作修改后的后置处理程序,使它能适合其它数控系统的
15、N C 程序生成:吕风民“7 1 研究了基于u G o p e nG R I P 下的D 删7 0 v 特殊双转台数控机床后置处理程序的开发。李吉平、刘华明啪1 在分析五轴数控加工中心基本结构的基础上,给出了涉及多轴数控加工后置处理角度分配和坐标变换的数学模型,以此数学模型为核心,基于P r o E n g i n e e r 软件开发了后置处理器。陈辉、王知行o”基于U G P o s t 后置处理器,开发了并联机床的后置处理。1 4 课题的研究内容及意义加工编程和后置处理是数控加工技术的重要内容,决定着数控加工质量和效率的发挥。特别是在五轴加工领域,由于刀具与工件相对运动以及机床结构的复杂
16、性,使得编程与后置的实现技术难度更大。针对上述两个方面的问题,本文进行了相应的研究:一、针对德国D E c K E LM A H 0公司出品的D M U 7 0 V 型特殊双转台五轴联动加工中心进行了基于C I h I A T R O NE 软件环境下的后置处理开发。二、在五轴加工编程工艺探讨的基础上,以整体叶轮和钢体P D c 钻头为例进行了五轴加工的编程,并利用所开发的后置处理程序进行了数控机床加工仿真,验证了五轴编程和后置处理的正确性。本文的研究对于如何提高五轴加工编程质量和解决后置处理问题,具有一定的实际意义。5山东大学硕士学位论文第二章五轴数控机床后置处理算法2 1 五轴数控机床的结
17、构形式通常情况下,五轴数控机床的运动轴包括三个平动轴和两个转动轴,并且五个运动轴是可以联动的。其中三个平动轴是x,Y,z 三轴,两个旋转轴是绕x,Y,z 轴旋转的A,B,C 轴中的任意两个,如图2 一l 所示,旋转轴的正方向依据右手螺旋定则进行定义。1。Zy图2 1 机床运动坐标按照运动轴的配置型式,可以将五轴数控机床分为以下三种基本型式。1 双摆头型五轴机床如图2 2 所示,双摆头型五轴机床的两个旋转轴都作用在刀具上,按照具体旋转轴的不同形式,可以有A-B、B A、C A、C B 四中形式。1。这种配置型式的优点是主轴加工非常灵活,工作台也可以设计得非常大。但是,这类主轴的摆动机构比较复杂,
18、一般刚性较差“目。6图2 2 双摆头型机床配置示意图山东大学硕士学位论文T 3=OOc o s 爿一s i n 么s i n 彳c o s 彳OO(2 5)则:伍yz1)=b G),岛z c ol JT lT2T 3(2 6)将其展开可得:Ix=kc o s c+y c os i I I c r=吖c os m c c o s 爿+),c oc o s c c o s 彳+z Gs i I l 一+ds i n _(2 7)【z=8 i n c s i n 4+y c oc o s c c o s 一+z qc o s 4+d c o s 42 X,y,Z,B,C 五轴数控机床后置处理算法嘲与
19、x,Y,z,A,c 五坐标数控机床相比,其后置处理算法略有不同:工件可绕Y 轴旋转B 角,且不受O。9 0。范围限制。刀轴既可以绕Z 轴顺时针转到(+x)(+z)平面上 如图2 6(a),也可以绕z 轴逆时针转到(一X)(+Z)平面 如图2 6(b)。1 0(a)(b)图2 6x Y z B C 型机床刀轴矢量绕z 轴的两种转动关系两种情况下的坐标变换计算公式如下:a)刀轴矢量绕z 轴顺时针旋转到(+x)(+z)平面上:口:。伽盈口2口9 0。川。+。扭。巫口2(4,o)Q,=o)G,=o】(2 8)第二章五轴数控机床后处理算法c 一协酬(矧c t s o o 一一H(篙)汜9,c t s o
20、 o+一t a n 吲(:c 一咖HE:令蛐剀=9 0。l J I刀心点c。经工件旋转后在机床坐标系中的坐标值为:l x=工c oc o s 丑c o s c+y c Dc o s 口s i l l c 一:c os i l l 口一ds i l l 口y=s i n c+y c oc o s c【z=8 i 1 1 口c o s c+J 7 c os i n 丑s i l l c+z c。c o s 口+叠c o s 口b)刀轴矢量绕z 轴逆时针旋转到(一x)(+z)平面上矗:一一匠4 f丑=一9 0o口:-1 8 0。一一!:!立d jc 叫s o o+l 刊c 一一Hc=一Hc 一-s
21、o o 一一H(当a,=O 时,令咖剀=9 0。)l n,JO,oQ,=o0,=o刀心点c。经工件旋转后在机床坐标系中的坐标值为:l r=x c oc o s 口c o s c+y 岛c o s 口s i n c z c os i l l 丑一d s i l l By=J 岛s i I l c+J,c oc o s c【z=x 岛s i n B c o s c+_),c os i n 口s i I l c+z 岛c o s 口+d c o s 口(2 1 0)(2 1 2)(2 1 3)、,、,、,OO0OOOO0一一一vlJyi,#,口口口4口4口4,JL、,、,t、,。,k第二章五轴数控机
22、床后处理算法3)刀具摆动后摆刀中心c o 在工件坐标系0 x Y z,中的位置为:l X=如+s i n 彳s i n C y=y c o 一工s i n 彳c o s c(2 1 6)IZ=:r+工c o s 爿2 2 3 特殊双转台型五轴数控机床后置处理算法德国D E C K E LM A H O 公司出品的D M U 7 0 V 五轴数控加工中心,与传统的五轴机床配置型式不同,五个运动轴分别是x,Y,Z,B,c。但是,该机床的B 轴不是绕Y 轴旋转,而是绕在Y O z 平面内与Y 轴正向夹角为4 5。的轴旋转的,如图2 8 所示,图中H=1 5 5 嘲。旋转轴8,c 都是由工作台旋转实现
23、的,故工作台(工件)的实际运动方向和图中定义方向相反。工作台绕z 轴的转动可为任意角度,绕B 轴只能实现O o 1 8 0 0 得摆动。B=O。时,机床工作台垂直于z 轴;B=1 8 0o 时,工作台与z 轴平行,从而达到工作台的立卧转换”“1。圈2 8D 删7 0 V 倾斜转台坐标系其后置处理算法如下。“8:为讨论方便,在此作以下设定:如图2 9 所示,工件坐标系为0,x,Y,z,工件坐标系在机床运动坐标系中的坐标为(工。,J,。z。),0 0=H。工件上任意一点的刀心位置在工件坐标系中的坐标为R(。c o,yc o,2c o)。工件绕倾斜轴只能摆动B(O o s B 1 8 0 0)角;工
24、件可绕坐标轴z 转动C 角;工作台回转轴与z 轴回转方向相反;其机床运动坐标值X,Y,Z,B,c 的计算方法如下:,炎;鼍太一,1 4第三章D M u 7 0 v 数控机床后置处理程序开发第三章D M U 7 0 V 数控机床后置处理程序开发后置处理的实现形式一般有两种,一为通用后置处理,一为专用后置处理。通用后置处理模块般包括三个软件资料:机床数据文件,用来描述机床控制系统的类型、指令定义和输出格式等;刀位文件,用来描述刀具的位置、刀具运动、进给速度等内容:通用后置处理器,该部分是通用后置处理模块的核心,其根据机床数据文件的定义,将刀位文件转换成控制机床运动的数控代码程序。专用后置处理是根据
25、不同的机床类型和不同的数控系统编写用于特定机床专用的后置处理程序“1。本章基于c i m a t r o nE 软件,以上述两种形式实现针对D 删7 0 V 数控机床的后置处理程序。3 1 基于C i m a t r o nE 通用后置处理模块的后置处理开发3 1 1C i m a t r o n E 软件功能简介C i m a 仃o nE 软件是以色列C i m a 仃o n 公司开发的针对工模具制造的C A D C A M软件。软件加工功能主要包括“2“”:1 两轴半加工2 5 轴加工可以应用于3 D 曲面和实体以及2 D 曲线加工,以提高加工效率和编程的灵活性。2 三轴粗加工3 轴粗加工
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