本發(fā)明涉及一種五軸數(shù)控機(jī)床刀具半徑補(bǔ)償方法，尤其涉及一種基于ba型五軸數(shù)控機(jī)床后處理五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償方法，屬于數(shù)控加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)五軸數(shù)控加工中刀具半徑補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了大量研究，目前已在一些國(guó)外商用數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行了部分應(yīng)用?？偟膩?lái)說(shuō)，主要是針對(duì)五軸端銑加工時(shí)刀具半徑補(bǔ)償進(jìn)行研究，現(xiàn)有五軸刀具半徑補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)主要有三種途徑：

現(xiàn)有技術(shù)一，數(shù)控系統(tǒng)本身具有五軸刀具半徑補(bǔ)償功能，并支持帶刀具半徑補(bǔ)償向量的程序段格式，此時(shí)數(shù)控程序需要提供刀具半徑補(bǔ)償向量。

現(xiàn)有技術(shù)二，在后處理程序中進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償，生成刀具半徑補(bǔ)償后的數(shù)控程序，這時(shí)數(shù)控系統(tǒng)不需要提供專門的程序段格式。

現(xiàn)有技術(shù)三，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)提供的宏變量和數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，開(kāi)發(fā)專用的后處理程序，并生成含有刀具半徑宏變量的數(shù)控程序，直接通過(guò)修改數(shù)控程序中宏變量的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)五軸刀具半徑的補(bǔ)償，具體參見(jiàn)文獻(xiàn)【徐汝鋒，陳志同.基于后置處理五軸刀具半徑補(bǔ)償方法[j].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2014,50(13):157-164】和專利【一種基于后置處理五軸刀具半徑補(bǔ)償方法，申請(qǐng)?zhí)枺篶n201310440414.1】。

上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)：

現(xiàn)有技術(shù)一，需要數(shù)控系統(tǒng)具備五軸刀具半徑補(bǔ)償功能，對(duì)于不具備五軸半徑補(bǔ)償?shù)臄?shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，則需要購(gòu)買相應(yīng)的軟件包對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，將大幅增加機(jī)床的使用成本，從而提高了零件的加工費(fèi)用。同時(shí)，還需要cam軟件能夠生成帶有補(bǔ)償向量的刀位數(shù)據(jù)文件，然后利用專用后處理軟件生成帶有刀具半徑補(bǔ)償向量的數(shù)控加工程序。

現(xiàn)有技術(shù)二，在對(duì)刀位數(shù)據(jù)文件進(jìn)行后處理時(shí)，考慮到刀具半徑補(bǔ)償值，并輸出到數(shù)控加工程序中。但當(dāng)?shù)毒甙霃桨l(fā)生變化時(shí)，需要再次對(duì)原有刀位數(shù)據(jù)文件進(jìn)行后處理，進(jìn)而得到新的半徑補(bǔ)償后數(shù)控加工程序。這個(gè)過(guò)程非常繁瑣，且數(shù)控加工程序的可重用性較差，必將大幅增加工藝人員的工作量，以及零件的總加工時(shí)間，從而提升零件的制造成本。

現(xiàn)有技術(shù)三，主要針對(duì)于五軸端銑加工，僅適用于球頭刀、平底刀和環(huán)形刀等端銑刀，而對(duì)于五軸側(cè)銑加工，尤其鼓型刀五軸側(cè)銑加工復(fù)雜曲面，其補(bǔ)償?shù)幕驹聿煌?，因此其專用的后置處理程序很難適用于五軸鼓型刀側(cè)銑加工。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有鼓型刀五軸側(cè)銑加工復(fù)雜曲面時(shí)刀具發(fā)生磨損后很難實(shí)現(xiàn)在線五軸半徑補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，本發(fā)明提供一種基于ba型五軸數(shù)控機(jī)床后處理五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的：一種基于ba型五軸數(shù)控機(jī)床后處理五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償方法，包括以下步驟：

a、研究鼓型刀五軸側(cè)銑加工復(fù)雜曲面半徑補(bǔ)償?shù)幕驹?，推?dǎo)出五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償方向和補(bǔ)償后刀位點(diǎn)矢量計(jì)算方程；

b、建立前置刀位數(shù)據(jù)與ba型五軸數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸之間的關(guān)系方程；

c、利用五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償后刀位點(diǎn)矢量計(jì)算方程，建立五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償后刀位數(shù)據(jù)與ba型五軸數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸之間的關(guān)系方程；

d、針對(duì)ba型五軸數(shù)控機(jī)床利用c++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出一套具有五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償功能的后處理軟件；

e、利用步驟d的后處理軟件生成含有鼓型刀半徑補(bǔ)償宏變量的數(shù)控加工程序。本發(fā)明的有益效果是，該方法可以方便實(shí)現(xiàn)不具備五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償功能數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補(bǔ)償，避免刀具半徑尺寸改變后必須返回cam系統(tǒng)重新計(jì)算刀軌和再次進(jìn)行后處理的繁瑣過(guò)程，從而縮短了零件總加工時(shí)間和提高了數(shù)控加工程序可重用性，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為基于ba型五軸數(shù)控機(jī)床后處理五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償方法流程圖；

圖2為五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償原理示意圖；

圖3為雙轉(zhuǎn)臺(tái)ba型五軸數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈；

圖4為雙轉(zhuǎn)臺(tái)ba型五軸數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系；

圖5為含有五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償宏變量的數(shù)控加工程序。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的一種基于ba型五軸數(shù)控機(jī)床后處理五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償方法，其基本流程如圖1所示，其較佳的具體實(shí)施方式是，包括：

步驟a、研究鼓型刀五軸側(cè)銑加工復(fù)雜曲面半徑補(bǔ)償?shù)幕驹?，推?dǎo)出五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償方向和補(bǔ)償后刀位點(diǎn)矢量計(jì)算方程。所述步驟a具體為：

如圖2所示，s為設(shè)計(jì)曲面，p為曲面上的刀觸點(diǎn)，鼓型刀具在點(diǎn)p處與曲面s相切；假設(shè)鼓型刀徑向最大回轉(zhuǎn)圓半徑為r，鼓型圓弧母線圓半徑為r，鼓型母線切削刃高度為h，o為刀心點(diǎn)，opos為刀位點(diǎn)，o1為鼓型圓弧母線的圓心，且位于鼓型刀徑向最大回轉(zhuǎn)圓直徑上，oopos＝h/2；i為刀觸點(diǎn)p處刀位的刀軸矢量，n為刀觸點(diǎn)p處曲面的法矢量，m為垂直于刀軸方向的矢量o1o，以上三矢量均為單位矢量。

假設(shè)鼓型刀具半徑發(fā)生改變，即最大回轉(zhuǎn)圓半徑由r變?yōu)閞'、鼓型圓弧母線半徑由r變?yōu)閞'時(shí)，為保持鼓型刀具在刀觸點(diǎn)p處仍與曲面s相切，則刀心點(diǎn)o必須沿刀觸點(diǎn)p處的法矢量n和垂直于刀軸方向的矢量m進(jìn)行平移。因此，鼓型刀具半徑補(bǔ)償方向矢量是由矢量m和n來(lái)確定，兩個(gè)方向的補(bǔ)償量分別為δr＝r′-r和δr＝r′-r。于是，在工件坐標(biāo)系owxwywzw中補(bǔ)償后的刀心點(diǎn)o'的位置矢量為

ro′＝ro+(δr-δr)·m+δr·n(1)

式中，矢量n和m都是未知量，下面將給出其具體求解方法。

如圖2所示，利用空間向量叉積性質(zhì)，則有

式中，而矢量n則為

至此，已經(jīng)求解出鼓型刀半徑補(bǔ)償方向的兩個(gè)矢量，而刀位點(diǎn)實(shí)際上是由刀心點(diǎn)沿刀軸矢量反向偏移h/2而得到，即再聯(lián)立式(1)可得到鼓型刀半徑補(bǔ)償后刀位點(diǎn)opos的位置矢量

式(4)是鼓型刀具補(bǔ)償后刀位點(diǎn)矢量方程的一般形式，這為實(shí)現(xiàn)五軸鼓型刀具半徑補(bǔ)償?shù)暮筇幚沓绦蜷_(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

步驟b、建立前置刀位數(shù)據(jù)與ba型五軸數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸之間的關(guān)系方程。所述步驟b具體為：

根據(jù)機(jī)床回轉(zhuǎn)軸所在位置不同，ba型五軸數(shù)控機(jī)床又可以分為雙擺頭、雙轉(zhuǎn)臺(tái)和擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)三種基本類型，下文將主要以雙轉(zhuǎn)臺(tái)ba型五軸數(shù)控機(jī)床作為研究對(duì)象，闡述鼓型刀前置刀位數(shù)據(jù)與雙轉(zhuǎn)臺(tái)ba型五軸數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸之間的關(guān)系。

圖3所示為雙轉(zhuǎn)臺(tái)ba型五軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)鏈。為描述上述雙轉(zhuǎn)臺(tái)ba型五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，建立圖4所示的坐標(biāo)系統(tǒng)，其中omxmymzm為機(jī)床坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點(diǎn)om位于a軸轉(zhuǎn)臺(tái)表面中心；om1xm1ym1zm1為與b軸固連的坐標(biāo)系，初始方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致，其原點(diǎn)om1在機(jī)床坐標(biāo)系中位置矢量為[xm1,ym1,zm1]；owxwywzw為與工件固連的工件坐標(biāo)系，其初始各坐標(biāo)軸方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致，其原點(diǎn)ow在機(jī)床坐標(biāo)系中位置矢量為[x0,y0,z0]，前置刀位數(shù)據(jù)是在該坐標(biāo)系下給出；otxtytzt為與刀具固連的刀具坐標(biāo)系，其原點(diǎn)設(shè)在刀位點(diǎn)上，其初始各坐標(biāo)軸方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致。

在機(jī)床初始狀態(tài)時(shí)，假設(shè)刀具坐標(biāo)系otxtytzt原點(diǎn)ot與機(jī)床坐標(biāo)系omxmymzm的原點(diǎn)om重合，工件坐標(biāo)系owxwywzw的原點(diǎn)ow在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置矢量為[x0,y0,z0]。在刀具坐標(biāo)系otxtytzt中，刀位點(diǎn)的位置矢量和刀軸矢量分別為(0,0,0)^t和(0,0,1)^t。假設(shè)機(jī)床平動(dòng)軸相對(duì)于初始狀態(tài)平移矢量為rs(x,y,z)，回轉(zhuǎn)軸相對(duì)于初始狀態(tài)轉(zhuǎn)角分別為b和a(其正方向如圖4所示)，此時(shí)在工件坐標(biāo)系owxwywzw中刀位點(diǎn)和刀軸矢量分別為(x,y,z)和(i,j,k)。由機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行齊次坐標(biāo)變換，可得：

(i,j,k,0)^t＝r(a)r(b)(0,0,1,0)^t(5)

式中，t和r分別為平移和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的齊次變換矩陣：

由式(5)可以得到：

假設(shè)b軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的范圍b∈(-90°,90°)，a軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的范圍a∈[-45°,45°]，則由式(7)可得

由式(6)可以得到五軸數(shù)控機(jī)床各平動(dòng)軸的計(jì)算公式：

步驟c、利用五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償后刀位點(diǎn)矢量計(jì)算方程，建立五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償后刀位數(shù)據(jù)與ba型五軸數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸之間的關(guān)系方程。所述步驟c具體為：

(1)五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償后刀位點(diǎn)計(jì)算公式

由步驟a中五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償原理可知，五軸刀具半徑補(bǔ)償時(shí)不影響刀軸矢量，僅影響刀位點(diǎn)的位置矢量，因此后處理程序中機(jī)床回轉(zhuǎn)角在刀具半徑補(bǔ)償前后是保持不變的。而鼓型刀半徑尺寸發(fā)生改變時(shí)，只能通過(guò)補(bǔ)償方向矢量來(lái)移動(dòng)刀位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)五軸刀具的半徑補(bǔ)償。對(duì)于鼓型刀半徑補(bǔ)償后刀位點(diǎn)計(jì)算刀公式需要包含鼓型刀半徑變化量。

設(shè)刀位數(shù)據(jù)文件中給出刀位點(diǎn)opos(x,y,z)，刀具與工件曲面的刀觸點(diǎn)p(xp,yp,zp)，鼓型刀徑向最大回轉(zhuǎn)圓半徑為r，鼓型圓弧母線半徑為r，而刀具半徑尺寸改變后刀位點(diǎn)為o'pos(x',y',z')，鼓型刀徑向最大回轉(zhuǎn)圓半徑為r'，鼓型圓弧母線半徑為r'，且r'、r'為未知變量。由式(4)可推導(dǎo)出五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償后刀位點(diǎn)o'pos的計(jì)算公式：

式中，

(2)五軸鼓型刀刀位點(diǎn)半徑補(bǔ)償后機(jī)床各平動(dòng)軸的坐標(biāo)值

根據(jù)鼓型刀尺寸改變后刀具半徑變化量是變量，可以分別求解出五軸鼓型刀刀位點(diǎn)半徑補(bǔ)償后機(jī)床各平動(dòng)軸的坐標(biāo)值。將式(10)中補(bǔ)償后的刀位點(diǎn)(x',y',z')代入式(9)，則可以得到機(jī)床各平動(dòng)軸的坐標(biāo)值：

步驟d、針對(duì)ba型五軸數(shù)控機(jī)床利用c++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出一套具有五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償功能的后處理軟件。所述步驟d具體為：`

(1)從刀位數(shù)據(jù)文件中讀入一行刀位數(shù)據(jù)，對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得刀位點(diǎn)位置矢量、刀軸矢量和刀觸點(diǎn)位置矢量；

(2)根據(jù)所獲得的刀軸矢量利用式(7)可以計(jì)算機(jī)床回轉(zhuǎn)軸b和a；

(3)根據(jù)所獲得刀位點(diǎn)位置矢量、刀軸矢量和刀觸點(diǎn)位置矢量，利用式(10)可以得到鼓型刀徑向半徑和鼓型圓弧母線圓半徑變化量為變量時(shí)機(jī)床各平動(dòng)軸的坐標(biāo)值x、y和z；

(4)重復(fù)上述步驟，直到所有刀位數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)化為機(jī)床各坐標(biāo)軸數(shù)據(jù)x、y、z、b和a。

步驟e、利用步驟d的后處理軟件生成含有鼓型刀半徑補(bǔ)償宏變量的數(shù)控加工程序。所述步驟e具體為：

在步驟d后處理軟件所生成含有五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償宏變量的數(shù)控加工程序中，根據(jù)實(shí)際鼓型刀半徑尺寸直接修改其宏變量的值即可實(shí)現(xiàn)五軸鼓型刀半徑的補(bǔ)償功能，如圖5所示。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，如雙擺頭、擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)類ba型五軸數(shù)控機(jī)床五軸鼓型刀半徑補(bǔ)償方法等，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。