具有RPCP功能五轴双转台机床后置处理方法*

于珊珊 徐汝锋 郭前建

(山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255000)

具有RPCP功能五轴双转台机床后置处理方法*

于珊珊 徐汝锋 郭前建

(山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255000)

针对不具备RPCP功能的五轴双转台机床每次安装工件时需使工件原点与机床原点重合的问题，提出了一种具有RPCP功能五轴双转台机床后置处理方法。首先根据五轴双转台机床的结构特征，分析该机床各坐标轴之间的运动关系，以工件原点在机床坐标系中的偏置量作为变量，建立前置刀位数据与机床坐标轴数据之间的运动变换方程；然后推导出该五轴机床各坐标轴的计算公式。在此基础上，基于VC++平台开发出具有RPCP功能的五轴双转台机床后置处理程序。以模具曲面加工为例，在VERICUT软件中进行了加工仿真验证，结果表明了该方法的正确性和有效性。

五轴双转台机床；后置处理；RPCP；五轴加工

在五轴数控加工中，一个或多个转动坐标的运动会引起刀具中心的位移，绕刀具中心旋转(rotation tool centre point，RTCP)功能可以使系统自动对转动轴的运动进行实时线性补偿，以确保刀具中心点在插补过程中始终处在编程轨迹上。现有五轴数控系统按其功能特点可分为不带RTCP功能型和带RTCP功能型[1]。早期的五轴数控系统一般不具有RTCP功能，五轴联动加工时需要根据具体机床的结构将前置处理的刀位数据转换为机床各运动轴的坐标值，还要考虑刀具长度的补偿、工作台的轴线及偏差等问题，而目前五轴数控系统都具备此项功能[2-3]。国内学者也在RTCP功能方面开展了相关研究，孙维堂等[4]系统深入研究五轴数控系统的RTCP功能，阐述了具体实现算法并进行试验验证。高伟强等[5]研究了五轴数控系统中的RTCP功能，并推导出了RTCP算法的通用数学模型。樊曙天等[6]在研究五轴双转台机床运动原理基础上给出了一种集成RTCP 功能的插补算法。

而绕工件中心旋转(rotation around part center point, RPCP)功能的定义与RTCP类似，是五轴机床绕工件旋转中心编程的简称。其意义同RTCP功能类似，不同的是该功能是补偿工件旋转所造成的平动坐标的变化。从上面的分析可以看出，RTCP功能主要是应用在双摆头结构形式的五轴机床上，而RPCP功能是应用在双转台形式的五轴机床上，而对于摆头转台形式的五轴机床是以上两种情况的综合应用。虽然有学者开展双转台类型五轴机床的后置处理方面研究[7-8]，但多数事先假定工件原点与机床原点重合，重点推导该类机床后置处理转角计算公式和坐标转换计算公式，涉及RPCP功能方面的研究较少。

针对不具备RPCP功能的双转台类五轴机床，每次安装工件时都要花大量时间进行测量和调整，以便使工件原点与机床原点重合，这将增加工件实际加工时间和影响其加工精度。为解决上述问题，本文提出了一种具有RPCP功能五轴双转台机床后置处理方法，只需在后置处理软件中对实际工件原点在机床坐标系偏置量进行设置就可以生成能够实现RPCP功能的数控加工程序。

1 五轴双转台机床的运动建模

本文以A-C双转台结构形式五轴数控机床为例，如图1所示。根据该机床的具体结构，可以得出该机床各坐标轴之间的运动关系，即机床运动链，由刀具、主轴、平动工作台、床身、回转工作台等单元按顺序串联而成，如图2所示。

图1所示为五轴双转台机床结构示意图，其中第四轴为A轴，第五轴为C轴，且两旋转轴线互相垂直。为描述机床各坐标轴之间的运动，建立如图3所示坐标系统。其中OmXmYmZm为机床坐标系，机床原点Om位于C轴回转工作台上；Om1Xm1Ym1Zm1为与旋转轴A固连的坐标系，其旋转轴线固定不变；OwXwYwZw为与工件固连的工件坐标系，前置刀位数据是在该坐标系下给出；OtXtYtZt为与刀具固连的刀具坐标系，其原点设在刀心或刀尖点上。机床初始状态时，假设坐标系OwXwYwZw、OtXtYtZt、Om1Xm1Ym1Zm1与机床坐标系OmXmYmZm各坐标轴的方向一致，坐标系Om1Xm1Ym1Zm1原点Om1在坐标系OmXmYmZm的位置矢量OmOm1为(xm1,ym1,zm1)，工件坐标系原点Ow在机床坐标系OmXmYmZm中的位置矢量OmOw为(x0,y0,z0)；刀轴矢量与机床坐标系Z轴平行，动轴C的轴线与机床坐标系Z轴平行；在刀具坐标系OtXtYtZt下，刀心点的位置矢量和刀轴矢量分别为(0, 0, 0)和(0, 0, 1)。假设机床平动轴相对于初始状态的平移矢量为rs(X,Y,Z)，旋转轴相对于初始状态的转角分别为A和C(其正方向如图3所示)，此时在工件坐标系OwXwYwZw中，刀位点和刀轴矢量分别为(x,y,z)和(i,j,k)。其运动变换的过程是由刀具坐标系转换到机床坐标系，再由机床坐标系转换到工件坐标系，最终通过机床各坐标轴的运动得到工件坐标系下的刀位点和刀轴矢量。

由机床各坐标轴的运动关系进行相应的坐标变换，可得：

(1)

(2)

式中：T和R分别为机床各坐标轴平动和转动的齐次变换矩阵。

(3)

(4)

由式(2)和(3)可以得到机床各平动轴：

(5)

由式(3)、(4)和(5)确定机床各坐标轴的计算公式，即对前置刀位数据进行后置处理而得到机床各坐标轴的数值。由式(5)可以看出，工件原点Ow(x0,y0z0)与回转轴之间存在耦合关系，它直接影响机床轴的运动坐标。因此，如果五轴数控系统不具备RPCP功能，就不能简单在数控系统工件坐标系如G54中进行工件原点偏置设定，须在后置处理时考虑这个偏置量。

2 后置处理软件开发

根据五轴双转台机床的结构特征建立其运动变换方程，并推导出该机床各坐标轴的计算公式，基于VC++6.0平台设计带RPCP功能五轴后置处理软件界面及编制相应计算程序。该软件界面主要包括文件输入输出设置、工件原点在机床坐标系中的位置、第四轴相对于机床原点偏置量、回转轴C的运动范围、后置处理命令按钮等，如图4所示。该软件可以将刀位源文件(CLSF)转化为数控系统可以识别的数控程序(G-Code)；同时，对于不具有RPCP功能五轴双转台机床，若工件原点不在C轴转台回转中心时，则可以根据工件原点在机床坐标系中的实际位置矢量进行相应的补偿，避免每次安装工件时需使工件原点与机床原点重合的问题。

3 仿真验证

本文将以某工业模具曲面的加工为例进行仿真验证[9]。采用UG/CAM中可变轴曲面加工策略，刀具为D20R3的环形刀，加工误差为0.05mm，加工区域v[0,0.3],刀具前倾角为10，侧倾角为0，所生成曲面区域的加工刀轨如图5所示，并将其转换为相应的刀位文件。设工件安装时工件原点在机床坐标系中偏置量为(1, 0.5, 0)，若利用不具备RPCP功能的后置处理软件生成数控加工程序，并在VERICUT软件中进行加工仿真，此时需在数控系统提供的工件坐标系如G54中进行设置(1, 0.5, 0)，则VERICUT加工仿真结果如图6所示，其加工误差在0.1～0.4mm；若采用本文开发的具有RPCP功能后置处理软件并设置工件原点在机床坐标系中偏置值(1, 0.5, 0)生成相应的数控加工程序，则VERICUT加工仿真结果如图7所示, 其加工误差在0～0.05mm。

由图6可以看出，对于不具备RPCP功能五轴双转台机床，若工件安装时工件原点与机床原点不重合，仅在机床数控系统提供的工件坐标系如G54中进行偏置量设置，则会产生较大的加工误差。由图7可以看出，采用本文提出的具有RPCP功能五轴双转台机床后置处理软件，且在该软件界面中补偿工件原点偏置量，所生成的数控加工程序的仿真结果与编程给定的加工误差一致。因此，本文提出的五轴后置处理方法可以解决工件原点与机床原点不重合的问题。

4 结语

本文针对不具备RPCP功能的五轴双转台机床每次安装工件时需使工件原点与机床原点重合的问题，提出了一种具有RPCP功能五轴双转台机床的后置处理方法，并基于VC++平台开发出相应的后置处理软件。以模具曲面加工为例，在VERICUT软件中进行了加工仿真验证，结果表明该方法的正确性和有效性。

[1] 梁全，王永章. 五轴数控系统RTCP和RPCP技术应用[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2008(2): 62-65.

[2]Siemens.SINUMERIK840D/840Di/810D/FM-NC编程指南高级篇[M].SiemensAutomationGroup, 2001.

[3]Fidia.菲迪亚M级C级用户及编程手册[M]. 意大利:FIDIAS.p.A.SanMauroTorinese, 2000.

[4]孙维堂，刘伟军，于东，等. 五轴联动数控系统RTCP技术的研究与实现[J]. 小型微型计算机系统, 2011(12): 2515-2518.

[5]高伟强，胡泽华，庄朱协. 五轴联动数控系统中RTCP技术的研究[J]. 制造技术与机床, 2011(10): 66-69.

[6]樊曙天，杨伟平. 双转台五坐标机床RTCP功能的研究[J]. 制造技术与机床, 2009(12): 74-77.

[7]何永红，齐乐华，赵宝林. 双转台五轴数控机床后置处理算法研究[J]. 制造技术与机床, 2006(1): 9-12.

[8]陈明方，梁全，侯伯民.RTCP功能在后置处理中的应用[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2011(4): 74-77.

[9]WarkentinA,IsmailF,BediS.Comparisonbetweenmulti-pointandother5-axistoolpositioningstrategies[J].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture, 2000, 40(2): 185-208.

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Post-processing method for 5-axis dual tables machine tool with the function of RPCP

YU Shanshan，XU Rufeng，GUO Qianjian

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, CHN)

For the 5-axis dual tables machine tool without the function of RPCP, when the workpiece is fixed on the rotary table, the workpiece origin needs to coincide with the machine origin. In order to solve this problem, a post-processing method with the function of RPCP for 5-axis dual tables machine tool is proposed. Firstly, according to the structure of the 5-axis dual tables machine tool, the relationship among machine coordinate axes is analyzed, the offset from the workpiece origin to the machine origin is set to be variables, and the transformation equation between the cutter data and the machine coordinates is established. Then, the formulas of all machine coordinates are derived. On this basis, a post-processor with the function of RPCP for 5-axis dual tables machine tool is developed on VC++ platform. Finally, a mould surface processing is used as an example, and a cutting simulation test is done in VERICUT software. The simulation results show the correctness and validation of the proposed method.

5-axis dual tables machine tool; post-processing; RPCP; 5-axis machining

*山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(BS2013ZZ002)

TG659

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.018

于珊珊，女，1980年生，硕士研究生，讲师，主要研究方向为数控加工技术，己发表论文6篇。

�钢) (

2016-05-17)

160923