基于D-H参数法的四轴机床UG后处理研究

王守鹏，杜 威

(吉林化工学院 航空工程学院，吉林 吉林 132022)

在三轴立式数控机床上添加一台A轴回转工作台，并将A轴回转工作台控制系统加入机床数控系统，就可组装成四轴加工数控机床.在投入较少的情况下，使该数控机床的加工范围得到极大地扩展.如何能使机床发挥最大的性能，除了机床本身的机械性能外，也离不开功能强大的NX代码程序控制.由于数控机床种类及结构多样且复杂，无法开发出满足所有数控机床的后处理程序，这就要求每一台数控机床都要开发出其专用的后处理程序.主要研究内容：A轴回转的四轴数控机床坐标变换算法，并根据该算法构建后处理程序.

1 四轴数控机床后置处理算法

图1是Vericut软件中建立的四轴机床模型，其机械结构、数控系统与实际机床完全相符，在此模型上验证后处理的准确性可以大大节省调试时间.

图1 带A转轴的四轴数控机床

1.1 D-H参数法坐标变换原理

对四轴机床后处理算法的研究，就是对刚体一般运动的研究.其核心是对刚体一般运动的分解.刚体的一般运动可以用位置和姿态的时间历程来描述.

即：失径rc=rc(t)，姿态qc=qc(t)，其中rc代表失径，qc代表欧拉角坐标阵.

(1)

图2 刀位点参考基向量图

(2)

其中AOC是连体坐标系相对于工件坐标系的方向余弦，刀位点坐标可以表示为k点坐标方程：

xk=xk(rc(t),q(t)),yk=yk(rc(t),q(t)).

(3)

1.2 带A轴转台机床后处理算法

根据所研究数控机床的结构进行分析，其第四轴A轴的Y坐标和Z坐标位置始终不变，在编程过程中，通常以A轴的Y坐标和Z坐标作为工件坐标系的Y坐标和Z坐标，以简化后置程序的复杂性.此次算法研究将工件坐标系的Y坐标和Z坐标与A轴的相应坐标建立在同一位置，以便进一步研究.

(4)

其中Ark为刀具与参考基之间的方向余弦[1-5].

根据运动学方向余弦的定义:

(5)

因为机床只有A一个旋转轴，其姿态角可以定义为θ，因此方向余弦可以改写为：

(6)

通过公式(5)方向余弦Ark和连体基上的刀位点kb求解：

(7)

得出机床各直线轴运动数据,即得到四轴机床后置处理基本算法[6].

2 UG POST Builder后处理软件开发

2.1 后处理工作流程

NX是一款功能十分强大的CAD/CAM软件，在按工艺要求生成轨迹后，如图3(a)所示，可以直接导出CLSF刀位文件，如图3(b)所示.由于机床结构的多样性，CLSF不能直接驱动机床，必须对其符号进行替换，其输出刀位轨迹的姿态角和连体基都建立在刀位点上，这就要求后处理程序按机床需求对刀位轨迹进行坐标变换，最终生成机床能够识别的NC程序，如图3(c)所示.

后置处理流程图，如图4所示.

(a)刀具轨迹

(b)CLSF刀轨对话框

(c)CLSF刀位点程序图3 UG生成的CLSF刀位文件

图4 后置处理工作流程

(7)

2.2 UG Post Builder流程

文中所采用的是原上海Fadal机床厂生产的FAUNC 0I MATE机床，在中期维护后，因教学需要，该数控机床通过改造添加A轴回转工作台(第四轴)，经过后处理需要输出符合ISO标准的准备功能G代码、辅助功能M代码、刀具功能T代码、转速功能S代码[4]，还要对坐标功能字X/Y/Z/A坐标进行变换输出.软件包含标准模版，使用者可以根据自己的需求修改相应的模块；在四轴后处理方面，主要修改三个模块包括“Program Start Sequence”、“Tool Path”和“Program End Sequence”，如图5所示.

(a) Program Start Sequence

(b) Tool Path

(c) Program End Sequence图5 UG Post后处理模版

“Program Start Sequence”主要管理代码起始段输出格式，如图5(a)所示，每一类数控系统对输入的代码都要进行格式检测，符合要求才能被正确的使用，如Fanuc系统要求在程序的开头输入“%换行“O0001”机床才能正确读写输入程序.注：O0001是ISO标准程序名.

“Tool Path”是刀位点变换的核心，如图5(b)所示，包括“Linear Move ”直线插补、“Circular Move ”圆弧插补和“Rapid Move”快速移动三个子模块，其大体格式包括“G_Motion X-coordinate Y-coordinate Z-coordinate Fourth_axis 4th axis Angle F_Feed Rate M_Spindle S_Spindle speed”.

其中：

X-coordinate:输出X坐标；

Y-coordinate:输出Y坐标；

Z-coordinate:输出Z坐标；

Fourth_axis 4th axis Angle:输出A轴旋转角度；

F_Feed Rate:根据CLFS刀位文件输出F代码，表示加工进给速度；

M_Spindle:主轴旋转方向，根据CLSF输出M03/M04；

S_Spindle speed:输出主轴转速.

图6 A轴坐标变换表达式对话框

3 生成代码及仿真验证

为了提前发现程序中的干涉、碰撞问题，此次采用当今比较流行的仿真软件VERICUT作为程序验证工具[7-10]，具体操作流程包括：

1.零件三维数字建模，生成的模型及毛坯除加工工序使用外还要导出STL格式，为VERICUT软件验证提供模型；

2.创建零件的四轴工序，包括：“程序顺序视图”设置程序列表相关参数，“机床视图”设置刀具相关参数，“几何视图”设置坐标系、毛坯和几何体等相关参数，“加工方法视图”粗精加工与工序有关的参数，如图7(a)所示；

3.后处理生成NC代码，如图7(b)所示；

4.在Vericut软件中进行程序验证，如图7(c)所示.

(a) 创建四轴工序

(b) 后处理生成NC代码

(c) Vericut仿真图7 加工生成及仿真

4 结 论

UG多轴加工在生产中具有非常优异的性能，优势不仅体现在数控加工上，还包括数字建模、轨迹生成、后处理代码，直到最后加工等多个环节，这些环节互相依存、缺一不可.一个好的后处理程序可以发挥软件及加工的全部优势，一个有缺陷的后处理可能造成很大的损失.我国数控加工起步相对较晚，但发展迅猛，大量先进机床需要正确和优化后的后处理程序.通过D-H算法建立针对四轴数控机床的数学模型，并将该模型通过Ug Post Builder转换成机床能够使用的四轴后处理程序，通过仿真验证证明方法的可行及可靠性.