五轴联动机床后处理的开发新方法与验证*

吴陈燕

(台州职业技术学院，浙江 台州 318000)

由于五轴联动机床在工作台结构上种类繁多，且有许多不同的厂牌控制器，因此不同机型与不同控制器的五轴联动机床都必须要有一套在这两方面条件都完全符合的后处理文件，才能将所需要的NC数控程序通过合适的后处理编译器将CL Data档案转换出来。目前有很大一部分的NC机床厂商都不会在客户购买机床时主动为客户提供该机床的专属后处理文件，通常都必须自行额外购买，且价格基本上都不会太低，因此五轴后处理文件在五轴NC机床这一领域的使用上还不是十分普及。在缺少后处理文件的情况下，最直接导致加工编程人员无法取得各种需要被加工的零件或产品的NC数控程序，虽然这一问题可以通过现场加工人员凭借自身所累积的加工经验手动编写NC程序，但是这样的做法不仅会耗费大量的人力与时间成本，而且依旧会产生许多难题。这是因为不同厂牌的控制器所使用的语法架构、切削参数的定义以及指令格式代码的差异，再加上偏位参数与坐标转换的计算等问题，使得手动编写NC数控程序的可行性极低[1-2]。

本研究将会开发一套由Visual Studio C#语法撰写，并适用于TATC机型的五轴NC联动机床与西门子控制器的后处理文件，目标是产生可以应用于TATC机型和西门子控制器的NC数控程序，验证方面则是以商业使用仿真切削软件Vericut以及实际切削零件等方法确认所生成的NC数控程序正确无误，并期望能在精度误差与加工效率等方面进行提升。

1 以球面双圆法求解旋转角

以球面双圆法(Spherical two-circle method，简称STC法)求解旋转角的特点是先搁置五轴运动中的线性运动，而着重于2个旋转轴的运动，并将这2个旋转运动分解成主轴向量或刀轴向量依序绕次旋转轴及主旋转轴进行旋转，如此可轻易地经由刀轴向量求得2个旋转轴的旋转角，再利用求得的旋转角以正向运动学的方法求出NC data的点坐标，并推导后处理器的坐标转换公式。STC法的观念不仅可应用于主轴型五轴机床，也可应用于工作台型及混合型，不但可用于旋转轴正交型，也可应用于旋转轴非正交型。STC法的概念是以图形做几何分析，因此利用2个旋转圆相交与否的关系，可快速推导出刀轴向量的有效范围及判别旋转轴的方向是否恰当。五轴加工后处理转换的研究项目如下：1)五轴机床的分类；2)以STC法的概念推导旋转角公式；3)推导NC data的点坐标公式。

进行五轴后处理之前，应了解机床的种类型式。一般将五轴机床分为正交型五轴机床与非正交型五轴机床，这两大种类又可细分成不同的工作台型式，根据不同型式的工作台的运动方式，以便后续正向运动学的NC data计算。

正交型五轴机床：当主旋转轴与次旋转轴的向量内积为零时，称此机型为正交型。一般常见正交型五轴机床可分成3种型式，本研究以Table型为例。Table型：2个旋转轴若皆可带动工件，则称为Table型。

非正交型五轴机床：当主旋转轴与次旋转轴的向量内积不为零时，称此机床型式为非正交型。一般非正交型的五轴机床又可分成3种型式，本研究以Table双斜轴型为例。Table双斜轴型：五轴机床的2个旋转轴以非正交轴形态带动工件，则称为Table双斜轴型。

2 五轴联动机床后处理器的数学模型建构

五轴联动机床后处理器的数学模型建构，其基础理论为STC法，跟D-H法、正逆向运动学相比较，利用STC法推导出五轴联动机床NC data的通用公式更具易懂性。因此，STC法对于推导五轴旋转角所带来的贡献如下。

2.1 Table型五轴联动机床后处理数学模型与通用公式

1)次旋转圆Cv(见图1)：将2个旋转轴向量U、V、主轴单位向量Vecs及加工点Pm的刀轴单位向量Vect平移至加工坐标系的原点Om，此时刀轴向量的端点Pt绕次旋转轴旋转所产生的圆形轨迹即是次旋转圆Cv。

2)主旋转圆Cu(见图1)：将2个旋转轴向量U、V、主轴单位向量Vecs及加工点Pm的刀轴单位向量Vect平移至加工坐标系的原点Om，此时主轴向量的端点Ps绕主旋转轴旋转所产生的圆形轨迹即是主旋转圆Cu。

图1 通用Table模型

STC法是由4个向量及2个圆组成(见图1)，适用于所有Table型的通用T模型，此4个向量分别为主旋转轴向量、次旋转轴向量、主轴向量及刀轴向量，其中主轴向量代表主轴上的刀具，而刀轴向量代表加工点上规划的刀具轴向。2个圆分别由主轴向量的端点Ps绕主旋转轴的轨迹及刀轴向量端点Pt绕次旋转轴的轨迹，此两圆分别为主旋转圆及次旋转圆，而两圆的交点即为转换点。Table型的运动意义为模拟刀轴向量(工件)的运动使终止于主轴向量，并且使刀轴向量对齐主轴向量，首先暂时搁置线性轴的运动，只考虑旋转轴的运动，使刀轴向量绕次旋转轴旋转，此时动点由Pt点出发沿着次旋转圆运动到达转换点P1或P2，再改绕主旋转轴旋转，此时动点沿着主旋转圆运动，终止于主轴向量端点Ps，如此运动方式将使得规划的刀轴方向与主轴的方向一致。通用T模型的动点是由Pt开始绕次旋转轴运动，主旋转圆是由Ps点是绕主旋转轴产生的，而通用S模型的动点却是由Ps开始绕次旋转轴运动，主旋转圆是由Pt点绕主旋转轴产生的[3]。

Table正交型五轴联动机床依照旋转轴的轴向分类共有TATC、TBTC、TATB及TBTA 等4种型式，要推导CL data转换为NC data的通用公式时，先令2旋转轴定位于0°的位置，并使刀尖平移至加工坐标系的原点，此时称为起始状态。在下列推导中，令(X,Y,Z)为NC data的点坐标，此坐标是参考加工坐标系；(x,y,z)为加工点的坐标，此坐标是参考工件坐标系；(i,j,k)为刀轴向量；主旋转轴的轴向量为U(Ux,Uy,Uz)；次旋转轴的轴向量为V(Vx,Vy,Vz)；刀尖的坐标为(0, 0, 0)；起始状态时加工坐标系的原点到次旋转轴的向量[4-6]为dO→V(dO→Vx,dO→Vy,dO→Vz)，由主旋转轴到次旋转轴的向量为dV→U(dV→Ux,dV→Uy,dV→Uz)。

Table型五轴联动机床的CL data转换NC data的通用公式如下：

(1)

Mv=Mv3Mv2Mv1

(2)

Mu=Mu3Mu2Mu1

(3)

将上述矩阵带入式1便可得到任意Table型的NC data通用公式。

2.2 TATC型五轴联动机床后处理通用公式

本研究将以TATC型机床计算其刀具路径转换NC data的通用公式。该机型主轴向量为(1，0，0)，次旋转轴向量为(0，0，1)，主旋转角θu=A及次旋转角θv=C，将这些参数代入Mv2及Mu2，上述Mv2及Mu2可简化为：

将Mv2及Mu2带入式1可得最后结果：

(4)

3 开发后处理文件的验证程序

本研究在后处理文件的开发上使用Windows10操作系统，并采用Visual Studio2019软件建立后处理文件的人机界面，同时使用C#程序语言撰写后处理编译程序。

3.1 C#语言介绍

C#为面向对象的高阶程序语言，也是.NET众多程序语言之一，具有C语言升级的意思。其语法与Jave、Javascript、C++相似，为ECMA标准。C#由C/C++延伸而来，除了其效能不错外，又有.NET Framework作为根基，因此能让程序设计师快速进行项目开发。C#作为通用性语言，可以开发各种不同程序，从复杂大型的操作系统到小型嵌入式系统都可使用。

3.2 建构五轴联动机床模拟切削环境

以商业仿真切削软件Vericut作为仿真切削环境，建立工件模型与五轴NC联动机床模型并加载编译后所获得的NC数控程序便可以仿真真实情况的加工机床运作与加工切削过程，可检测出是否干涉与过切，避免实际上机床加工时发生错误与额外的测试流程，使加工时间更为减少。而切削模拟环境的坐标系一定要与实际加工的坐标系相同，模拟的结果是否近似实际加工情况也与设定模拟环境是否够精细有关。

依照实际TATC构型的五轴联动机床结构(见图2)，TATC机型是在基座上建构Spindle(主轴)与Fixture(夹具)，而两者各自的驱动关系分别是Z轴带动主轴，夹具方面则是Y轴带动X轴，X轴再带动A轴，A轴又带动C轴。将建成的TATC结构关系导入模型，定义线性轴与旋转轴方向，并设定各轴向的极限行程以完成模拟切削环境的建构[7-9]。

图2 CT-350的TATC结构关系

4 结语

本文所述STC法将五轴机床的运动法转换成具有明确的几何意义，应用此法则可快速地检验五轴NC data的正确性，并可用来求解五轴NC data的旋转角及点坐标，具有简单、可行及通用的特性，可应用于所有类型的五轴机床，包括正交型及非正交型。本研究主要使用Visual Studio C#程序语言撰写人机接口，并开发出一套能够编译出NC数控程序的后处理文件。研究结论如下[10-11]。

1)以STC法推导TATC型五轴联动机床运动转换程序。

2)针对SIEMENS控制器系统建立可应用的指令编译程序。

3)建立应用于MasterCAM软件的后处理编译器，可将CL Data转换成可用的NC数控程序。

4)应用商业仿真切削软件Vericut仿真切削所得到的误差在±0.005 mm之内。

未来开发完成的后处理器人机界面(见图3)可依照用户的需求对机床结构、控制器种类、单位系统等种类进行选择，并可在新建后处理名称与输出扩展名及第四、五轴行程方面进行参数上的设定。

图3 未来自行开发的后处理器界面