基于CATIA编程刀具点位的分析与处理

赵孟利 吴 旭 苏庆双 欧玉俊

（上海飞机制造有限公司 上海 201306）

五轴数控加工技术是当今世界先进的加工制造技术重要组成部分和基础技术之一，也是数控加工技术中难度最大的。五轴数控加工技术的发展水平不仅仅是一个机械制造企业发展水平的重要标志，更是一个国家机械制造工业发展水平的标志之一。

五轴数控机床是加工复杂曲面零件的重要工具，可以实现各种自由曲面以及复杂腔体类零件的加工。随着国内不断引进国外的五轴联动数控加工设备，五轴联动数控加工中心在各个领域得到了越来越多的应用，在实际生产过程中，每当遇到异形复杂零件加工难题时，五轴联动设备便成了许多厂家的首要选择[1]。相对三轴设备而言，五轴数控设备具有以下优点：

(1)可以在一次性装夹的情况下，完成对产品的高精度高效率的复合加工；

(2)由于可以调节刀具相对工件的相对位置，从而获得更好的加工切削方法，提高空间自由曲面的加工精度、质量和效率等；

(3)三轴难以实现的快速加工的自由曲面，五轴设备可以轻松解决。

目前五轴设备一般是三个线性轴和两个旋转轴构成，一般有以下几种结构形式：

(1)Table/Table：两个回转轴均为工作台，第四轴转动会影响第5轴的方位，一般可以分为动轴和定轴，其中回转轴线方向不随机床运动改变的轴称为定轴，旋转轴线方向随机床运动改变的轴称为动轴。该种机床的主轴结构比较简单，加工零件时刚性较好，但受结构的影响，加工零件的尺寸较小。

(2)Table/Head：一个转轴为工作台，另一个为主轴头，两者互为独立，与双摆头机床相比，刚性更好，由于工作台面也有旋转功能，因此其加工的零件尺寸较双转台大，但又小于双摆头设备。

(3)Head/Head：两个回转轴均为主轴头，第 4轴转动会影响第5轴的方位，该种机床结构加工范围较大，灵活性也高，适用于航空航天及航海装备的加工制造，但是由于主轴安装于摆头上，造成加工零件时的刚性较差[4]。

早期的数控机床是手动编程，随着计算机技术的发展，后来才应用到数控设备上，编程人员根据零件的图纸要求，使用数控语言，由计算机自动进行数值计算和后处理，编写零件加工工艺程序单，将程序发送到数控设备直接执行相关指令动作[2]。因此，这也带出了本文讨论的关键问题—后处理。

1 加工数据后处理

后处理过程就是CAM和数控机床的连接桥梁，根据数控系统的指令格式、机床结构等将前置处理的刀位轨迹源文件中有用的信息及数据转换成能指导配置特定系统的数控机床运行的数控加工程序，数控设备所能读取的数据即G代码，则是由后处理公司根据结构各异机床来定制专用的后处理软件。

本文以B/C双摆头五轴设备为例，讨论了多轴运动情况下点位输出数据的转换过程。常规的编程流程如图1所示。

图1 常规编程流程图

在CATIA中根据产品数模，进行合理的编程规划刀具路径，然后经过后处理生成机床设备可执行的G代码，即可进行加工处理。

一般的后处理过程为将刀位文件转换为数控设备可执行的 G代码。中间的刀位文件为 CL（CUTTER LOCATION），也即Apt.source文件，里面包含了加工程序的原点、加工刀具、加工点位、主轴转速、进给速度等信息。这些信息经过后处理文件翻译成特定机床能识别的G代码，即可进行加工操作[4]。本文基于CATIA中的刀具点位数据，讨论如何通过对加工点数据进行处理，获得点位坐标值及相应的角度的方法。

从以下思路着手，实现数据的处理过程：

(1）对刀具路径进行编辑处理；

(2) 获取该路径下的插补点位及方向矢量数据；

(3) 导出点位和方向矢量数据；

(4) 计算分析数据，转换为G代码；

(5) 格式整理后输出数据；

(6) 编程刀具路径。

某型号产品加工过程中，在内型曲面上一段刀具路径，一般在三轴设备上加工曲面的时候，采用的球头铣刀以间距0.3 mm左右的刀路来加工，但时间相对会延长，通过分析该曲面的较小曲率，适宜采用牛鼻铣刀底部驱动刀轴的方式来加工，这样在加工精度上同样可以达到要求，同时极大的减少了加工时间，提高了加工效率。该刀底刃驱动方式是刀轴方向与曲面上该点的法矢一致，根据生成的刀具路径信息可以获取刀具点位及矢量方向，即路径程序中插补生成的刀位数据信息。接下来我们将重点研究如何获取该点位信息及如何计算出刀轴矢量对应的B、C摆角。

由于机床运动的轨迹是插补点位，即离散的刀位点连线来逼近零件的外形[5]。曲线是由较小的直线段连接而成，评价曲线的精度即直线的长短取决于曲线的轮廓公差要求设置，即轮廓的加工精度设置越高，刀具路径间插补的直线段越短，所插补的刀具点位就越密集，从而生成的刀具路径就会越逼近于目标曲线，加工出来的表面也就越逼近产品的理论轮廓。而这些插补点即是刀具的点位值，刀具插补点位的密集程度与精度等级密切相关，如图2为不同精度设置下的插补刀位对比图。

图2 不同精度设置下的插补刀位对比图

此处为了提高视觉效果，选择了加工插补精度较低的刀具路径来进行举例介绍。如图3所示，为精度值设0.1mm的插补点位图。

图3 插补点位和方向矢量

图中的短线表示为刀具在曲线上插补点位时，生成的带有方向的点，沿着刀具路径的法向直线即为该点的方向矢量，表示刀具在该点处的摆角。法矢与路径曲线的交点即为加工刀具的点位坐标值X、Y、Z，因此，通过对加工刀具的路径进行编辑处理，生成相应的点并导出，即可获得首末两点之间的所有插补点坐标及其刀轴矢量方向 I、J、K，如图4所示。

图4 数据整理

分析并整理刀具插补坐标点位以及矢量方向数据的点，由于刀轴矢量是由插补点位和刀轴方向点决定的，因此需要将两类点进行分类筛选和整理，最后导出格式如表1所示。

表1 插补坐标点位以及矢量方向

其中，奇数行数据表示输出点位坐标，偶数行表示前一行点位的刀轴方向。

2 点位及方向矢量数据进行分析和计算处理

空间矢量方向由两个点坐标计算而得，设为a（x1,y1,z1），b（x2,y2,z2）。通过处理，矢量ab → =（x2-x1, y2-y1, z2-z1），则该矢量对应在三维空间的单位方向分矢量i,j,k（其中，i→ =（1,0,0），j→=（0,1,0），k →=（0,0,1））。根据公式，可计算得出刀轴方向在三个正交方向的分矢量值：

设矢量与分矢量的夹角分别为α，β，θ。则根据三角函数的公式即可得出：

若以B/C双摆头五轴龙门机床为例，其对应的B角为θ，C对应的角应为矢量(i+j)与 YOZ面的投影夹角。

如图5，点 E（255,155,125），F（510，310,250），则根据以上推算可得出该刀轴矢量的分矢量为（0.788168,0.479082,0.386357），对应的B、C摆角度分别为B=67.270°，C=31.293°。

图5 刀轴空间摆角值

由于该点位于第一象限，对于单个数值点来说，此摆角是没有问题的，但是，由于机床的摆角是受相邻点的矢量方向影响，如果相邻两个点的矢量方向有突变，这可能会引起摆轴的突然旋转，造成零件的报废甚至设备事故。因此需要对每个点的方向所转化的角度进行深入的讨论和分析。本文主要研究五轴龙门镗铣床，其结构为B/C双摆轴铣头,其中B∈[-90°，90°]，C∈[-360°，+360°]。根据三角函数周期性，在空间任一点，均有四个解，在五轴联动时，B、C轴的运动方式遵循最短路径原则，表2所示为空间任一点的角度值，为便于表达，表中B、C角采用弧度制表示。

表2 B、C轴角度值域

通过此表可以得出任一点的四组解，而该点的最终摆角是由此点的四组解与上一点的角度差值取最小值。即：这里首点作为第一点，该点矢量所在象限决定了它的初始角度方向，也是由B、C能到达该点位置的最小值来确定的，如表3所示。

表3 B、C轴象限点取值

特别的，如果首点的矢量方向处于在±90°的特殊位置，遵循C方向取正优先的原则进行运算。表3中数据转换后的结果如表4所示。

表4 B、C轴角度取值多组解

通过进一步处理数据，即可得到关于点位及角度的数据，见表5所示。

表5 B、C轴角度最优解

注意其中高亮数据“B -1.189”表示该点与上一个相邻点的矢量方向不在同一象限时，B、C角度按最短路径的原则获得，从而会出现B角反向的情况。

数据输出：

最后对数据进行格式转换输出文本，即得到通用的五轴点位数据G代码。

3 结语

综上，本文初步讨论了如何通过对刀具加工路径点位的提取，并通过数据处理获得加工点位及刀轴矢量的方法，推导了旋转轴角度的计算公式，刀位点在新工件坐标系中值的求解公式。将点位坐标及方向矢量的转换过程进行了简单剖析，一定程度上为将来的后处理计算方法提供了理论基础，由于篇幅有限，对于旋转轴超程，3+2定轴加工，法向孔加工坐标系转换、G和M指令的读入、换刀等问题均不作深入细化的讨论研究。