一种特殊结构的五轴数控机床的后置处理算法与软件实现

一、引言

　　数控机床的各种运动都是执行特定数控指令的结果，完成一次加工过程需要连续执行一连串的数控指令，即数控程序。在CAM，计算机辅助制造过程中，将CAD设计的模型，通过CAM软件模块计算产生刀位轨迹的整个过程称为前置处理。在前置处理中，按照相对运动原理，将刀位轨迹计算统一在工件坐标系中进行，而不考虑具体机床结构及指令格式，从而简化系统软件。即在CAM软件系统中进行刀位轨迹编程时，总假定工件是固定不动的，所以刀位文件(CLF)中给出的是在工件坐标系中刀具的位置数据，包括刀心点和刀轴矢量。前置处理产生的是刀位文件(Cutter Location File)，而不是数控程序。因此，要获得数控机床加工程序，还需要将前置计算所得的刀位轨迹数据转换成具体机床的程序代码，该过程称为后置处理(Post-Processing)。

　　五轴数控机床是加工复杂零件的现代化设备，多样化的结构是其发展的必然趋势。由于五轴数控加工的复杂性，后置处理程序是必不可少的。对于不同类型运动关系的数控机床，其后置处理又是不同的，因此有必要针对不同结构的机床建立其有效的后置处理程序。本文作者以德马吉(DMG)DMU200P数控加工中心为对象，分析了它的机床结构和后置处理方法，并采用面向对象编程方法实现了其后置处理程序。

二、机床的坐标系统

　　根据ISO的规定，数控机床采用右手直角坐标系，其中平行于主轴的坐标轴定义为z轴，绕x、y、z轴的旋转坐标分别为A、B、C。上述各坐标轴的运动可由工作台，也可以由刀具的运动来实现，但方向均以刀具相对于工件的运动方向来定义。通常五轴联动是指x、y、z、A、B、C中任意5个坐标的线性插补运动。

图1 DMU200P机床运动坐标系

　　如图1所示的是DMU200P机床的运动坐标系。该机床的五轴由x、y、z、B、C组成，其中B、C方向都为刀具相对于工件运动的方向，C轴旋转是由工作台旋转实现的，故C轴的实际运动方向相反；B轴为主轴复合摆动，主轴在摆动过程中同时实现两个方向的摆动运动。在图1中，β=45°，B轴可以实现0°～180°摆动。在正常状态下，机床的刀轴指向与z轴平行，B轴旋转180°后，刀轴方向与y轴平行。

　　机床运动学求解

　　在多轴数控编程时，CAD/CAM软件生成的刀位文件由工件坐标系的X、Y、Z和刀轴矢量i、j、k构成。后置处理中的运动求解，主要包括转动角度计算和经过转动后的X、Y、Z值求解。其中，转动角度计算就是把工件坐标系中的刀轴矢量分解为机床两个转动坐标。

　　假设工件坐标系Owxyz在加工开始运动前 (B =0，C=0 )与机床坐标系Oxyz平行，则工件上任意点的刀心位置在工件坐标系中的坐标为 (xw,yw,zw)，刀轴矢量为——工件坐标系中的单位矢量，设。如图2中的ON表示任意刀轴经过平移后，在机床坐标系中的矢量。

图2 DMU200P角度计算