CN1306352C - 一种四轴联动数控加工后置处理方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轴联动数控加工后置处理方法及其控制系统。其特点是：由于在常规的数控加工程序后置处理方法中增加了刀具动态切削速度数据处理的步骤及机床运动参数中增加了工装误差参数处理的步骤，使加工过程中的刀具切削速度及路径实现了动态调整，有效的避免了四轴联动数控加工机床在加工过程中因透平叶片型线截面曲率不同而对刀具造成的冲击现象，不仅使整个数控加工的切削过程平稳、切削速度均匀，延长了刀具的使用寿命，保证了透平叶片型线的加工质量，而且由于此后置处理方法在工装误差补偿参数设计上更体贴技术人员，因此不用操作烦琐的编程软件直接在后置处理程序内设置相应参数就可以达到补偿工装误差的目的。

Description

一种四轴联动数控加工后置处理方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及数控加工程序后置处理的方法，尤其是涉及在四轴联动数控机床上加工透平叶片的一种数控加工程序后置处理的方法及其控制系统。

背景技术

四轴联动数控加工主要用于加工质量要求高、曲面型线较复杂的零件。例如：飞机、汽轮机、模具、汽车等含曲面的零件。四轴联动加工刀具路径属于复杂的三维刀具切削路径，每点的切削速度受到很多因素的干扰，如：旋转轴上切削点到旋转中心距离的大小；四轴同时联动时机床功率大小；加工件曲率变化大小等。透平叶片型面是由多个截面采用混成造型而成的，如图1所示，其中，1为透平叶片内背弧型面，2为进出汽边型面，叶片型面曲率变化规律为内背弧型面1变化平坦，进出汽边型面2变化剧烈，因此，加工内背弧型面1时旋转轴转动比较缓慢，X、Y、Z轴运动行程也比较短，在这种小功率运动时速度就会非常快；而在进出汽边型面2处曲率变化非常剧烈，加工中旋转轴转动非常快，X、Y、Z轴运动行程也非常大，在这样大功率的运动中驱动功率不足，导致系统整体速度下降，因此刀具在整个切削过程中会受到很大的冲击，如刀具轨迹图2所示。如何根据透平叶片型面的不同曲率自动对刀具动态各点的切削速度进行数据处理，从而使切削过程变得平稳就成为四轴联动数控加工机床加工透平叶片时急需解决的技术问题的关键。

发明内容

为了克服现有四轴联动数控加工机床加工透平叶片中出现的刀具切削速度不均匀的现象，本发明提供了一种能匀化刀具切削速度、提高零件加工质量及效率的数控加工程序后置处理方法及控制系统。

本发明是通过以下的技术方案得以实现的：

一种四轴联动数控加工后置处理方法，根据工件型线特征及加工工序生成刀具轨迹数据文件，计算机通过执行基于命令的程序对所述刀具轨迹数据文件进行处理，其步骤包括：

编译所述刀具轨迹数据文件并将经编译的刀具轨迹数据文件放到存储器的步骤；

从存储器读取所述经编译的刀具轨迹数据文件后；

对机床运动参数进行数据处理的步骤；

进行刀具误差补偿数据处理的步骤；

刀具切削轨迹上各点的坐标值加入绝对/增量值的步骤；

以及

对刀具的动态切削速度进行数据处理的步骤。

所述对刀具的动态切削速度进行数据处理的步骤包括：

确定刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的距离的步骤；

确定刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的矢量夹角的步骤；

确定刀具在切削过程中动态切削速度的步骤。

所述对机床运动参数进行数据处理的步骤包括：

确定刀具切削轨迹上各点坐标值的步骤；

将刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的矢量角转换为机床旋转轴一到四象限转角的步骤；

以及

还包括工装误差补偿的步骤。

上述方法的控制系统，该控制系统包括用于处理刀具轨迹数据文件的计算机程序软件，所述程序软件包括按以下顺序工作的功能模块：

编译所述刀具轨迹数据文件并将经编译的刀具轨迹数据文件放到存储器的模块；

从存储器读取所述经编译的刀具轨迹数据文件的模块：

对机床运动参数进行数据处理的模块；

进行刀具误差补偿数据处理的模块；

刀具切削轨迹上各点的坐标值加入绝对/增量值的模块；

以及

对刀具的动态切削速度进行数据处理的模块。

所述对刀具的动态切削速度进行数据处理的模块包括：

确定刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的距离的模块；

确定刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的矢量夹角的模块；

确定刀具在切削过程中动态切削速度的模块。

所述对机床运动参数进行数据处理的模块包括：

确定刀具切削轨迹上各点坐标值的的模块；

将刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的矢量角转换为机床旋转轴一到四象限转角的模块；

以及

还包括工装误差补偿的模块。

通过该后置处理方法所生成的数控加工程序，在进出汽边型面2加大了进给速度，用于补偿机床在该处的功率不足现象，使机床加大功率运转满足切削要求；在加工内背弧型面1时，明显降低切削速度，使机床在小功率时能保持切削速度均匀。切削速度匀化后明显的提高了刀具寿命和产品的表面质量，同时也提高了加工效率；由于设置了工装误差补偿参数调整，可以动态调整加工时的刀具路径，不用操作烦琐的编程软件直接在后置处理程序内设置相应参数就可以达到补偿工装误差的目的。

附图说明

图1为典型透平叶片型线截面示意图

图2为数控加工时刀具轨迹的示意图

图3为本发明后置处理方法的流程图

图4为由CAM软件生成的叶片型面加工程序代码

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细描述：

如图3所示，为本发明后置处理方法的流程图。现以汽轮机叶片型面数控加工为例说明本发明的具体实施过程：首先，工程技术人员根据加工工艺要求采用CAM软件，如：Pro/E编制相应的叶片加工程序。由该CAM软件生成相应的刀具轨迹数据文件，其后缀名为NCL，即：叶片型面加工程序代码，参见图4，然后被编程的计算机执行程序命令，按以下顺序对此刀具轨迹数据文件进行处理：

首先编译所述刀具轨迹数据文件，如：将刀具轨迹数据文件中的一行指令编译成如下两个部分：指令部分和参数部分，其中参数部分共二项分为6组数据，第一项包括三项当前点坐标参数、第二项中包括三项当前点矢量方向参数，将经编译的刀具轨迹数据文件放到存储器，然后计算机通过执行程序指令从存储器读取所述经编译的刀具轨迹数据文件后，分别进行刀具的动态切削速度数据处理、进行机床运动参数处理、以及刀具误差补偿值的确定，最后加入绝对/增量值。

其中上述刀具的动态切削速度的数据处理是本发明的核心，其处理的方法是：首先根据经编译过的刀具轨迹数据文件中的参数部分中的第一项确定出刀具在切削过程中相邻空间两刀轨点之间的距离，然后再根据参数中的第二项确定出刀具在切削过程中空间两刀轨点的矢量夹角，再进行刀具动态切削速度的确定。

即：

ΔF＝Δθ/Δd×F×e

式中：ΔF为动态切削速度        Δd为空间两刀轨点距离

Δθ为空间两刀轨点矢量夹角     F为标准进给速度

e为调整系数

其中所述机床运动参数处理的方法是：先确定工装误差补偿值的大小，然后确定刀具在切削过程中各点的坐标值，将刀具在切削过程中空间两刀轨点的矢量角转换为机床旋转轴一到四象限转角。其中工装误差补偿的步骤为本发明的核心，其实现原理是：将刀具原始数据与工装误差相叠加后再次进入机床运动参数处理步骤，实现修正误差的目的，其计算数学模式为：

$\mathrm{\Δdot}=\left|\begin{array}{c}x+\mathrm{\Δx}\\ y+\mathrm{\Δy}\\ z+\mathrm{\Δz}\end{array}\right|$

式中：Δdot为工装误差补偿值

X为机床X轴的行程大小    Δx为机床X轴的行程的补偿值

Y为机床Y轴的行程大小    Δy为机床Y轴的行程的补偿值

Z为机床Z轴的行程大小    Δz为机床Z轴的行程的补偿值

其中所述刀具误差补偿值实现方式是：将整个刀具路径分为三部分，进刀路径、切减路径、退刀路径，刀具长度补偿值就在进刀路径中加入，在退刀路径中取消。

其中所述加入绝对/增量值实现方式是：将当前处理的运动点与先前处理过的运动点的参数部分相减后获得的运动数据为机床增量运动，再将该数据处理成NC代码。

上述方法的控制系统，该控制系统包括用于处理刀具轨迹数据文件的计算机程序软件，所述程序软件包括按以下顺序工作的功能模块：

编译所述刀具轨迹数据文件并将经编译的刀具轨迹数据文件放到存储器的模块；从存储器读取所述经编译的刀具轨迹数据文件的模块；对机床运动参数进行数据处理的模块；刀具补偿数据处理的模块；加入绝对/增量值的模块；以及对刀具的动态切削速度进行数据处理的模块。

所述对刀具的动态切削速度进行数据处理的模块包括：确定刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的距离的模块，确定刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的矢量夹角的模块，确定刀具动态切削速度的模块。

刀具的动态切削速度数据处理的模块的源程序是：

    Public Function stirspeed(pnt1()As Double，pnt2()As Double，
F As String，R As Double，MaxF As Double，MULTAX As String)As String

    Dim K As Long，L(3)As Double，A As Double，V As Double

    ′计算空间两刀轨点之间的距离
    For K=1 To 3

    L(K)=pnt2(K)-pnt1(K)

    L(K)=Abs(L(K))

    Next

    L(0)=L(1)*L(1)+L(2)*L(2)+L(3)*L(3)

    L(0)=Sqr(L(0))′空间两刀轨点之间的距离

    ′计算结束

    ′计算空间两刀轨点之间的矢量夹角

      If pnt1(4)+pnt1(5)+pnt1(6)=0 Then

        A=VrCalculation(pnt2(4),pnt2(5),pnt2(6))′调用矢量计
算函数VrCalculation

        A=Abs(A)

      Else

        A=VrCalculation(pnt2(4),pnt2(5),pnt2(6))-
VrCalculation(pnt1(4),pnt1(5),pnt1(6))

        A=Abs(A)

      End If

    If A＞180 Then

    A=360-A

    End If

    ′矢量夹角计算结束

    ′动态F值计算

        If F=""Then

          stirspeed=""
        <!-- SIPO <DP n="6"> -->
        <dp n="d6"/>
     Exit Function

   End If

   If A=0 Or L(0)=0 Or R=0 Then

     stirspeed=Mid(F，2)

   Else

      V=(A/L(0))/(5*R)

      V=Sqr(V)

      V=V+1

      V=V*Val(Mid(F，2))

    If V＞MaxF Then

      stirspeed=MaxF

    Else

      stirspeed=V

    End If

   End If

   stirspeed="F"&Format(stirspeed，"0.000")

End Function

所述对机床运动参数进行数据处理的模块包括：确定刀具在切削过程中各点坐标值的模块，将刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的矢量角转换为机床旋转轴一到四象限转角的模块，以及工装误差补偿的模块。

机床运动参数数据处理的模块的源程序是：

    Public Function Calculation_Move(Pntm()As Double,
Prejudice_str()As Double,MULTAX As String)As Double()′点计算
模块

    Dim A As Double,K As Long,Move(4)As Double

    For K=1 To 3

    Pntm(K)=Pntm(K)+Prejudice_str(K)

    Next

    If MULTAX=″ON″Then

    A=VrCalculation(Pntm(4),Pntm(5),Pntm(6))

    Else

    A=0
        <!-- SIPO <DP n="7"> -->
        <dp n="d7"/>
    End If

    Move(1)=Pntm(1)

    Move(2)=(Pntm(2)*Cos(A*(3.14159265358979/180)))-
(Pntm(3)*Sin(A*(3.14159265358979/180)))

    Move(3)=(Pntm(2)*Sin(A*(3.14159265358979/180)))+
(Pntm(3)*Cos(A*(3.14159265358979/180)))

    Move(4)=A*(-1)+Prejudice_str(4)

    Calculation_Move=Move()

    End Function

    Public Function AddMove(Movel()As Double，Move2()As Double)
As Double()′角度转换模块

    Dim i As Long，Move(4)As Double

    For i=1 To 4

    Move(i)=Move1(i)-Move2(i)

    Next

    If Move1(4)-Move2(4)＞180 Then

    Move(4)=-360+(Move1(4)-Move2(4))

    End If

    If Move1(4)-Move2(4)＜-180 Then

    Move(4)=360+(Move1(4)-Move2(4))

    End If

    AddMove=Move()

    End Function

    Public Function VrCalculation(X As Double，Y As Double，Z As
Double)As Double()′矢量角计算

    Dim Angle(2)As Double

    ′计算出旋转轴A

    If Y＞0 Then

       If Z＞0 Then′第一象限

       Angle(1)=Atn(Y/Z)

       Angle(1)=Angle(1)*(180/3.14159265358979)

       End If
        <!-- SIPO <DP n="8"> -->
        <dp n="d8"/>
       If Z＜0 Then′第二象限

       Angle(1)=Atn(Abs(Z)/Y)

       Angle(1)=Angle(1)*(180/3.14159265358979)+90

       End If

       If Z=0 Then′在Y轴正半轴上

       Angle(1)=90

       End If

    End If

    If Y＜0 Then

       If Z＞0 Then′第四象限

       Angle(1)=Atn(Z/Abs(Y))

       Angle(1)=Angle(1)*(180/3.14159265358979)+270

       End If

       If Z＜0 Then′第三象限

       Angle(1)=Atn(Abs(Y)/Abs(Z))

       Angle(1)=Angle(1)*(180/3.14159265358979)+180

       End If

       If Z=0 Then′在Y轴负半轴上

       Angle(1)=270

       End If

    End If

    If Y=0 Then

       If Z＞0 Then′在Z轴正半轴上

       Angle(1)=0

       End If

       If Z＜0 Then′在Z轴负半轴上

       Angle(1)=180

       End If

    End If

    MoVe(2)=(Pntm(2)*Cos(A*(3.14159265358979/180)))-
(Pntm(3)*Sin(A*(3.14159265358979/180)))

    Move(3)=(Pntm(2)*Sin(A*(3.14159265358979/180)))+
(Pntm(3)*Cos(A*(3.14159265358979/180)))
        <!-- SIPO <DP n="9"> -->
        <dp n="d9"/>
VrCalculation=Angle()

End Function

操作人员将按该后置处理方法所生成的数控加工程序传输给数控机床，待叶片及刀具安装完毕，启动机床就可按经后置处理后的数控加工程序加工出透平叶片的型线了。

按照不同的叶片型面几何参数，只需要调整加工工序各参数及所选用的刀具，按本发明所提供的后置处理方法生成数控加工程序，再传输给四轴联动数控加工机床，就可以对叶片进行加工了。

在此需强调的是：本发明所提供的技术解决方案的应用范围不仅包括国产四轴联动数控机床，而且也包括进口的四轴联动数控机床，其加工对象除本实施例的个案以外，还可适用于其它行业、具有由不同曲率表面混合成型的相同或类似型面的产品的机械加工中。

Claims (6)

1.一种四轴联动数控加工后置处理方法，根据工件型线特征及加工工序生成刀具轨迹数据文件，计算机通过执行基于命令的程序对所述刀具轨迹数据文件进行处理，其步骤包括：

编译所述刀具轨迹数据文件并将经编译的刀具轨迹数据文件放到存储器的步骤；

从存储器读取所述经编译的刀具轨迹数据文件后：

对机床运动参数进行数据处理的步骤；

进行刀具误差补偿数据处理的步骤；

刀具切削轨迹上各点的坐标值加入绝对/增量值的步骤；

其特征在于：还包括对刀具的动态切削速度进行数据处理的步骤。

2.根据权利要求1所述的四轴联动数控加工后置处理方法，其特征是：所述对刀具的动态切削速度进行数据处理的步骤包括：

确定刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的距离的步骤；

确定刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的矢量夹角的步骤；

确定刀具在切削过程中动态切削速度的步骤。

3.根据权利要求1所述的四轴联动数控加工后置处理方法，所述对机床运动参数进行数据处理的步骤包括：

确定刀具切削轨迹上各点坐标值的步骤；

将刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的矢量角转换为机床旋转轴一到四象限转角的步骤；

其特征是：还包括工装误差补偿的步骤。

4.一种如权利要求1所述方法的控制系统，该控制系统包括用于处理刀具轨迹数据文件的计算机程序软件，所述程序软件包括按以下顺序工作的功能模块：

编译所述刀具轨迹数据文件并将经编译的刀具轨迹数据文件放到存储器的模块；

从存储器读取所述经编译的刀具轨迹数据文件的模块：

对机床运动参数进行数据处理的模块；

进行刀具误差补偿数据处理的模块；

刀具切削轨迹上各点的坐标值加入绝对/增量值的模块；

其特征在于：还包括对刀具的动态切削速度进行数据处理的模块。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征是：所述对刀具的动态切削速度进行数据处理的模块包括：

确定刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的距离的模块；

确定刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的矢量夹角的模块；

确定刀具在切削过程中动态切削速度的模块。

6.根据权利要求4所述的控制系统，所述对机床运动参数进行数据处理的模块包括：

确定刀具切削轨迹上各点坐标值的的模块；

将刀具在切削过程中空间两刀轨点之间的矢量角转换为机床旋转轴一到四象限转角的模块；

其特征是：还包括工装误差补偿的模块。

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