五轴数控加工3D刀具补偿及其后置处理方法
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作者:马引劳
摘 要：本文针对五轴数控加工3D刀具补偿及后置处理方法进行研究，设计恰当的刀具补偿算法，并利用计算机软件实现后置处理，通过仿真模拟和实例验证，得出有效的数学模型和算法公式，由此解决数控加工中的尺寸偏差问题。
关键词：五轴数控加工 后置处理 3D刀具补偿
刀具补偿是数控加工系通过主要功能之一，在零件加工过程中，由于刀具在长时间使用中出现变形和磨损，导致加工零件尺寸精度不满足加工标准。以往解决方式为更新刀具或重新编写加工程序，加大了刀具成本和程序维护难度。因此，需要尽快寻找一种高效的补偿方法。本文提出了五轴数控系统刀具补偿功能，在实际加工中有着较好应用性。
1 刀具补偿基本原理
加工实践中的刀轴矢量保持不变，在二维刀具补偿算法中，是对切触点坐标按照表面矢量进行处理，之后针对刀具中心位置编程。但是进行3D刀具补偿时，刀具矢量是不断变化的，程序编程要求和二维刀具补偿不同，实质是根据切触点表面矢量、刀具尺寸和刀具方向计算求得的。下面将具体分析五轴数控加工中常用刀具的补偿处理问题。计算出刀具补偿时和刀位点坐标，为之后的编程提供依据。如模拟所示，P为刀具切触点，Op为刀位点，Oc是刀心点，O1是刃口圆心、R为刀具半径，n为切触点表面矢量，v为补偿矢量。上述矢量都是单位矢量。
当使用平底刀为刀具时，刀心点和刀位点重合，刀具补偿向量和切触点表面矢量重合，若刀具半径从R变成R1时，则刀位点沿着补偿向量平移，补偿量为R1-R，得到新的刀位点坐标：。式中：POp为P点到Op点的矢量，为两点之间的长度。
而选择球头铣刀为加工刀具时，刀具半径和刃口半径相同，刀具半径从R转变为R1时，为了保证球头刀和曲面相切，要进行刀具补偿。刀位点沿着补偿向量平移，得到补偿量为R1-R，这时补偿向量可根据切触点表面矢量与刀轴矢量得到。采用环形铣刀为刀具时，刀具半径从R转变为R1，补偿量为ΔR-Δr，这时沿刀轴矢量的刀具补偿量是Δr。补偿向量可通过刀轴矢量、切触点表面矢量和刀轴矢量求得。在明确以上三种刀具的刀具补偿计算模型和补偿后刀具中心点坐标方程的情况下，为五轴数控系统刀具补偿功能的后置处理提供了理论依据。
2 五轴数控加工3D刀具补偿后置处理分析
2.1 刀位文件和数控系统刀具补偿格式
数控加工刀具补偿是指实际加工中刀具尺寸出现偏差时，让原计划刀位点沿着补偿矢量进行一定距离的位移，确保切触点位置合理设置。当系统生成刀具加工轨迹后，为了满足数控加工刀具补偿计算运用的位置信息，应对刀位文件格式类型进行修改，确保得到的CLS文件包括接触点、刀位点等信息。UG前置处理刀位文件格式主要对CLS文件中的字段输出进行调整，选中非切削位移界面中的切触点数据输出按钮，生成的文件中包括切触点位置信息，对于具有数控加工刀具尺寸补偿功能的自动化系统，当已知切触点的表面向量、刀具尺寸以及刀具方向后，可在刀具补偿指令执行下，自动计算出刀具补偿矢量和补偿后的刀位点坐标[1]。五轴数控系统在实现其刀具尺寸补偿功能的同时，要保证各类信息的有效传递。以摆头转台机床为例，要求NC代码包括机床坐标系中的刀位点坐标、旋转轴旋转角度，还要提供刀具切触点的表面矢量坐标，但是很少有系统能提供切触点的矢量信息。这时需要通过相关公式求得，代码中，刀位点坐标和旋转角度可根据CLS文件中的刀轴运动变换原理和尖点坐标计算。
2.2 切触点矢量计算
本文以环形铣刀为刀具进行分析，切触点法向矢量是指切触点到圆心的矢量距离，通过表达式计算其矢量，要求知道POc矢量与m矢量，可通过计算得出。与这一刀具矢量计算公式比较，球头铣刀和端铣刀矢量计算简单，当r为零时，将得出的矢量进行单位化处理后可得到端铣刀法向矢量;r=R时，对矢量进行单位化处理，得到的便是球头铣刀法向矢量。
2.3 五轴数控机床的运动学分析
数控机床运动学求解要根据机床结构特点进行矩阵的平移与旋转，将加工零件坐标下的刀位点坐标进行转换，得到机床坐标系中的机床坐标。对于以非正交旋转轴转台结构为主的数控机床来说，除了平动轴外，还要考虑两个旋转轴，分别确定以工件和刀具为原点的坐标系，在机床运动过程中，其坐标运动是刀具对于加工零件的运动，因此，坐标模型中两者间运动关系是刀具坐标系向加工零件坐标系的转换，进而得到数控机床运动学方程，结合刀具摆长、工作台和摆头转动角度进行坐标转换。在建立五轴数控机床坐标系和刀位点数据间的转换模型后，可从运动学理论角度出发，确定机床的转动轴坐标系和平动轴坐标系。
3 刀具补偿的后置处理分析
目前使用的五轴数控加工机床，在后置处理程序编辑器作用下，开发出具有刀具尺寸补偿功能的处理器，能在完成刀具补偿后进行后置处理，应根据机床结构以及系统程序等，修改和编写宏程序和子程序，发挥系统功能。宏程序编程任务主要是读取刀位点信息、机床运动学计算、速度校检、非线性运动的误差校检等。数控系统中定义了在数控加工过程中实现刀具补偿的指令，当半径补偿功能和长度补偿指令开始执行时，能实现系统补偿功能。调用补偿指令后，要收集机床坐标体系中的刀位点坐标和刀轴旋转角度等信息，还要了解切触点的表面矢量大小。当加工刀具尺寸变化后，要将变化量考虑到刀具补偿计算中。数控加工系统可根据刀具补偿矢量计算结果自动补偿，由此减少了系统维修工作量，并能保证数控加工程序有效运行，从根本上避免零件加工误差[2]。
如在使用球头铣刀进行零件加工时，可利用平台指令编辑功能，通过后置处理程序输出相应的刀位点坐标和各轴旋转角度。通过数控加工刀具补偿矢量算法，能确定刀位点沿着补偿矢量的位移大小，进而输出补偿矢量。为了验证上述系统补偿功能的有效性，在进行仿真验证时，以整体叶轮为实验对象，生成包含切位点坐标信息的叶轮文件。通过后置处理器编制刀具补偿程序。某一企业生产中使用的虚拟仿真系统对上述过程进行验证，结果表明：利用刀具切削部位和刀具半径都是3mm的球头铣刀时，仿真效果显示，当刀具尺寸出现变化时，则叶片表面会发生0.1mm以上的欠切误差，但是不会出现过切问题。在执行刀具补偿指令后，尽管刀具尺寸有所变化，但工件加工表面不发生欠切或过切问题。对比传统的加工方案，证明本文提出的五轴数控系统刀具尺寸补偿以及后置处理方式是有效的，在零件加工中有着较好应用性。
4 结语
综上所述，构建五轴数控空间刀具补偿数学计算模型，通过刀位文件信息推倒有关的计算方法，同时进行刀具补偿后置处理的程序编写，利用数控模拟仿真软件检验五轴数控系统刀具补偿计算公式准确性。随着数控加工系统的发展，对零件加工精度提出越来越高的要求，通过五轴数控系统刀具加工补偿以及后置处理的实现，能发挥数控加工系统应用价值，说明本次研究具有一定现实意义。
参考文献
[1] 蔡安江，宋仁杰.五軸数控加工3D刀具补偿及其后置处理方法[J].长安大学学报：自然科学版，2018，38（1）：120-126.
[2] 李晓伟，夏链.五轴加工中心3D刀补下奇异点判据及处理研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2017，40（9）：1153-1157.
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