第９期 ２０１３年９月 组合机床与自动化加工技术 Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ＮＯ．９ Ｓｅｐ．２０１３ 文章编号：１００１—２２６５（２０１３）０９—０ｌ１８—０３ 多轴车铣复合加工运动转换关系的研究 屈蕊蕊 ，刘 峰 ，郑飚默 （１．中国科学院研究生院，北京 １０００４９；２．中国科学院沈阳计算技术研究所，沈阳 １ １０１６８） 摘要：当用车铣复合机床对零件进行端面铣削、柱面切槽和倾斜轴加＿１－时，通常需要控制系统将编程进 给指令从笛卡尔坐标转换到实际机床的运动坐标。论文针对高档数控机床ＨＴＭ６３１５０ｉｙ的结构，分析 上述三种加工的工艺特点，并根据运动控制要求，建立端面铣削、柱面切槽与倾斜轴加工的运动转换关 系；采用Ｃ＃语言实现了论文中的三种转换技术，最后通过Ｖｅｒｌｃｕｔ仿真验证证明所建立转换关系的正确性。 关键词：车铣复合加工；端面铣削；柱面切槽；倾斜轴加工；运动转换关系 中图分类号：ＴＨ１６；ＴＧ６５ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉ・Ａｘｉｓ Ｔｕｒｎ－Ｍｉｌｌｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ＱＵ Ｒｕｉ．ｒｕｉ ，ＬＩＵ Ｆｅｎｇ ，ＺＨＥＮＧ Ｌｉａｏ—ｎｏ （１．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉ— ｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ—ｅｎｄ ＣＮＣ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅ— ｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０１６８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｕｒｎｉｎｇ—ｍｉｌｌｉｎｇ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｔｏ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈｅ ｆａｃｅ ｍｉｌｌｉｎｇ，ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｇｒｏｏｖｉｎｇ ａｎｄ ｔｉｌｔ—ａｘｉｓ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｆｅｅｄ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｖｅｒ— ｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｃａｒｔｅｓｉａｎ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｃ— ｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｅｎｄ ＣＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ＨＴＭ６３１５０ｉｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ａｎｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆａｃｅ ｍｉｌｌｉｎｇ，ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｇｒｏｏｖｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｘｉｓ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｂｅ— ｓｉｄｅｓ ｔｈａｔ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ａｎｄ ｕｓｅｓ Ｃ＃ｌａｎｇｕａｇｅ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ．ｆｉ— ｎａｌｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｏ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＣＯｎｖｅｒｓｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｒｒｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｒｎｉｎｇ—ｍｉｌｌｉｎｇ ｃｏｍｐｕｎｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ；ｆａｃｅ ｍｉｌｌｉｎｇ；ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｇｒｏｏｖｉｎｇ；ｔｉｌｔ・ａｘｉｓ ｍａｃｈｉ— ｎｉｎｇ；ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ０ 引言 随着计算机技术，数控技术及其现代加工工艺 的快速发展，所要加工零件的形状也成呈多样化。 铣复合加工技术有诸多的优点，但是由于其几何轴配 置的多样化给数控编程带来一定程度的困难。因此如 何根据加工特点实现一种简洁的数据转换模式是实现 车铣复合加工运动转换功能的关键技术之一。 本文分析与研究车铣复合加工的工艺特点，针 对零件的端面铣削，柱面切槽与倾斜轴加工，建立了 笛卡尔坐标与机床实际运动坐标之间的转换关系， 使得能够通过机床的参数设置，将刀位数据转换为 机床的ＮＣ代码，提高加工效率与精度。 此时，如果采用传统的加工方式对零件进行加工，则 不仅耗时耗财，而且在多次装夹的过程中，由于基准 的转换，也会降低对零件的加工精度 。 此时，车铣复合的设计则正好满足了市场的需 求。车铣复合加工技术，即在一台加工设备上，同时 具备车削，铣削，镗孔等多种加工功能，这样便可以 达到工件的一次装夹，能够完成加工范围内绝大多 数的工序，且减少了由于定位基准转换而导致的误 差积累，也提高了加工精度 。 。车铣复合加工技术 已经成为当今数控机床的一个重要发展方向，越来 越受到机床行业的重视。ＨＴＭ６３１５０ｉｙ是以市场需 求为导向，以模块化的设计为理念，融合国内外同类 １ 车铣复合加工运动坐标转换分析 １．１ 车铣复合端面加工坐标转换方法 机床先进技术的高档车铣复合加工中心 。尽管车 收稿日期：２０１３一Ｏ１一Ｏ４ 对零件进行端面铣削时，由于ｙ轴为虚拟轴，那 么就需要通过 ，Ｃ轴的联动来实现插补加工。因此 机床必须有一个可以用作ｃ轴的主轴和一个用来驱动 铣刀的第二个主轴。为了便于分析，将端面铣削加工部 分单独提出来进行分析，其加工示意图如图１所示 。 基金项目：核高基国家科技重大专项国产软硬件在数控／Ｔ．业控制装置巾的应用与推广（２０１２ＺＸ０１０２９００１—００２） 作者简介：屈蕊蕊（１９８５一），女，西安人，中国科学院沈阳计算技术研究所硕士研究生，研究方向为数控技术，（Ｅ—ｍａｉｌ）０４０１３７＠１６３．ＣＯｌｌｑ。 ２０１３年９月 屈蕊蕊，等：多轴车铣复合加工运动转换关系的研究 ・１ １９・ 图１ 端面铣削加工示意图 根据图１，Ｘ 和ｚ 分别为机床在 方向和ｚ方 向的进给轴，且这两个线性轴相互垂直；图中的ｃ轴 作为回转轴，即也就是主轴，主要围绕ｚ 旋转。通过 ，Ｃ的两轴联动，形成虚拟的笛卡尔坐标（Ｘ，Ｙ，Ｚ） 。 针对端面铣削加工，控制系统需要将编程所使 用的 －ｌ，路径转换为相应的机床 和Ｃ 进给轴的 移动量 ，ｚ轴仍然作为机床在ｚ方向的进给轴，依 据机床与工件之间的相对位置关系，建立坐标之间 的转换关系。 根据图２所示的简化示意图 ，又因端面铣削的 加工特点满足极坐标的特征，则可以将二者对应起来。 在极坐标系中，当质点在平面内移动时，其位置可以有 极径Ｐ和极角０来确定。Ｃ轴的旋转角度为０，Ｘ轴方 向的进给量为Ｐ，那么在 —Ｃ坐标系中的坐标值（ ， ｃ）和（Ｐ，０）可以对应起来。ｚ轴不变，仍然作为进给 轴。设质点在笛卡尔坐标系下的坐标为（ ，Ｙ，），极坐 标系下的坐标为（Ｐ ，０ ），建立如下的转换关系： 墨 ㈩ 通过（１）式，可以在机床对零件进行端面铣削 时，便于对程序的编程，而且在后置处理部分可以将 笛卡尔坐标系中的坐标值转换为机床实际运动的距 离。采用极坐标的方式，既满足其加工特点，而且提 高了加工效率。 图２简化示薏图 １．２ 车铣复合柱面切槽加工坐标转换方法 对零件进行柱面切槽，其原理类似于端面加工， 只是加工面不同。如图３所示是无ｌ，进给轴的柱面 切槽加工简化示意图，Ｃ 为回转轴， 垂直于回转 轴ｃ ，其为机床在 方向的进给轴；Ｚ 为机床在ｚ 方向的进给轴，其平行于回转轴Ｃ ，即也就是回转轴 ｃ 绕线性轴ｚ 旋转，工件坐标系（ ，ｙ ，ｚ ）作为 程序原点，机床坐标系为（Ｘ ，ＹＭ，Ｚ ），旋转轴仍然 作为Ｃ轴 。 图３零件柱面切槽加工示意图 根据柱面切槽加工的工艺特点，为了简化编程 难度，将以角度指定的旋转轴移动量转换为圆周上 的移动量。因此，将圆柱体沿着外直径ｄ展开，会得 到如图４所示的展开图 。 ａ × 皇 图４ 圆柱沿母线展开平面图 从展开图形可以看出，原来的ｚ轴仍然作为展 开面的工件坐标系的ｚ轴，而原来的旋转轴ｃ轴则 转换为虚拟的ｌ，轴，圆柱插补的编程即就是在ＹＯＺ 坐标系下进行。这样会将圆柱表面的切槽的三维的 数学模型转换为二维的模型，减少后续编程的工作 量，之后只要将编程的Ｙ－Ｚ路径转换为机床的进给 轴ｃ 和ｚ ，这样就能够在圆柱面上通过铣刀对零 件进行加工。 根据圆柱的平面展开图与原加工的圆柱之间的 关系，可知，展开平面中Ｙ轴的总长度为圆柱的端面 圆周长，即就是： ｙ＝１ｒＤ （２） 其中，Ｄ为圆柱的直径长度。 设在圆柱进行切槽加工的过程中，转过的角度 为０，则有如（３）式编程坐标（Ｙ。，ｒ●＝ｃ● ）与实际加工坐标 ＝卜Ｄ 脚 ●Ｃ１●八识 ●Ｌ ｔ百 细Ｊ ． （Ｃ，Ｚ）的对应关系： 程为 例如：从解析几 ： ，螺旋线的柱坐标方 ㈩ 其中，Ｐ为螺距，将０＝２ｙ ／Ｄ代入（４）式中，可得到 展开的曲线方程为： Ｚｌ＝Ｐｙｌ／Ｈ｝Ｄ （５） 联系４，５式即可得到其编程坐标与实际加工的 坐标关系。这样通过坐标转换关系可以将在展开平 面上的编程坐标转换为机床实际加工的运动坐标。 １．３ 车铣复合倾斜轴加工坐标转换方法 当车铣复合机床加工一些具有复杂曲面，如具 有光滑阶梯形状或者对零件进行倾斜钻孔加工时。 如果采用普通的铣削方式，则可能导致零件的一些 死角位置加工不到，或者需要一系列不同形状的刀 具。那么就需要采用倾斜轴加工的方式。倾斜轴加 工的简单示意图如图５所示。 由于编程坐标是在笛卡尔坐标系中进行的，而 机床的实际移动则是根据倾斜角度控制的。因此需 要将编程的笛卡尔坐标转换为用倾斜轴来表示的实 际机床移动坐标。将倾斜轴的加工简化为图６所示 的坐标轴示意图。 ・ｌ２０・ 组合机床与自动化加工技术 第９期 序起始符，结束符，换刀指令，冷却液扦关等进行设 置。其中浏览按键是用来让Ｊ｝ｊ户输人刀位文什的路 径与转换后的代码的输｝｝Ｉ路径 以柱面切槽为例， 通过运动坐标转换程序，将转化后结果进行仿真，仿 真罔如图９所示 鞠雕蚺嚏禽 帮鼬 ～孵 回 根据 ５所示，０为倾斜轴的倾斜角度。设在程 嗡＾文件建型似，＝蠹＝件∽＇ ｌ 擘纂擀ｌｌ ：序坐标系即笛卡尔坐标系下的坐标为（ ，ｙｎ），在机 ｊ ，Ｉ撒 … 床坐标系即倾斜坐标系中的坐标为（Ｘ．Ｙ，）。当设 倾斜轴 轴上的补偿量为ＡＸ，则有： ｊ … ｌ—Ｉ 一 一一一一 龋 ｉ馨 … ， 黼 ｆ 蓝曝蜓蠢 ＊ ｌ Ｊ ］ 一，ＪＬ ， 嘞Ｉ螂 翻 捌ｌ Ｉ＿镰出４ Ｉ …一～一 “ 隧．斌。 ｔ 盥、 ｊ ∞ 『ｃｏｓ０ －ｕ ： 一篮器 ＸｔＩ￣糖库－∞■∞Ｉ弱 勰 舔 根据（６）式，可以得到机床的实际移动坐标为： 图８程序主界面 』ｙ 【ＡＸ：ｙ。×ｔａｎ０ （７） 由于在倾斜轴加工过程巾，倾斜轴的移动会在 轴上有分量的补偿。因此： ｒ、，一ｙ【ｌ Ｊ 一ｃｏｓ０ 【Ｘ ：Ｘ。一Ｃ×ｙ。ｘ ｔａｎ０ （８） 上式中，常数ｃ在采用直径编程时取值为１／２； 当采用半径编程时，则为常数１ ，可根据（８）式中 图９柱面切槽仿真图 得到的编程坐标与倾斜轴坐标之间对应关系。 ３ 结论 运动坐标转换是求解和实现轨迹规划等的基 础，本文通过分析端面铣削，圆柱面切槽与倾斜轴加 工的工艺特点，分别求解得 这ｉ种类型的运动转 换关系，采用Ｃ＃实现了运动坐标转换功能，本文的研 ２运动转换功能的实现 经过上述对于端面铣削，圆柱面切槽与倾斜轴 加 的 标转换关系的分析，在此基础之上，进行运 动转换功能的实现，使得通过简单的参数设定，将刀 位丈件数据转换为指定类型的ＮＣ代码，程序的大致 流程如Ｅ图７所示。 究结果对多轴车铣复合加Ｔ的运动变换模块的软件 实现具有实际意义。 『参考文献］ ［１］李德珍，李宪凯．五轴车铣复合加ｒ技术的现状 发展 趋势［Ｊ］．航空制造技术，２００９（１２）：４７—５０． ［２］王礼健．车铣复合加ｒｒ技术一高速、高效、高质、高柔性 ［Ｊ］．航空制造技术，２００４（４）：４８—４９． ［３］吴宝海，严亚南，罗明，等．车铣复合加［的关键技术‘ｊ 应用前景［Ｊ］．航空制造技术，２０１０（１９）：４２—４５． ［４］刘妍，金明刚。李宏宁，等．首臼嘘用阁产Ｋ轴数控系统的乍 铣复合加［中心［Ｊ］．设备管理与维修，２００９（１）：５３—５４． ［５］ＳｉｅｍｅｎｓＡＧ ２００９．Ａｌｌ Ｒｉｇｈｔｓ Ｒｅｓｅｒｖｅｄ．１ｏｄｕｓｔｒｙ Ｓｅｃｔｏｒ．Ｒｅ— ｔｒｉｅｖｅｄ ｆｒｏｍ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｏｅ８８．ｅｏｍ／ｐ一１４３６６５５６０７１ １．ｈｔｍｌ， ［６］Ｓｉｅｍｅｎｓ．Ｓ１ＮＵＭＥＲＩＫ ８０２Ｄ ｓｌ ｊｌ削、铣削、步冲［Ｍ］．Ｓｉｅ— ｍｅｎｓ，２００９． ［７］高翔，胡建德，游红武．午削 ｝ 心极坐标 柱面编程的应 用浅析［Ｊ］．机械¨ｊ：稗师，２０１０（９）：７５—７７． ［８］Ｐｏｌａｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｒｅｔｒｉｅｖｅｄ ｆｒｏｍ ｈｔｔｐ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅ— ｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｐｏｌａｒｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ．２０１２．１２．１９． —．［９］同济大学数学系．高等数学（第６版）［Ｍ］．北京：高等 图７转换关系实现流程 教育出版社，２０１０． 上述的流程基础上，采用Ｃ＃实现了一个简单 运动转换功能程序，其界面如图８所示。 当点击主界面的设置按钮时，可以对相关的程 ［１０］ＦＡＮＵＣ．车床系统／加ｒ 中心系统通用Ｂ．６３９４４ＣＭ Ｊ｝｝ｊ， 手册（第二版）［Ｍ］．ＦＡＮＵＣ，２００５， （编辑赵蓉）
