基于MasterCAM的三大类型五轴机床后处理程序编制方法

“ 数字化制造基础研究” （ "&&S@V_"$%&& ） 资助 ! ^_! 计划项目
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用后处理文件得到满足特定配置机床的专用五轴联动 程序后处理方法。并以应用最广泛的三大类型五轴机 床为例， 分别论述了其专用后处理的编制方法。最终 验证了所 将所编后处理程序通过 #$%&’() 仿真加工， 提出后处理编制方法的正确性和可行性。
表 "# 旋转轴地址分配
旋转轴地址代码 2+&&345 %63& %77)(&& &’)89)38%63& $ #$ &’)8&(:8%63& $ "$ &’)87;<8%63& $ !$ 注释 旋转轴地址分配； 设定第一旋转轴为 #； 设定第二旋转轴为 "； 第六轴 （ 辅助轴） ；
转轴矢量平面强制规定为 (’ 平面。具体设置应按照 机床说明书中的坐标系进行设置， 在 $&’()*+$ 的 ,-. 文件中具体设定语句如表 ! 。
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做了很多研究， 本文在前人的基础上， 重点讨论研究较 少的五轴机床结构特性设置部分的内容格式。 $%&’()*+$ 的后处理 ,-. 文件中针对五轴机床结 构特性的设置， 主要由旋转轴地址分配、 机床类型设 定、 旋转轴旋转矢量平面设定、 摆长设定、 轴偏距设定 以及各运动轴的行程范围设定等组成。以下为具体各 部分内容： ! / "# 旋转轴地址分配 由上文分析可知， 五轴机床由三个平动轴和两个 旋转轴组成， 其中两个旋转轴有多种配置方式， 如!0 "、 # 0 " 等搭配方式， 通常在刀具双摆动和工作台双 回转机床中定轴设为第一旋转轴 （ 第四轴） ， 动轴设为 第二旋转轴 （ 第五轴） ， 在刀具摆动与工作台回转机床 中， 与工作台固联的旋转轴设为第一旋转轴， 与刀具固 联的旋转轴设为第二旋转轴。如 # 0 " 配置的机床其 设置及相应的在 ,-. 文件中的设定语句如表 1 所示。
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! ’ #" 五轴数控机床的类型与结构特点 五轴机床有三个平动坐标轴和两个转动坐标轴， 且五个轴可以联动， 导致五轴机床可有很多种运动配 置方案。但根据五坐标联动机床中两个旋转轴与主轴 或工作台固联的形式， 可以归为三大基本结构类型， 即 刀具双摆动、 工作台双回转、 刀具摆动与工作台回转。 为便于表述， 以下称运动中轴线方向不变的回转轴为 的轴为工作台转动， 否则为刀 定轴， 反之为动轴； 带 “ (” 具摆动。 （+） 刀具双摆动 如图 ,- 所示为一刀具双摆动型五轴机床， 这种结
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构类型是指两个转动轴都作用于刀具上， 由刀具绕两 个互相正交的轴转动以使刀具能指向空间任意方向。 由于运动是顺序传递的， 因而在两个转动轴中， 有一个 的轴线方向在运动过程中始终不变， 成为定轴， 如图中 的 % 轴， 而另一个的轴线方向则是随着定轴的运动而 变化成为动轴， 如图中的 $ 轴。按从定轴到 动 轴 顺 序， 此机床为 % . $ 配置机床。
#" $%&’()*+$ 中 ,-. 文件格式分析
2-3456’72 系统的后置处理由两部分文件组成， 可执行文件和机床特性文件。可执行文件是不允许用 户进行修改的， 如铣床的 28* 9:: 文件。机床特性文件 即 ;<) 文件。 ;<) 文件提供了更改 =’ 代码的方法， 以适用于选定的数控系统和机床， 其内容包括： 机床类 型、 坐标输出格式、 > 代码和 2 代码的分配、 文件头数 据、 控制系统名、 注释数据的输出等信息。用户对其进 行修改即可生成满足实际需要的专用后处理程序。对 于 2-3456’72 三轴后处理 ;<) 文件， 很多专家都对其
（,） 工作台双回转 这种 如图 ,/ 所示为一工作台双回转型五轴机床， 结构类型是指两个转动轴都作用于工作台上， 根据运 动的相对性原理， 它与由刀具摆动产生的效果在本质 上是一样的。由于运动是顺序传递的， 同样在两个旋 转轴中， 有一个的轴线方向在运动过程中始终不变， 称 为定轴， 如图中的 $( 轴； 而另一个的轴线方向则是随 着定轴的运动而变化， 称为动轴， 而且动轴紧靠工件， 如图中的 &(轴； 按从定轴到动轴分类该机床为 $( . &( 配置机床。 刀具与工作台回转 ) 摆动型 （!） 如图 ,0 所示为一刀具与工作台回转 1 摆动型机 床， 这种结构类型是指刀具与工件各具有一个转动运 动， 这种结构不是定、 动轴结构， 两个回转轴在空间的 方向都是固定的。对于其两个转动轴的配置情况， 一 般按先工件后刀具的顺序进行分类， 图中即为 $( . % 配置机床。
基于 !"#$%&’(! 的三大类型五轴机床 ! 后处理程序编制方法
唐进元# 尹# 凤
（ 现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室 中南大学机电工程学院， 湖南 长沙 $%&&’! ） 摘! 要： 研究了五轴联动数控机床的结构和运动特点， 分析和归纳了三大类型五轴机床摆长和轴偏距的相关 定义。详细论述了 "#$%&’()" 五轴通用后处理 “ *&+&’,- .#+/- 01 ",22” 文件的格式， 提出了基于 "#$%&’()" 的五轴通用后处理 “ *&+&’,- .#+/- 01 ",22 ” 文件， 通过设置机床的结构特性参数， 开 发了适合三大类型五轴机床专用后处理程序的方法。利用 3456(78 软件的仿真加工验证功能， 通 过构建五轴机床仿真系统、 输入 9( 程序等步骤， 实现对 9( 程序的模拟仿真。并利用 3456(78 软件的 “ 自动 : 比较” 功能， 对结果模型与原三维模型进行误差分析， 验证所编后处理程序的正确 性。此项研究工作为五轴后处理程序的开发提供了一种有效的途径。 关键词： 五轴后处理! 五轴数控机床! "#$%&’()"! 3456(78 仿真加工
表 $# 旋转轴矢量平面设置语句
旋转轴矢量平面设置代码 2,)3<%)@ %63& %54D( 7(&:)39’3?5（ 35 <%I :>35( C%&( ’()<&） 2J3’> 5;’%’354 （ <’@9( ! 0 H ）’>( 5;’%I ’354 %63& <;&’ C( ’>( KL 9D%5( )?’%63&1 M B N(:6# 2O()? )?’73)1 M # B N(:@ 2P3)(:’3?5# 2-(:?57%)@ %63& %54D( 7(&:)39’3?5（ 35 <%:>35( C%&( ’()<&） )?’%63&= M B N(:Q# 2O()? )?’73)= M # B N(:62P3)(:’3?5 2 ,?&’CD?:R， )(&’?)(& ?)3435%D %63& &(’I ’354& )(&;D’ B ;974CD （ )?’%63&1 M ， S N(:6S ）2 O()? )(&;D’ B ;974CD （ )?’73)1 M ， S N(:@S ）2 P3)(:’3?5 )(&;D’ B ;974CD （ )?’%63&= M ， S N(:QS ）2 O()? （ )?’73)= M ， S N(:@S ）2 )(&;D’ B ;974CD P3)(:’3?5 注释 第一旋转轴角度描述； 旋转轴角 度零 点 为 ( 轴 正 向； 旋转方向朝 ’ 轴正向为正； # 第二旋转轴角度描述； 旋转轴角 度零 点 位 于 & 轴 正向； 旋转方向朝 ( 轴正向为正； 初始轴设定； # 第一旋 转 轴 角 度 零 点 位 于 ( 轴正向， 旋转方向朝 ’ 轴 正向为正； # 第二旋 转 轴 角 度 零 点 位 于 & 轴正向， 旋转方向朝 ( 轴 正向为正； #
!" 五轴数控机床的结构和运动特点
! * !" 五轴数控机床的坐标系 五轴联动数控机床的运动轴分为平动轴和转动 轴， 这些轴一般都配置成相互垂直或平行。数控机床 各轴的运动， 有的是使刀具产生运动， 有的则是使工件 产生运动。对此， 标准规定， 不论机床的具体运动结构 如何， 机床的运动统一按工件静止而刀具相对于工件 运动来描述， 并以右手笛卡尔坐标系表达。如图 + 所 示其坐标轴用 ! 、 "、 # 表示， 用来描述机床的主要平动 轴， 称为基本坐标轴。三个旋转轴 $、 %、 & 相应的表示 "、 # 轴的旋转运动。 ! 轴作为水平 其轴线平行于 ! 、 的、 平行于工件装夹平面的轴， 它平行于主要的切削方 向， 且以此方向为正向。 " 轴的运动方向则根据 ! 和 # 轴按右手法则确定。旋转坐标轴 $、 % 和 & 相应地 在 !、 "、 # 坐标轴正方向上， 按右旋螺纹前进的方向来 确定。