基于NX Post Builder双转台5轴加工中心的3 2定轴后处理流程的研究.pdf

模具制造 2023年第9期基于NX Post Builder双转台5轴加工中心的3+2定轴后处理流程的研究*郑浩，周淑容（四川职业技术学院智能制造学院，四川遂宁629000）【摘要】按照机床运动特性，可将5轴加工分为5轴联动加工和3+2定轴加工。5轴联动加工多用于复杂曲面的半精加工和精加工，3+2定轴加工多用于有多个空间成型面的定位加工。以适配Heidenhain TNC640数控系统的DMG DMU65加工中心为例，对NX后处理中与3+2定轴加工有关的Tcl命令进行分析，阐述了tcl代码的工作流程，推导了坐标系向量旋转矩阵公式，最后通过Vericut仿真验证后处理的正确性。关键词：5轴加工中心 后处理；3+2定轴；坐标系旋转；矩阵中图分类号：TG659文献标识码：BDOI：10.12147/ki.1671-3508.2023.09.020Research on 3+2 Fixed Axis Post-Processing Process of 5 AxisMachining Center with Double Turntable Based on NX Post BuilderZheng Hao，Zhou Shurong（College of intelligent manufacturing，Sichuan Vocational and Technical College，Suining，Sichuan 629000，CHN）【Abstract】According to the motion characteristics of machine tool,5-axis machining can bedivided into 5-axis linkage machining and 3+2 fixed axis machining.5-axis linkage machining ismainly used for semi-finishing and finishing of complex surface,and 3+2 fixed axis machining ismainly used for positioning machining with multiple space forming surfaces.Taking DMG DMU65machining center for Heidenhain TNC640 NC system as an example,Tcl commands related to 3+2fixed axis machining in NX post processing are analyzed,and the workflow of the code is describedin detail.The formula of coordinate system vector rotation matrix is derived.Finally,Vericutsimulationverifiesthecorrectnessofpost-processing.Key words：post processing of 5-axis machining center;3+2 fixed axis;coordinate systemrotation;matrix1引言3+2 定 轴 加 工 的 核 心 是 坐 标 系 旋 转。Heidenhain TNC640的PLANE功能（倾斜加工面），提供了多种平面的几何定义。本文以用空间角定义加工面的方式SPATIAL为例，在不考虑坐标原点偏置的情况下，分析后处理区分5轴联动和3+2定轴的原理和触发坐标系旋转的工作流程，用NC代码对后处理过程的正确性进行验证。2创建后处理相关参数（1）机床结构和坐标轴参数。DMG DMU65 是双转台摇篮式结构 5 轴加工中心，它由线性轴XYZ和绕Z轴旋转的C轴及绕X轴旋转的A轴组成（见图1）。*四川职业技术学院科学技术项目的研究成果，项目编号11。模具制造技术69模具制造 2023年第9期图1后处理机床旋转轴参数设置5轴机床的旋转轴分为依赖轴和非依赖轴。当另一个旋转轴运动时，不影响这个旋转轴的旋转方向和旋转平面，则该轴就是非依赖轴；当另一个旋转轴运动时，这个旋转轴改变了旋转方向和旋转平面，这个轴就是依赖轴。对于5轴双转台机床，与床身连接的旋转轴是第4轴，另一个旋转轴是第5轴，即A轴是非依赖轴第4轴，C轴是依赖轴第5轴。在加工时，为了让工作台始终朝向操作者，需要限制A轴的旋转角度行程（见图2）。图2A轴旋转角度设为090（2）加工代码参数。Heidenhain TNC640 的 PLANE SPATIAL 空间角功能，能使用不超过三次坐标系的旋转定义1个加工面。3次旋转顺序默认是，先绕Z轴旋转，再绕X轴旋转，再绕 Y 轴旋转。代码格式：PLANE SPATIALSPA0 SPB0 SPC0 TURN FMAX SEQ-，其中SEQ的正负方向对应了机床A轴的旋转方向，无论是自动编程还是手动编程，都必须将SEQ设为负值。3后处理实现3+2加工的工作流程分析（1）侦测工序是否为5轴联动刀路（见图3）。图3侦测5轴联动刀路命令（2）处理侦测刀路类型过程（见图4）。图4处理侦测刀路类型过程（3）计算不同类型坐标系旋转角（见图5）。（4）处理坐标系旋转过程（见图6）。4坐标系旋转向量矩阵公式推导（以右手笛卡尔坐标系为基准）因为坐标系每次只绕一个轴旋转，因此，可以将坐标系分解为XY、XZ、YZ 3个平面，通过三角函数可以推导出该平面的旋转矩阵（见图7）。侦测5轴联动刀路命令如果刀轴类型变量不存在，将该变量赋值0如果刀路类型变量不存在，将该变量赋值undefined工序是否为孔铣是：命令值返回0不是如果刀轴类型变量=2并且工序类型变量值匹配Variable-axis*；或者工序类型变量匹配Sequential Mill Main Operation；或者刀路类型变量与variable_axis相同。不满足条件：命令值返回0满足条件：命令值返回1判断侦测5轴联动刀路命令返回值判断用户自定义5轴刀路变量0：定轴刀路1：5轴联动刀路NO：定轴刀路YES：5轴联动刀路处理侦测刀路类型命令模具制造技术70模具制造 2023年第9期图7坐标系绕A轴旋转，Y轴和Z轴的向量变换Y-Z平面旋转矩阵公式：同理可推导如下公式：X-Z平面旋转矩阵公式：X-Y平面旋转矩阵公式：将以上3个平面矩阵相乘可以得到空间坐标系旋转矩阵。由于矩阵乘法顺序不可交换，所以不同顺序的矩阵相乘会产生不同结果的矩阵。理论上有六种不 同 的 组 合：RxRyRz、RxRzRy、RyRxRz、RyRzRx、RzRxRy和RzRyRx。PLANE SPATIAL代码旋转坐标系的矩阵按照RzRxRy旋转顺序的矩阵乘法公式计算：图5计算不同类型坐标系旋转角判断DPP_GE_COOR_ROT_AUTO3D rot_matrix rot_pos的返回值计算坐标系旋转角命令计算刀尖控制点坐标初始化刀轴矢量判断DPP_GE_COOR_ROT_LOCAL rot_matrix coord_offset返回值0：工序不属于父CSYS或者父CSYS无坐标旋转1：工序的父CSYS有坐标旋转，将LOCAL赋值于coord_rot1：工序坐标系类型是倾斜平面坐标系，将AUTO_3D赋值于coord_rot0：工序的父CSYS坐标系无旋转，将NONE赋值于coord_rot判断$coord_rot变量值NONE：将angle数组中的元素全部赋值0不是NONE：通过旋转坐标矩阵计算命令坐标系SPA SPB SPC空间旋转角值返回$coord_rot的变量值图6处理坐标系旋转过程将DPP_GE_COOR_ROT ZYX coord_rot_angle coord_offset pos的处理结果赋值于dpp_ge(coord_rot)元素中判断$dpp_ge(coord_rot)元素值不等于NONE：坐标系按照绕ZYX轴旋转的顺序计算旋转后的空间角等于AUTO_3D：执行VMOV命令计算刀尖控制点到达机床的坐标，重新读取变量 MOM_reload_variable-a mom_pos判断运动事件类型是循环运动事件执行VMOV命令计算刀尖控制点运动到循环运动安全平面坐标、返回平面坐标、加工终点坐标刀路是初始移动判断$dpp_ge(coord_rot)元素值不等于AUTO_3D复位安全平面刀路不是初始移动Z轴移动到系统设定的初始安全平面坐标不复位安全平面等于AUTO_3D处理坐标系旋转过程命令Z（0,-sinA,cosA）sinAZ（0,0,1）AcosAAcosAY（0,1,0）Y（0,cosA,sinA）模具制造技术71模具制造 2023年第9期5 计算坐标系旋转矩阵和计算旋转角的Tcl语句procDPP_GE_CALCULATE_COOR_ROT_ANGLEmode MATRIX ANG upvar$MATRIX rotation_matrixupvar$ANG rot_angglobal RAD2DEGset m0$rotation_matrix(0);set m1$rotation_matrix(1)set m2$rotation_matrix(2);set m3$rotation_matrix(3)set m5$rotation_matrix(5);set m6$rotation_matrix(6)set m7$rotation_matrix(7);set m8$rotation_matrix(8)set status UNDEFINEDif$mode=ZXY set cos_a_sq expr$m3*$m3+$m4*$m4if EQ_is_equal$cos_a_sq 0.0 set cos_a 0.0 cos_c 1.0 sin_c 0.0set sin_b$m6 cos_b$m0if expr$m5 0.0 set sin_a-1.0 else set sin_a 1.0 else set cos_a expr sqrt($cos_a_sq)set sin_a expr$m5set cos_b expr$m8/$cos_aset sin_b expr-$m2/$cos_aset cos_c expr$m4/$cos_aset sin_c expr-$m3/$cos_aset A expr atan2($sin_a,$cos_a)*$RAD2DEGset B expr atan2($sin_b,$cos_b)*$RAD2DEGset C expr atan2($sin_c,$cos_c)*$RAD2DEGset rot_ang(0)$C;set rot_ang(1)$A;set rot_ang(2)$Bset status OKif$status=OK return 1 else return 06Vericut仿真对样件模型的一斜角和一斜台的刀路进行后处理，对后处理代码进行仿真，验证机床旋转轴定位是否正确，如图8所示。（2）斜角倾斜平面定位代码：PLANESPATIALSPA-54.736SPB+0.0SPC-135.TURN FMAX SEQ-的仿真结果，如图9所示。（2）斜面倾斜平面定位代码：PLANE SPATIALSPA-45.SPB+0.0 SPC-90.TURN FMAX SEQ-的仿真结果，如图10所示。图9VT仿真斜角图10VT仿真斜面加工定位状态加工定位状态7总结本文从机床结构、NC代码格式、tcl代码、坐标旋转矩阵公式、VT仿真验证等多个方面，分析了3+2加工后处理的流程并验证了其正确性。NX后处理程序由Tcl语言编写，除了实现默认的后处理功能之外，还可以根据用户的实际需求编写自定义脚本，利用计算机语言编程功能充分挖掘设备的使用价值。参考文献1张磊.UGNX6后处理技术培训教程M.北京:清华大学出版社，2009.2HEIDENHAIN|TNC 640|对话格式编程用户手册|3/2016.3郭永亮，赵华，张礼.Mazak五轴联动机床UG后处理3+2功能定制J.金属加工（冷加工），2013，（010）：71734庄瑛，周奎.五轴机床自动倾斜面加工后处理算法研究J.机械，2018，45（8）:75卢辉，蔡玉俊，李国和.摆头转台五轴机床倾斜面加工的后处理研究J.模具工业，2016，42（1）:46王梅英，张淑艳.基于UG8.0的五轴机床3+2后处理程序的编制J.工具技术，2014，48（8）:1171197任锐，张建，张玉芳.带RTCP功能五轴机床后置处理程序的编制J.机械工程师，2009，（6）:2第一作者简介：郑浩，男，1981年9月生，四川遂宁人，讲师，研究方向：多轴加工技术。（收稿日期：2023-05-29）图8 3+2定轴加工刀路模具制造技术72