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开发一种关于三种Five-AxisMachine的后处理器

R.-S.lee和C.-H.she机械工程学系,成功大学机械系,台南,台湾,中华民国
摘要本文提出了一种能通过使用五轴联动机床控制刀具切削位置的数据来建立介于计算机辅助设计系统和数控编程之间的一种五轴机床界面，是通过分析使用变换矩阵和逆运动学方程得到的数控数据实现的。此外后处理器的解决办法是通过在五轴机床上切削试验和坐标测量机上被验证的。试验结果证实了关于后处理器的解决办法的猜想所产生的影响，用来整合五轴机床的工具在机械制造系统中的使用
关键词坐标变换矩阵;刀具切割规矩数据;五轴机床；数控编程；后处理器
1.介绍
自由表面(或雕刻的表面)已经大量在工业中使用,如在汽车的身体、船舶客体、航空零件。模具和冲压模具的加工大部分是用数控加工(NC)机床加工的。常规的加工是使用三轴数控机床和球头铣刀。三轴机床不能改变刀具方向,所以一个五轴数控机床能使刀具正确定位并能高效加工。随着计算机技术的迅速发展,商业性的CAD/CAM系统可以设计和生成自由平面不管是三轴还是五轴的刀具轨迹。刀具位置数据包括刀尖位置和刀具方向,可以在CAD/CAM系统所产生的CAD模型中直接获得然而,当使用很多种刀具的时候还是有困难的。包括CAM系统和数控系统之间联系的输入界面被称为后处理器它包含了刀具位置数据的机床编码。
很多研究人员在从事机床后处理器的研究。Bedi和Vickers[1]为FANUCE6MB机床研发了一种后处理器程序。Balaji[2]提出一种后处理器的发展和应用，就是将APT资源编码转换为机床床程序代码。Lin和Chu[3]通过使用带有复杂的D-H记号的平面追踪得到了生产凸轮轴时的机床刀具的数控数据。然而，以上的工作仅仅是关于三轴机床的。此外，既然对于三轴机床刀具轴线是固定的，从刀具轨迹数据到数控数据的传输的直接传输，所以增量坐标技术的必不可少的。为了满足工业关于几何图形多样性和高精密的需求，多轴联动技术的使用在增多，特别是机械雕刻成型表面。Suh和Lee[4]发明了一种四轴CAM系统包括刀具切削位置数据的产生和后处理器。Vickersetal.[5]使用S-sulf方法在三轴、四轴、五轴机床上证明了机械复杂曲面组合。Takeuchi和Watanabc[6]为两种类型的机床轮廓设想了一种五轴控制碰撞-自由刀具轨迹和后处理方法。Sakamoto和Inasaki[7]将五轴机床刀具的三种轮廓进行分类。然而，分析性的数控数据表达在以上工作中均未被涉及到。
Lin和Tsai最近使用D-H标记来生成数控数据相当于在四轴机床上加工凸轮轴。此外，Warkentinetal.[9]提出了一种加工球形表面的技术。在他们的工作中，仅仅从五轴机床上得到了廓形的理想数控数据。同时，Raoetal.[10]研发了一种规律轴线的方法在两种廓形的五轴机床实现复杂表面的加工。尽管如此，仅仅旋转运动被应用。并没有研究机床刀具的直线运动。既然五轴机床刀具轨迹有那么多优点，那么后处理器的发展是很必然的[6]。然而，符合Satamoto和Inasaki所提出的分类方法，五轴机床刀可以具的机构可以分为三种基本类型。以上所有研究中没有一种能完全解决包含三个直线运动和两个旋转运动的数控数据的问题。
这项工作旨在基于齐次坐标变换矩阵发展三种类型五轴机床的后置处理器。数控数据的分析结果可以通过功能矩阵与已知CL数据解代数方程组求得。此外,不同配置的机床的特点和程序也是不同的。理器的正通过设计Bezier曲线与模型材料在典型加工中心加工表面,然后使用五轴坐标测量机测量(CMM)来核实后置处理器的正确性和高效性。
2、运动学模型
机床刀具是通过铰接式开放链关节串接链接的。关节可以是旋转的也可以是形的。驱动旋转关节绕联合轴的旋转，而移动关节沿着联合轴的轴线方向移动。为了充分控制机床和刀具的位置和方向，建立了机床的运动学模型是必需的，运动学模型包括几何形状和运动学的描述。denavit和Hartenberg[11]首先使用一个4*4齐次坐标变换矩阵介绍了两个连续环节坐标系统之间的空间转换，，后来被Paul·[12]引用。传统的建模技术被用在机器，机器人，误差分析和计算机视觉建模技术。在本文中，通过引用Paul的方法介绍了四个根本性变换矩阵。他们可以表示如下：

trans(a,b,c)是通过矢量ai+bj+ck得到的，Rot(X,θ),Rot(Y,θ),Rot(Z,θ)分别表示绕X,Y,Z轴旋转的角度θ，“C”和“S”分别指余弦和正弦函数，从一个坐标系到另一个坐标系的空间转换是由分解矩阵相结合的根本性转变。
3。五轴机床的切削轨迹数据的定义
五轴铣床的切削轨迹数据包括切削的位置和方向，刀具就是工件坐标系，刀位数据的五轴加工构成的位置与方向,刀