[发明专利]一种非正交五轴立卧转换数控机床后处理方法

权利要求书

1.一种非正交五轴立卧转换数控机床后处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、以非正交轴摆头转台类五轴立式数控机床作为研究对象，分析该类型机床的结构特点，确定各坐标轴之间的运动关系，分别将回转轴B与机床坐标系中OXY平面之间夹角、工件原点在机床坐标系中位置矢量和刀具摆长作为变量，建立前置刀位数据与该类机床各坐标轴之间的运动变换方程，进而推导出各坐标轴的计算公式；

B、以安装直角铣头(即90°角度头)的非正交摆头转台类五轴立式数控机床作为研究对象，亦即转化的非正交五轴卧式数控机床，分别将回转轴B与机床坐标系中OXY平面之间夹角、工件原点在机床坐标系中位置矢量和“刀具摆长矢量”(即刀位点在主轴坐标系中的位置矢量)作为变量，建立前置刀位数据与该类机床各坐标轴之间的运动变换方程，进而推导出各坐标轴的计算公式；

C、在上述机床各坐标轴的计算公式基础上，结合数控系统提供的宏变量、数学运算、逻辑运算等功能，基于Visual Studio平台利用C++语言开发出一种适用于非正交五轴立卧转换数控机床的后处理软件，其中在该软件界面中，刀具摆长矢量作为变量或数值输入，回转轴B与机床坐标系中OXY平面之间夹角作为数值输入，工件原点在机床坐标系中的位置矢量作为变量或数值输入；

步骤A中，

首先以非正交摆头转台类五轴立式数控机床作为研究对象，分析该类型机床的结构特点，确定机床各坐标轴之间的运动关系，即机床运动链，主要由回转工作台、平动工作台、床身、主轴和刀具等单元按顺序串联而成；

其次，在该非正交摆头转台类五轴立式数控机床上，分别建立机床坐标系、主轴坐标系、非正交轴坐标系、工件坐标系和刀具坐标系，根据该机床运动链和各坐标系的相对位置关系，建立前置刀位数据与该类机床各坐标轴之间的运动变换方程：

式中：i、j、k分别为工件坐标系中刀轴矢量分量，x、y、z分别为工件坐标系中刀位点矢量分量，X、Y、Z分别为机床各平动轴的坐标值；B为机床非正交回转轴相对于初始状态的转角，C为绕机床平动轴Z旋转的回转轴相对于初始状态的转角，α是回转轴B与机床坐标系中OXY平面之间夹角；机床坐标系O_mX_mY_mZ_m原点O_m位于C轴转台上表面中心；O_w为工件坐标系O_wX_wY_wZ_w原点，x₀、y₀、z₀分别为工件原点O_w在机床坐标系中位置矢量(即偏置量)的分量；O_m1X_m1Y_m1Z_m1是与主轴固连的坐标系，称之为主轴坐标系，其原点O_m1为B轴回转中心线与主轴回转中心线的交点；O_m2X_m2Y_m2Z_m2是与回转轴B固连的坐标系，称之为非正交轴坐标系，实际上该非正交轴坐标系是由主轴坐标系O_m1X_m1Y_m1Z_m1绕X_m1轴旋转α角而得到，且原点O_m2与O_m1重合；O_tX_tY_tZ_t为与刀具固连的坐标系，称之为刀具坐标系，其原点O_t位于刀位点上，且原点O_t在主轴坐标系中的位置矢量为(0,0,-L)，其中L是刀具原点O_t到与主轴坐标系原点O_m1的距离(即刀具摆长)；r_s为机床平动轴相对于初始状态平移矢量，(0,0,0)和(0,0,1)分别为刀具坐标系中刀位点和刀轴矢量；假定初始状态时主轴坐标系、刀具坐标系、工件坐标系与机床坐标系的各坐标轴方向一致；T和R分别为平移和回转运动的齐次变换矩阵：

最后，分别求解刀位数据与该类机床各坐标轴之间的运动变换方程即式(1)和(2)来确定机床各回转轴和平动轴的表达式；

由式(1)可以得到：

假设B轴回转工作台的范围B∈[-30°,180°]，C轴回转工作台的范围C∈[-180°,180°]，回转轴B与机床坐标系中OXY平面之间夹角α∈(-90°,90°)，则cosα≠0，而当B＝0时，C则为任一角度值(因C角大小将不影响刀轴矢量)；由式(3)可以得到机床回转轴的计算公式：

式中：

联立式(4)，由式(2)可以得到各平动轴的计算公式：

因此，由式(4)和式(5)就可以确定机床各回转轴和平动轴的计算公式，即对前置刀位数据进行后处理而获得机床可以识别执行的数控加工程序，其中机床平动轴计算公式中包含刀具摆长L、工件原点在机床坐标系中位置矢量(x₀,y₀,z₀)和回转轴B与机床坐标系中OXY平面之间夹角α；

步骤B中，

当在非正交摆头转台类五轴立式数控机床的主轴上安装直角铣头后，原有机床将转化为非正交五轴卧式数控机床，以安装直角铣头的非正交摆头转台类五轴立式数控机床(即非正交五轴卧式数控机床)作为研究对象，首先分析该类型机床的结构特点，确定机床各坐标轴之间的运动关系，即机床运动链，主要由回转工作台、平动工作台、床身、主轴、直角铣头和刀具等单元按顺序串联而成；

其次，在该安装直角铣头的非正交摆头转台类五轴立式数控机床上，分别建立机床坐标系、主轴坐标系、非正交轴坐标系、工件坐标系和刀具坐标系，根据该机床运动链和各坐标系的相对位置关系，建立前置刀位数据与该类机床各坐标轴之间的运动变换方程：

式中：i、j、k分别为工件坐标系中刀轴矢量分量，x、y、z分别为工件坐标系中刀位点矢量分量，X、Y、Z分别为机床各平动轴的坐标值；B为机床非正交回转轴相对于初始状态的转角，C为绕机床平动轴Z旋转的回转轴相对于初始状态的转角，α是回转轴B与机床坐标系中OXY平面之间夹角；机床坐标系O_mX_mY_mZ_m原点O_m位于C轴转台上表面中心；O_w为工件坐标系O_wX_wY_wZ_w原点，x₀、y₀、z₀分别为工件坐标系原点O_w在机床坐标系中位置矢量(即偏置量)的分量；O_m1X_m1Y_m1Z_m1是与主轴固连的坐标系，称之为主轴坐标系，其原点O_m1为B轴回转中心线与主轴回转中心线的交点；O_m2X_m2Y_m2Z_m2为与回转轴B固连的坐标系，称之为非正交轴坐标系，实际上该非正交轴坐标系是由主轴坐标系O_m1X_m1Y_m1Z_m1绕X_m1轴旋转α角而得到，且原点O_m2与O_m1重合；O_tX_tY_tZ_t为与刀具固连的坐标系，称之为刀具坐标系，其原点O_t位于刀位点上，刀具原点O_t在主轴坐标系中的位置矢量为(0,L_y,L_z)，称之为“刀具摆长矢量”；r_s为机床平动轴相对于初始状态平移矢量，(0,0,0)和(0,1,0)分别为刀具坐标系中刀位点和刀轴矢量；假定初始状态时主轴坐标系、刀具坐标系、工件坐标系与机床坐标系的各坐标轴方向一致；T和R分别为平移和回转运动的齐次变换矩阵：

最后，分别求解刀位数据与该类机床各坐标轴之间的运动变换方程即式(6)和(7)来确定机床各回转轴和平动轴的表达式；

由式(6)可以得到：

假设B轴回转工作台的范围B∈[-30°,180°]，C轴回转工作台的范围C∈[-180°,180°]，回转轴B与机床坐标系中OXY平面之间夹角α∈(-90°,90°)，则cosα≠0，而当B＝0时，C可以为任一角度值(因C角大小将不影响刀轴矢量)；由式(8)可以得到机床回转轴的计算公式：

式中：

联立式(9)，由式(7)可以得到机床各平动轴的计算公式：

因此，由式(9)和式(10)就可以确定机床各回转轴和平动轴的计算公式，即对前置刀位数据进行后处理而得到机床可以识别执行的数控加工程序，其中机床平动轴计算公式中包含刀具摆长矢量(0,L_y,L_z)、工件原点在机床坐标系中位置矢量(x₀,y₀,z₀)和回转轴B与机床坐标系中OXY平面之间夹角α。