三轴数控侧铣空间刀具半径补偿算法

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1、万方数据第43卷第5期2007年5月机械工程学报v“43No．5CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGn町EERINGMay2007三轴数控侧铣空间刀具半径补偿算法水胡自化1，2张平2杨冬香1徐宏1(1．湘潭大学机械工程学院湘潭411105；2．湘潭大学土木工程与力学学院湘潭411105)摘要：通过深入分析三轴数控侧铣加工的特点，利用几何平面投影原理，采用平面轮廓刀具半径补偿算法推导的类似方法，建立三轴数控侧铣加工的空间刀具半径补偿算法。将三轴数控侧铣加工的空间刀具半径补偿归纳为三种转接过渡类型处理，通过加工平面的

2、投影相交求出空间两相邻程序段的过渡转接点坐标分量x、y，然后通过逆投影计算转接点的第三分量z，从而推导出各类型转接点的坐标计算公式。基于uG平台编写了三轴数控侧铣刀具补偿仿真软件，模拟和铣削加工实例结果表明所建立的三轴数控侧铣加工空间刀具半径补偿算法正确有效。基于该算法的空间刀具半径补偿G指令将可避免由于刀具磨损和刀具更换导致的三轴侧铣数控代码重生成。关键词：三轴数控侧铣几何平面投影空间刀具半径补偿数控加工中图分类号：THl64O前言一般来说，侧铣加工是数控铣削加工的一典型工艺。为了简化数控编程以及提高编程效率和质量，目前大部分数控铣

3、削系统具有一些快捷的编程功能，如刀具半径和长度补偿指令、复合循环指令、宏指令以及参数化编程、子程序调用等。然而，传统数控铣削系统的刀具半径补偿指令仅对平面加工轮廓两轴数控侧铣有效，而对三轴数控侧铣无效。因此三轴数控侧铣编程时，首先需将零件轮廓沿轮廓法矢方向偏置一刀具半径距离，偏置结果就是用以描述刀具路径的刀位数据，然后根据刀位数据生成数控代码。当刀具磨损或更换时，三轴侧铣数控代码需要重新生成，计算机与数控装置之间需通过串口或Inteme们n仃anet网络不断进行数据通信。尽管在二维刀具半径补偿算法方面已有很多研究ll圳，也建立了二维刀

4、具补偿G代码，但由于缺乏空间刀具补偿的G代码，三轴数控侧铣编程仍使用较为低下的方式，数控编程工作十分繁琐。刀具一旦磨损或换刀，就需要将零件轮廓线沿其在G咖平面的投影曲线的法矢方向偏置一刀具半径距离以获得新的刀位数据，数控代码也就应根据新的刀位数据重新生成，这种传统cAD编程方法存在许多弊端。为了彻底改变这种繁琐数控编程，就必须建立三维刀具半径补偿算法，尤其是随着高速切削高新技术迅猛发展，新的加工理念要求快速生成刀具路径，即需要数控系统在多轴加工中能够实现空间刀具自动·国家自然科学基金(10372087)、湖南省自然科学基金(04JJ3

5、043)和湖南省教育厅科研基金(068094)资助项目。20060718收到初稿，20070129收到修改稿补偿功能【3】。但零件轮廓的复杂性以及需考虑许多复杂的转接过渡，使得空间刀具半径补偿算法的建立举步维艰，对空间刀具半径补偿方面研究的文献很少[4-7]。刘雄伟等【4】和刘德福等[5】仅从理论角度考虑了刀轴平行于曲面法矢的五轴加工偏摆问题计算，离工程实际应用还有较大差距。MOI也TON等【7J仅研究了三轴车削中心的三维刀具补偿近似算法，得出了一些有价值的结论，但至今尚未取得能有效指导实际生产的三维刀具半径补偿理论。由于刀轴矢量(0

6、01)在三轴加工中始终保持不变，刀轨曲线与零件轮廓曲线在加工平面的投影互为等距，因此本文拟通过深入分析三轴数控侧铣加工的特点，利用几何平面投影原理，采用平面轮廓刀具半径补偿建立的类似方法，建立三轴数控侧铣加工的空间刀具半径补偿算法。该算法不仅可突破刀具补偿功能限于平面轮廓加工的理论瓶颈，而且是刀具补偿向空间轮廓面多轴侧铣加工的有益尝试，尤其在刀具磨损和刀具更换时可避免数控程序的重新生成，具有重要的理论研究价值和实际指导意义，本文将阐述算法的具体建立和推导过程。1三轴侧铣空间刀具半径补偿原理两轴侧铣加工的刀具半径补偿原理已经成为数控铣削

7、系统的一个典型特征，一般来说平面轮廓插补的G代码仅包含平面线性插补指令(G01)和加工平面的顺／逆圆弧插补指令(G02／G03)，因而两轴数控侧铣的刀具半径补偿原理就包含两种简单轮廓类型即平面直线和平面圆弧，以及三种转接类型即缩短型、伸长型和插入型引。两轴数控侧铣加工的刀具半径补偿算法计算流程如图l所示。万方数据2007年5月胡白化等：三轴数控侧铣空间刀具半径补偿算法139开始从基于零件轮廓编程获得的数控代码文件中读出两相邻程序段的坐标和几何类型(直线段或圆弧段)计算两相邻程序段(直线段或圆弧段)方向矢量之间的转接角，方向为第一段矢量

8、以逆时针方向转向第二段矢量＼：：×：：二!二三三，彳判断转接角所处象限第一、转接第一第二第三、转接第三第四角为四角为象限180。象限180。两旋向相同的圆弧缩插伸之间伸插缩之间短入长的转长入短的转型接看型接看成缩成插短型