五軸聯動機床數控系統及其加工方法
【專利摘要】本發明公開了一種五軸聯動機床數控系統及其加工方法，其包括計算機、CNC控制裝置、伺服驅動裝置及機床，計算機內安置有CAM軟件模塊，計算機與CNC控制裝置連接，CNC控制裝置與伺服驅動裝置連接，伺服驅動裝置與機床連接；CAM軟件模塊發送信號給CNC控制裝置，CNC控制裝置對信號進行處理分析生成位置控制指令并發送給伺服驅動裝置，伺服驅動裝置根據位置控制指令驅動機床運行。本發明將DXF文件圖形對應的型材加工路徑經讀取、預處理、變步距分割、刀具補償處理后，得到最終待加工數據信息，并獲取最終待加工數據信息對應的G代碼，對G代碼進行處理分析生成位置控制指令，解決對輕質型材進行高速高精多軸聯動多刀復合加工的需求。
【專利說明】五軸聯動機床數控系統及其加工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及機械數控加工制造【技術領域】，尤其是涉及一種五軸聯動機床數控系統及其加工方法。
【背景技術】
[0002]隨著航空航天，造船，汽車，能源、冶金等工業的發展，多軸聯動數控加工技術正廣泛地運用于高精密復雜曲面薄壁零件的加工中。在多軸聯動數控加工處理過程中，可以根據零件幾何形狀和工藝參數合理規劃出加工刀路，并生成相應刀位軌跡文件。該文件需要經過后置處理轉換成為數控加工程序，才能驅動機床加工。
[0003]與傳統的三軸聯動數控加工相比，五軸聯動數控加工可以顯著提高加工效率、增強刀具可達性和縮短刀具長度，為復雜零件的加工提供了有效的手段。國內研究五軸刀具路徑規劃主要是從九十年代末開始的，大多集中在通過優化刀具的位置和傾斜角來提高材料去除率和消除局部干涉等方面，從八十年代初期，研究領域涉及到了刀具路徑規劃的各個方面。
[0004]另外，在輕質型材生產中，一些形狀曲線復雜的輕質型材部件的加工需要涉及到銑削、拋磨等多道加工工序，且加工效率和加工精度不高，而目前國內對輕質型材加工方是大多采用單刀加工技術，一個輕質型材工件定型加工往往需要多道工序；同時由于加工五軸聯動數控加工設備以非標設備為主，設備生產廠商需要根據客戶需求進行定制化開發，簡單的集成滿足不了企業生產的要求。
【發明內容】
[0005]基于此，有必要針對現有技術的不足，提供一種五軸聯動機床數控系統及其加工方法，通過五軸聯動數控加工使得形狀曲線復雜的輕質型材工件能快速完成定型，解決對輕質型材進行高速高精多軸聯動多刀復合加工的需求。
[0006]為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是:一種五軸聯動機床數控系統包括計算機、CNC控制裝置、伺服驅動裝置及機床，所述計算機內安置有CAM軟件模塊，所述計算機與CNC控制裝置連接，CNC控制裝置與伺服驅動裝置連接，伺服驅動裝置與機床連接；所述CAM軟件模塊發送信號給CNC控制裝置，CNC控制裝置對信號進行處理分析生成位置控制指令并發送給伺服驅動裝置，伺服驅動裝置根據位置控制指令驅動機床運行
[0007]一種五軸聯動機床數控系統的加工方法，其包括如下步驟:
[0008]獲取DXF文件的數據信息；
[0009]對DXF文件的圖形進行預處理，將DXF文件的圖形分解為多個直線段或圓弧段，其中，單個直線段或圓弧構成基本圖元；根據DXF文件圖形中圖元坐標變化趨勢，判斷圖形的圖元是否存在坐標變化趨勢相反的現象；
[0010]根據不同圖元的曲率大小將圖元擬合成可變步長的直線段或圓弧段；
[0011]對DXF文件圖形中的圖元軌跡進行分析，并獲得圖形中的圖元端點的矢量角及方向，采用基于矢量分析的補償類型判別方式對補償類型進行判別，再利用相應的補償類別算法進行刀具補償，得到最終待加工數據信息；
[0012]生成G代碼，根據DXF文件圖形中的圖元軌跡的分析及進行刀具補償后得到最終待加工數據信息，獲取最終待加工數據信息對應的G代碼。
[0013]綜上所述，本發明五軸聯動機床數控系統及其加工方法將DXF文件圖形對應的型材加工路徑經讀取、預處理、變步距分割、刀具補償處理后，得到最終待加工數據信息，并獲取最終待加工數據信息對應的G代碼，對G代碼進行處理分析生成位置控制指令，通過五軸聯動數控加工使得形狀曲線復雜的輕質型材工件能快速完成定型，解決對輕質型材進行高速高精多軸聯動多刀復合加工的需求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明五軸聯動機床數控系統的結構原理圖；
[0015]圖2為圖1所示本發明五軸聯動機床數控系統的機床的結構原理圖；
[0016]圖3為圖1所示本發明五軸聯動機床數控系統的CAM軟件模塊的原理方框圖；
[0017]圖4為DXF文件圖形中圖元的曲率與曲線分割的關系。
【具體實施方式】
[0018]為能進一步了解本發明的特征、技術手段以及所達到的具體目的、功能，下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步詳細描述。
[0019]如圖1所示，本發明五軸聯動機床數控系統為以華中數控HNC_210B、FUNUC數控等為代表的機床控制系統，主要包括計算機、CNC控制裝置、伺服驅動裝置及機床，所述計算機內安置有CAM軟件模塊，所述計算機與CNC控制裝置連接，CNC控制裝置與伺服驅動裝置連接，伺服驅動裝置與機床連接。
[0020]如圖2所示,所述機床包括一個Z方向的主行進軸及X、Y、A、B方向的四個刀具軸，其中X、Y方向的刀具軸一端分別安裝有銑刀刀具，Α、Β方向的刀具軸一端安裝有銑刀刀具，Α、B方向的刀具軸一端也可以安裝有磨頭刀具，以與X、Y方向的安裝有銑刀刀具的刀具軸共同進行銑磨復合加工。
[0021]所述伺服驅動裝置分別與Z方向的主行進軸及X、Y、Α、B方向的四個刀具軸對應設置，主要包括X軸伺服驅動器及X軸電機、Y軸伺服驅動器及Y軸電機、A軸伺服驅動器及A軸電機、B軸伺服驅動器及B軸電機、Z軸進給伺服驅動器及Z軸電機，X軸伺服驅動器及X軸電機帶動X方向的刀具軸運行，Y軸伺服驅動器及Y軸電機帶動Y方向的刀具軸運行，A軸伺服驅動器及A軸電機帶動A方向的刀具軸運行，B軸伺服驅動器及B軸電機帶動B方向的刀具軸運行，Z軸進給伺服驅動器及Z軸電機帶動Z方向的主行進軸運行。
[0022]如圖3所示，所述CAM軟件模塊包括文件讀取模塊、圖形預處理模塊、高速高精處理模塊、刀具補償模塊、代碼生成模塊、機床參數設定模塊及刀具參數設定模塊。所述文件讀取模塊、圖形預處理模塊、高速高精處理模塊、刀具補償模塊、代碼生成模塊依次連接，所述機床參數設定模塊及刀具參數設定模塊置于文件讀取模塊與圖形預處理模塊之間，所述機床參數設定模塊預先對X、Y、Α、B方向的四個刀具軸上安裝的刀具起點位置及限位位置進行設定，所述刀具參數設定模塊預先對X、Y、Α、B方向的四個刀具軸上安裝的刀具尺寸范圍進行限定。
[0023]所述文件讀取模塊為DXF文件讀取模塊，采用dxflib庫進行DXF文件的數據提取；所述圖形預處理模塊對DXF文件的圖形進行分解為多個直線段或圓弧段，單個直線段或圓弧構成基本圖元，然后對分解圖形的圖元進行排序；所述Z方向的主行進軸對應DXF文件圖形中的左側方向，所述圖形預處理模塊根據DXF文件圖形中圖元在Z方向坐標變化趨勢，判斷基本圖元或相鄰圖元是否存在Z方向坐標變化趨勢相反的現象，若存在Z方向坐標變化趨勢相反的現象，則獲取Z方向坐標變化趨勢相反時的圖元頂點，并以該頂點為分界點將圖形切分成兩個獨立線段后重新排序。
[0024]所述高速高精處理模塊對圖形預處理模塊分解圖形的圖元擬合成可變步長的小直線段或圓弧段，使得加工后的型材工件不會在表面形成明顯的波紋刀痕，提高加工精度。
[0025]所述刀具補償模塊對DXF文件圖形中的圖元軌跡進行分析，并獲得圖形中的圖元銜接點的矢量角及方向，刀具補償模塊先獲得圖元對應的兩條線段的方向矢量，其中，直線為其本身的方向矢量，圓弧則是其端點到圓心的方向矢量；然后刀具補償模塊對兩條線段的方向矢量進行比較判別補償類型后，再利用相應的圓弧補償算法進行刀具補償，所述刀具補償模塊將進行刀具補償處理后的最終待加工數據信息發送給代碼生成模塊，其中，最終待加工數據包括DXF文件圖形的圖元對應的各段加工路徑及相應的規劃速度等信息。
[0026]所述的代碼生成模塊讀取機床參數設定模塊及刀具參數設定模塊信息，再對機床參數設定模塊及刀具參數設定模塊信息的設定信息與刀具補償模塊生成的最終待加工數據信息進行處理，獲取數控加工系統所需的G代碼，代碼生成模塊將G代碼以以太網、RS485或USB等通訊方式傳送到CNC控制裝置，CNC控制裝置對G代碼進行處理分析生成位置控制指令并發送給伺服驅動裝置，伺服驅動裝置根據位置控制指令驅動機床按要求運行。
[0027]本發明五軸聯動機床數控系統的加工方法，具體包括如下步驟:
[0028](I )、獲取DXF文件的數據信息，文件讀取模塊采用dxflib庫對DXF文件的數據進行提取；
[0029](2)、預先對X、Y、A、B方向的四個刀具軸上安裝的刀具起點位置及限位位置、尺寸范圍進行設定，機床參數設定模塊及刀具參數設定模塊置于文件讀取模塊與圖形預處理模塊之間，所述機床參數設定模塊預先對X、Y、A、B方向的四個刀具軸上安裝的刀具起點位置及限位位置進行設定，所述刀具參數設定模塊預先對X、Y、A、B方向的四個刀具軸上安裝的刀具尺寸范圍進行限定；
[0030](3)、對DXF文件的圖形進行預處理，其具體包括如下步驟:
[0031]①、將DXF文件的圖形分解為多個直線段或圓弧段，其中，單個直線段或圓弧段構成基本圖元；
[0032]②、Z方向的主行進軸對應DXF文件圖形中的左側方向，根據DXF文件圖形中圖元在Z方向坐標變化趨勢,判斷基本圖元或相鄰圖元是否存在Z方向坐標變化趨勢相反的現象；若圖元在Z方向坐標變化趨勢相反,則對圖元進行標記；
[0033]③、判別圖形分解的圖元與刀具的對應關系，確定標記的圖元是通過X、A方向的刀具軸上安裝的刀具加工還是通過Y、B方向的刀具軸上安裝的刀具加工，并對分解的圖元進行排序；
[0034]④、對Z方向坐標變化趨勢相反的圖元進行計算,獲得變化趨勢相反時的圖元頂點，并以該頂點為分界點將圖元切分成兩個獨立線段后重新排序；
[0035]⑤、偵測圖形中Z方向坐標變化趨勢相反的位置并發送信號給Z方向的主行進軸，以控制Z方向的主行進軸作后退動作。
[0036](4)、根據不同圖元的曲率大小對曲線進行變步距分割以將圖元擬合成可變步長的小直線段或圓弧段，其具體包括如下步驟:
[0037]①、判別圖形分解圖元的曲線類型；
[0038]②、獲得曲線曲率，根據圖元的曲線類型計算獲得圖元的曲率大小；如圖4所示顯示了曲率與曲線分割的關系，圖中小方點表示圖元的端點，端點排布密度與曲率大小成正t匕，即曲率越大，對曲線分割越密；曲率越小，對曲線分割越疏。
[0039]③、變步距分割，根據圖元的曲率大小將圖元擬合成可變步長的小直線段或圓弧段，使得加工后的型材工件不會在表面形成明顯的波紋刀痕，提高加工精度；其中，小直線段或圓弧段是對圖形分解后的圖元再進行可變步長分解，當圖形分解的圖元為曲線曲率越大的圓弧時，將圖元分割的步長就越小；當圖形分解的圖元為曲線曲率越小的圓弧時，將圖元分割的步長就越大；當圖形分解的圖元為直線時，將圖元分解的步長是均等的。
[0040](5)、對DXF文件圖形中的圖元軌跡進行分析，并獲得圖形中的圖元端點的矢量角及方向，采用基于矢量分析的補償類型判別方式對補償類型進行判別，再利用相應的補償類別算法進行刀具補償，得到最終待加工數據信息；其中，補償類型包括外補償和內補償，外補償為增加過渡圓弧的補償，內補償為通過兩相鄰圖元的交點進行過渡的補償；所述基于矢量分析的補償類型判別方法包括計算出兩條線段各自的方向矢量，其中，直線為其本身的方向矢量，圓弧則是其端點到圓心的方向矢量；然后對兩條線段的方向矢量進行比較；當方向矢量的差值滿足設定條件時，即可判定兩線段連接處為凹角，交點過渡法的使用條件為相連接的兩條線段所成的夾角為凹角。
[0041]當補償類型為外補償時，進行過渡圓弧參數計算，完成刀具補償后的DXF文件圖形對應的加工路徑，得到最終待加工數據信息；
[0042]當補償類型為內補償時，根據交點過渡法進行交點計算，完成刀具補償后的DXF文件圖形對應的加工路徑，得到最終待加工數據信息。
[0043](6)、生成G代碼，根據DXF文件圖形中的圖元軌跡的分析及進行刀具補償后得到最終待加工數據信息，獲取最終待加工數據信息對應的G代碼，對G代碼進行處理分析生成位置控制指令，完成對型材工件的加工。
[0044]綜上所述，本發明五軸聯動機床數控系統及其加工方法將DXF文件圖形對應的型材加工路徑經讀取、預處理、變步距分割、刀具補償處理后，得到最終待加工數據信息，并獲取最終待加工數據信息對應的G代碼，對G代碼進行處理分析生成位置控制指令，通過五軸聯動數控加工使得形狀曲線復雜的輕質型材工件能快速完成定型，解決對輕質型材進行高速高精多軸聯動多刀復合加工的需求。
[0045]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種五軸聯動機床數控系統，其特征在于:包括計算機、CNC控制裝置、伺服驅動裝置及機床，所述計算機內安置有CAM軟件模塊，所述計算機與CNC控制裝置連接，CNC控制裝置與伺服驅動裝置連接，伺服驅動裝置與機床連接；所述CAM軟件模塊發送信號給CNC控制裝置，CNC控制裝置對信號進行處理分析生成位置控制指令并發送給伺服驅動裝置，伺服驅動裝置根據位置控制指令驅動機床運行。
2.根據權利要求1所述的五軸聯動機床數控系統，其特征在于:所述機床包括一個Z方向的主行進軸及X、Y、A、B方向的四個刀具軸，其中X、Y方向的刀具軸一端分別安裝有銑刀刀具，A、B方向的刀具軸一端安裝有銑刀刀具或磨頭刀具。
3.根據權利要求2所述的五軸聯動機床數控系統，其特征在于:所述伺服驅動裝置分別與Z方向的主行進軸及X、Y、A、B方向的四個刀具軸對應設置。
4.根據權利要求1所述的五軸聯動機床數控系統，其特征在于:所述CAM軟件模塊包括文件讀取模塊、圖形預處理模塊、高速高精處理模塊、刀具補償模塊及代碼生成模塊，所述文件讀取模塊、圖形預處理模塊、高速高精處理模塊、刀具補償模塊、代碼生成模塊依次連接。
5.根據權利要求4所述的五軸聯動機床數控系統，其特征在于:還包括機床參數設定模塊及刀具參數設定模塊，所述機床參數設定模塊及刀具參數設定模塊置于文件讀取模塊與圖形預處理模塊之間，所述機床參數設定模塊預先對X、Y、A、B方向的四個刀具軸上安裝的刀具起點位置及限位位置進行設定，所述刀具參數設定模塊預先對X、Y、A、B方向的四個刀具軸上安裝的刀具尺寸范圍進行限定。
6.根據權利要求5所述的五軸聯動機床數控系統，其特征在于:所述圖形預處理模塊將DXF文件的圖形進行分解為多個直線段或圓弧段，其中，單個直線段或圓弧段構成基本圖元，然后對分解圖形的圖元進行排序；所述高速高精處理模塊對圖形預處理模塊分解圖形的圖元擬合成可變步長的直線段或圓弧段；所述刀具補償模塊對DXF文件圖形中的圖元軌跡進行刀具補償；所述的·代碼生成模塊讀取機床參數設定模塊及刀具參數設定模塊信息，再對機床參數設定模塊及刀具參數設定模塊信息的設定信息與刀具補償模塊生成的最終待加工數據信息進行處理，獲取G代碼。
7.根據權利要求1~6所述的五軸聯動機床數控系統的加工方法，其特征在于，包括如下步驟: 獲取DXF文件的數據信息； 對DXF文件的圖形進行預處理，將DXF文件的圖形分解為多個直線段或圓弧段，其中，單個直線段或圓弧段構成基本圖元；根據DXF文件圖形中圖元坐標變化趨勢，判斷圖形的圖元是否存在坐標變化趨勢相反的現象； 根據不同圖元的曲率大小將圖元擬合成可變步長的直線段或圓弧段； 對DXF文件圖形中的圖元軌跡進行分析，并獲得圖形中的圖元端點的矢量角及方向，采用基于矢量分析的補償類型判別方式對補償類型進行判別，再利用相應的補償類別算法進行刀具補償，得到最終待加工數據信息； 生成G代碼，根據DXF文件圖形中的圖元軌跡的分析及進行刀具補償后得到最終待加工數據信息，獲取最終待加工數據信息對應的G代碼。
8.根據權利要求7所述的五軸聯動機床數控系統的加工方法，其特征在于，所述對DXF文件的圖形進行預處理的步驟之前還包括: 預先對X、Y、A、B方向的四個刀具軸上安裝的刀具起點位置及限位位置、尺寸范圍進行設定。
9.根據權利要求7所述的五軸聯動機床數控系統的加工方法，其特征在于，所述對DXF文件的圖形進行預處理的步驟包括: ①、將DXF文件的圖形分解為多個直線段或圓弧段，其中，單個直線段或圓弧段構成基本圖元； ②、Z方向的主行進軸對應DXF文件圖形中的左側方向，根據DXF文件圖形中圖元在Z方向坐標變化趨勢,判斷基本圖元或相鄰圖元是否存在Z方向坐標變化趨勢相反的現象；若圖元在Z方向坐標變化趨勢相反,則對圖元進行標記； ③、判別圖形分解的圖元與刀具的對應關系，確定標記的圖元是通過X、A方向的刀具軸上安裝的刀具加工還是通過Y、B方向的刀具軸上安裝的刀具加工，并對分解的圖元進行排序； ④、對Z方向坐標變化趨勢相反的圖元進行計算,獲得變化趨勢相反時的圖元頂點，并以該頂點為分界點將圖元切分成兩個獨立線段后重新排序。
10.根據權利要求7所述的五軸聯動機床數控系統的加工方法，其特征在于，所述根據不同圖元的曲率大小將圖元擬合成可變步長的直線段或圓弧段的步驟包括: ①、判別圖形分解圖元的曲線類型； ②、獲得曲線曲率，根據圖元的曲線類型獲得圖元的曲率大小； ③、根據圖元的曲率大小將圖元擬合成可變步長的直線段或圓弧段； 其中，當圖形分解的圖元為曲線曲率越大的圓弧時，將圖元分割的步長就越小；當圖形分解的圖元為曲線曲率越小的圓弧時，將圖元分割的步長就越大；當圖形分解的圖元為直線時，將圖元分解的步長是均等的。
【文檔編號】G05B19/19GK103529751SQ201310522152
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月29日 優先權日:2013年10月29日
【發明者】胡戰虎, 鐘震宇, 黃東運, 雷歡, 盧杏堅, 吳亮生, 吳蜀予 申請人:廣東省自動化研究所