五轴联动机床数控系统及其加工方法
【专利摘要】本发明公开了一种五轴联动机床数控系统及其加工方法，其包括计算机、CNC控制装置、伺服驱动装置及机床，计算机内安置有CAM软件模块，计算机与CNC控制装置连接，CNC控制装置与伺服驱动装置连接，伺服驱动装置与机床连接；CAM软件模块发送信号给CNC控制装置，CNC控制装置对信号进行处理分析生成位置控制指令并发送给伺服驱动装置，伺服驱动装置根据位置控制指令驱动机床运行。本发明将DXF文件图形对应的型材加工路径经读取、预处理、变步距分割、刀具补偿处理后，得到最终待加工数据信息，并获取最终待加工数据信息对应的G代码，对G代码进行处理分析生成位置控制指令，解决对轻质型材进行高速高精多轴联动多刀复合加工的需求。
【专利说明】五轴联动机床数控系统及其加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械数控加工制造【技术领域】，尤其是涉及一种五轴联动机床数控系统及其加工方法。
【背景技术】
[0002]随着航空航天，造船，汽车，能源、冶金等工业的发展，多轴联动数控加工技术正广泛地运用于高精密复杂曲面薄壁零件的加工中。在多轴联动数控加工处理过程中，可以根据零件几何形状和工艺参数合理规划出加工刀路，并生成相应刀位轨迹文件。该文件需要经过后置处理转换成为数控加工程序，才能驱动机床加工。
[0003]与传统的三轴联动数控加工相比，五轴联动数控加工可以显著提高加工效率、增强刀具可达性和缩短刀具长度，为复杂零件的加工提供了有效的手段。国内研究五轴刀具路径规划主要是从九十年代末开始的，大多集中在通过优化刀具的位置和倾斜角来提高材料去除率和消除局部干涉等方面，从八十年代初期，研究领域涉及到了刀具路径规划的各个方面。
[0004]另外，在轻质型材生产中，一些形状曲线复杂的轻质型材部件的加工需要涉及到铣削、抛磨等多道加工工序，且加工效率和加工精度不高，而目前国内对轻质型材加工方是大多采用单刀加工技术，一个轻质型材工件定型加工往往需要多道工序；同时由于加工五轴联动数控加工设备以非标设备为主，设备生产厂商需要根据客户需求进行定制化开发，简单的集成满足不了企业生产的要求。
【发明内容】
[0005]基于此，有必要针对现有技术的不足，提供一种五轴联动机床数控系统及其加工方法，通过五轴联动数控加工使得形状曲线复杂的轻质型材工件能快速完成定型，解决对轻质型材进行高速高精多轴联动多刀复合加工的需求。
[0006]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种五轴联动机床数控系统包括计算机、CNC控制装置、伺服驱动装置及机床，所述计算机内安置有CAM软件模块，所述计算机与CNC控制装置连接，CNC控制装置与伺服驱动装置连接，伺服驱动装置与机床连接；所述CAM软件模块发送信号给CNC控制装置，CNC控制装置对信号进行处理分析生成位置控制指令并发送给伺服驱动装置，伺服驱动装置根据位置控制指令驱动机床运行
[0007]一种五轴联动机床数控系统的加工方法，其包括如下步骤:
[0008]获取DXF文件的数据信息；
[0009]对DXF文件的图形进行预处理，将DXF文件的图形分解为多个直线段或圆弧段，其中，单个直线段或圆弧构成基本图元；根据DXF文件图形中图元坐标变化趋势，判断图形的图元是否存在坐标变化趋势相反的现象；
[0010]根据不同图元的曲率大小将图元拟合成可变步长的直线段或圆弧段；
[0011]对DXF文件图形中的图元轨迹进行分析，并获得图形中的图元端点的矢量角及方向，采用基于矢量分析的补偿类型判别方式对补偿类型进行判别，再利用相应的补偿类别算法进行刀具补偿，得到最终待加工数据信息；
[0012]生成G代码，根据DXF文件图形中的图元轨迹的分析及进行刀具补偿后得到最终待加工数据信息，获取最终待加工数据信息对应的G代码。
[0013]综上所述，本发明五轴联动机床数控系统及其加工方法将DXF文件图形对应的型材加工路径经读取、预处理、变步距分割、刀具补偿处理后，得到最终待加工数据信息，并获取最终待加工数据信息对应的G代码，对G代码进行处理分析生成位置控制指令，通过五轴联动数控加工使得形状曲线复杂的轻质型材工件能快速完成定型，解决对轻质型材进行高速高精多轴联动多刀复合加工的需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明五轴联动机床数控系统的结构原理图；
[0015]图2为图1所示本发明五轴联动机床数控系统的机床的结构原理图；
[0016]图3为图1所示本发明五轴联动机床数控系统的CAM软件模块的原理方框图；
[0017]图4为DXF文件图形中图元的曲率与曲线分割的关系。
【具体实施方式】
[0018]为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述。
[0019]如图1所示，本发明五轴联动机床数控系统为以华中数控HNC_210B、FUNUC数控等为代表的机床控制系统，主要包括计算机、CNC控制装置、伺服驱动装置及机床，所述计算机内安置有CAM软件模块，所述计算机与CNC控制装置连接，CNC控制装置与伺服驱动装置连接，伺服驱动装置与机床连接。
[0020]如图2所示,所述机床包括一个Z方向的主行进轴及X、Y、A、B方向的四个刀具轴，其中X、Y方向的刀具轴一端分别安装有铣刀刀具，Α、Β方向的刀具轴一端安装有铣刀刀具，Α、B方向的刀具轴一端也可以安装有磨头刀具，以与X、Y方向的安装有铣刀刀具的刀具轴共同进行铣磨复合加工。
[0021]所述伺服驱动装置分别与Z方向的主行进轴及X、Y、Α、B方向的四个刀具轴对应设置，主要包括X轴伺服驱动器及X轴电机、Y轴伺服驱动器及Y轴电机、A轴伺服驱动器及A轴电机、B轴伺服驱动器及B轴电机、Z轴进给伺服驱动器及Z轴电机，X轴伺服驱动器及X轴电机带动X方向的刀具轴运行，Y轴伺服驱动器及Y轴电机带动Y方向的刀具轴运行，A轴伺服驱动器及A轴电机带动A方向的刀具轴运行，B轴伺服驱动器及B轴电机带动B方向的刀具轴运行，Z轴进给伺服驱动器及Z轴电机带动Z方向的主行进轴运行。
[0022]如图3所示，所述CAM软件模块包括文件读取模块、图形预处理模块、高速高精处理模块、刀具补偿模块、代码生成模块、机床参数设定模块及刀具参数设定模块。所述文件读取模块、图形预处理模块、高速高精处理模块、刀具补偿模块、代码生成模块依次连接，所述机床参数设定模块及刀具参数设定模块置于文件读取模块与图形预处理模块之间，所述机床参数设定模块预先对X、Y、Α、B方向的四个刀具轴上安装的刀具起点位置及限位位置进行设定，所述刀具参数设定模块预先对X、Y、Α、B方向的四个刀具轴上安装的刀具尺寸范围进行限定。
[0023]所述文件读取模块为DXF文件读取模块，采用dxflib库进行DXF文件的数据提取；所述图形预处理模块对DXF文件的图形进行分解为多个直线段或圆弧段，单个直线段或圆弧构成基本图元，然后对分解图形的图元进行排序；所述Z方向的主行进轴对应DXF文件图形中的左侧方向，所述图形预处理模块根据DXF文件图形中图元在Z方向坐标变化趋势，判断基本图元或相邻图元是否存在Z方向坐标变化趋势相反的现象，若存在Z方向坐标变化趋势相反的现象，则获取Z方向坐标变化趋势相反时的图元顶点，并以该顶点为分界点将图形切分成两个独立线段后重新排序。
[0024]所述高速高精处理模块对图形预处理模块分解图形的图元拟合成可变步长的小直线段或圆弧段，使得加工后的型材工件不会在表面形成明显的波纹刀痕，提高加工精度。
[0025]所述刀具补偿模块对DXF文件图形中的图元轨迹进行分析，并获得图形中的图元衔接点的矢量角及方向，刀具补偿模块先获得图元对应的两条线段的方向矢量，其中，直线为其本身的方向矢量，圆弧则是其端点到圆心的方向矢量；然后刀具补偿模块对两条线段的方向矢量进行比较判别补偿类型后，再利用相应的圆弧补偿算法进行刀具补偿，所述刀具补偿模块将进行刀具补偿处理后的最终待加工数据信息发送给代码生成模块，其中，最终待加工数据包括DXF文件图形的图元对应的各段加工路径及相应的规划速度等信息。
[0026]所述的代码生成模块读取机床参数设定模块及刀具参数设定模块信息，再对机床参数设定模块及刀具参数设定模块信息的设定信息与刀具补偿模块生成的最终待加工数据信息进行处理，获取数控加工系统所需的G代码，代码生成模块将G代码以以太网、RS485或USB等通讯方式传送到CNC控制装置，CNC控制装置对G代码进行处理分析生成位置控制指令并发送给伺服驱动装置，伺服驱动装置根据位置控制指令驱动机床按要求运行。
[0027]本发明五轴联动机床数控系统的加工方法，具体包括如下步骤:
[0028](I )、获取DXF文件的数据信息，文件读取模块采用dxflib库对DXF文件的数据进行提取；
[0029](2)、预先对X、Y、A、B方向的四个刀具轴上安装的刀具起点位置及限位位置、尺寸范围进行设定，机床参数设定模块及刀具参数设定模块置于文件读取模块与图形预处理模块之间，所述机床参数设定模块预先对X、Y、A、B方向的四个刀具轴上安装的刀具起点位置及限位位置进行设定，所述刀具参数设定模块预先对X、Y、A、B方向的四个刀具轴上安装的刀具尺寸范围进行限定；
[0030](3)、对DXF文件的图形进行预处理，其具体包括如下步骤:
[0031]①、将DXF文件的图形分解为多个直线段或圆弧段，其中，单个直线段或圆弧段构成基本图元；
[0032]②、Z方向的主行进轴对应DXF文件图形中的左侧方向，根据DXF文件图形中图元在Z方向坐标变化趋势,判断基本图元或相邻图元是否存在Z方向坐标变化趋势相反的现象；若图元在Z方向坐标变化趋势相反,则对图元进行标记；
[0033]③、判别图形分解的图元与刀具的对应关系，确定标记的图元是通过X、A方向的刀具轴上安装的刀具加工还是通过Y、B方向的刀具轴上安装的刀具加工，并对分解的图元进行排序；
[0034]④、对Z方向坐标变化趋势相反的图元进行计算,获得变化趋势相反时的图元顶点，并以该顶点为分界点将图元切分成两个独立线段后重新排序；
[0035]⑤、侦测图形中Z方向坐标变化趋势相反的位置并发送信号给Z方向的主行进轴，以控制Z方向的主行进轴作后退动作。
[0036](4)、根据不同图元的曲率大小对曲线进行变步距分割以将图元拟合成可变步长的小直线段或圆弧段，其具体包括如下步骤:
[0037]①、判别图形分解图元的曲线类型；
[0038]②、获得曲线曲率，根据图元的曲线类型计算获得图元的曲率大小；如图4所示显示了曲率与曲线分割的关系，图中小方点表示图元的端点，端点排布密度与曲率大小成正t匕，即曲率越大，对曲线分割越密；曲率越小，对曲线分割越疏。
[0039]③、变步距分割，根据图元的曲率大小将图元拟合成可变步长的小直线段或圆弧段，使得加工后的型材工件不会在表面形成明显的波纹刀痕，提高加工精度；其中，小直线段或圆弧段是对图形分解后的图元再进行可变步长分解，当图形分解的图元为曲线曲率越大的圆弧时，将图元分割的步长就越小；当图形分解的图元为曲线曲率越小的圆弧时，将图元分割的步长就越大；当图形分解的图元为直线时，将图元分解的步长是均等的。
[0040](5)、对DXF文件图形中的图元轨迹进行分析，并获得图形中的图元端点的矢量角及方向，采用基于矢量分析的补偿类型判别方式对补偿类型进行判别，再利用相应的补偿类别算法进行刀具补偿，得到最终待加工数据信息；其中，补偿类型包括外补偿和内补偿，外补偿为增加过渡圆弧的补偿，内补偿为通过两相邻图元的交点进行过渡的补偿；所述基于矢量分析的补偿类型判别方法包括计算出两条线段各自的方向矢量，其中，直线为其本身的方向矢量，圆弧则是其端点到圆心的方向矢量；然后对两条线段的方向矢量进行比较；当方向矢量的差值满足设定条件时，即可判定两线段连接处为凹角，交点过渡法的使用条件为相连接的两条线段所成的夹角为凹角。
[0041]当补偿类型为外补偿时，进行过渡圆弧参数计算，完成刀具补偿后的DXF文件图形对应的加工路径，得到最终待加工数据信息；
[0042]当补偿类型为内补偿时，根据交点过渡法进行交点计算，完成刀具补偿后的DXF文件图形对应的加工路径，得到最终待加工数据信息。
[0043](6)、生成G代码，根据DXF文件图形中的图元轨迹的分析及进行刀具补偿后得到最终待加工数据信息，获取最终待加工数据信息对应的G代码，对G代码进行处理分析生成位置控制指令，完成对型材工件的加工。
[0044]综上所述，本发明五轴联动机床数控系统及其加工方法将DXF文件图形对应的型材加工路径经读取、预处理、变步距分割、刀具补偿处理后，得到最终待加工数据信息，并获取最终待加工数据信息对应的G代码，对G代码进行处理分析生成位置控制指令，通过五轴联动数控加工使得形状曲线复杂的轻质型材工件能快速完成定型，解决对轻质型材进行高速高精多轴联动多刀复合加工的需求。
[0045]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种五轴联动机床数控系统，其特征在于:包括计算机、CNC控制装置、伺服驱动装置及机床，所述计算机内安置有CAM软件模块，所述计算机与CNC控制装置连接，CNC控制装置与伺服驱动装置连接，伺服驱动装置与机床连接；所述CAM软件模块发送信号给CNC控制装置，CNC控制装置对信号进行处理分析生成位置控制指令并发送给伺服驱动装置，伺服驱动装置根据位置控制指令驱动机床运行。
2.根据权利要求1所述的五轴联动机床数控系统，其特征在于:所述机床包括一个Z方向的主行进轴及X、Y、A、B方向的四个刀具轴，其中X、Y方向的刀具轴一端分别安装有铣刀刀具，A、B方向的刀具轴一端安装有铣刀刀具或磨头刀具。
3.根据权利要求2所述的五轴联动机床数控系统，其特征在于:所述伺服驱动装置分别与Z方向的主行进轴及X、Y、A、B方向的四个刀具轴对应设置。
4.根据权利要求1所述的五轴联动机床数控系统，其特征在于:所述CAM软件模块包括文件读取模块、图形预处理模块、高速高精处理模块、刀具补偿模块及代码生成模块，所述文件读取模块、图形预处理模块、高速高精处理模块、刀具补偿模块、代码生成模块依次连接。
5.根据权利要求4所述的五轴联动机床数控系统，其特征在于:还包括机床参数设定模块及刀具参数设定模块，所述机床参数设定模块及刀具参数设定模块置于文件读取模块与图形预处理模块之间，所述机床参数设定模块预先对X、Y、A、B方向的四个刀具轴上安装的刀具起点位置及限位位置进行设定，所述刀具参数设定模块预先对X、Y、A、B方向的四个刀具轴上安装的刀具尺寸范围进行限定。
6.根据权利要求5所述的五轴联动机床数控系统，其特征在于:所述图形预处理模块将DXF文件的图形进行分解为多个直线段或圆弧段，其中，单个直线段或圆弧段构成基本图元，然后对分解图形的图元进行排序；所述高速高精处理模块对图形预处理模块分解图形的图元拟合成可变步长的直线段或圆弧段；所述刀具补偿模块对DXF文件图形中的图元轨迹进行刀具补偿；所述的·代码生成模块读取机床参数设定模块及刀具参数设定模块信息，再对机床参数设定模块及刀具参数设定模块信息的设定信息与刀具补偿模块生成的最终待加工数据信息进行处理，获取G代码。
7.根据权利要求1~6所述的五轴联动机床数控系统的加工方法，其特征在于，包括如下步骤: 获取DXF文件的数据信息； 对DXF文件的图形进行预处理，将DXF文件的图形分解为多个直线段或圆弧段，其中，单个直线段或圆弧段构成基本图元；根据DXF文件图形中图元坐标变化趋势，判断图形的图元是否存在坐标变化趋势相反的现象； 根据不同图元的曲率大小将图元拟合成可变步长的直线段或圆弧段； 对DXF文件图形中的图元轨迹进行分析，并获得图形中的图元端点的矢量角及方向，采用基于矢量分析的补偿类型判别方式对补偿类型进行判别，再利用相应的补偿类别算法进行刀具补偿，得到最终待加工数据信息； 生成G代码，根据DXF文件图形中的图元轨迹的分析及进行刀具补偿后得到最终待加工数据信息，获取最终待加工数据信息对应的G代码。
8.根据权利要求7所述的五轴联动机床数控系统的加工方法，其特征在于，所述对DXF文件的图形进行预处理的步骤之前还包括: 预先对X、Y、A、B方向的四个刀具轴上安装的刀具起点位置及限位位置、尺寸范围进行设定。
9.根据权利要求7所述的五轴联动机床数控系统的加工方法，其特征在于，所述对DXF文件的图形进行预处理的步骤包括: ①、将DXF文件的图形分解为多个直线段或圆弧段，其中，单个直线段或圆弧段构成基本图元； ②、Z方向的主行进轴对应DXF文件图形中的左侧方向，根据DXF文件图形中图元在Z方向坐标变化趋势,判断基本图元或相邻图元是否存在Z方向坐标变化趋势相反的现象；若图元在Z方向坐标变化趋势相反,则对图元进行标记； ③、判别图形分解的图元与刀具的对应关系，确定标记的图元是通过X、A方向的刀具轴上安装的刀具加工还是通过Y、B方向的刀具轴上安装的刀具加工，并对分解的图元进行排序； ④、对Z方向坐标变化趋势相反的图元进行计算,获得变化趋势相反时的图元顶点，并以该顶点为分界点将图元切分成两个独立线段后重新排序。
10.根据权利要求7所述的五轴联动机床数控系统的加工方法，其特征在于，所述根据不同图元的曲率大小将图元拟合成可变步长的直线段或圆弧段的步骤包括: ①、判别图形分解图元的曲线类型； ②、获得曲线曲率，根据图元的曲线类型获得图元的曲率大小； ③、根据图元的曲率大小将图元拟合成可变步长的直线段或圆弧段； 其中，当图形分解的图元为曲线曲率越大的圆弧时，将图元分割的步长就越小；当图形分解的图元为曲线曲率越小的圆弧时，将图元分割的步长就越大；当图形分解的图元为直线时，将图元分解的步长是均等的。
【文档编号】G05B19/19GK103529751SQ201310522152
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月29日 优先权日:2013年10月29日
【发明者】胡战虎, 钟震宇, 黄东运, 雷欢, 卢杏坚, 吴亮生, 吴蜀予 申请人:广东省自动化研究所