应用于多轴机床的加工倾斜平面的程序生成方法及设备与流程

本发明为一种多轴机床的程序生成方法及设备，由指一种应用于多轴机床的加工倾斜平面的程序生成方法及设备。

背景技术：

在当前制造工程中，五轴cnc机床越来越多地用于加工工业。五轴cnc机床是指一种具有三个正交轴和多个旋转轴的cnc机床，该机床利用主轴使切削刀具旋转以从工件中移除材料；然后再利用旋转轴使工件能以一定角度倾斜，以进行倾斜平面加工或动态地重新定向切削刀具来执行复杂的多轴切削加工。然而，由于自由度的增加伴随着工件设置和工件编程的复杂性的提高，这两者对于传统加工操作都是重大的挑战。

五轴cnc机床的实用性有明显上升的趋势，可归因于两类主要的加工应用。第一个主要应用是制造复杂的几何形状，要求精确控制刀具或工件的姿态，以完成复杂的空间几何形状的加工。此应用通常是针对复杂的曲面，使用具有不同主轴偏摆角度的轮廓路径加工。五轴加工的第二个主要应用是制造需要在多个平面上加工的三轴或四轴工件，通过使用五轴cnc机床可以减少误差并提高效率。与传统的三轴或四轴加工相比，优势在于操作者无需执行多个设置，重新建立刀具或工件原点偏移设置，并且在受到三轴或四轴机床限制的情况下，为每个加工工序中建立多个工件程序。这种应用通常被称为在倾斜平面上的五轴加工，为五轴cnc机床的主要应用需求。

虽然前述倾斜平面上的五轴加工基本上是在各种工件平面上的三轴加工，但实际上工序流程有着显著的不同。对于五轴倾斜平面加工，由于需要控制额外的自由度，且机床台的种类及实际机构的设计亦有所不同，造成加工程序中的位置指令和相对坐标系转换的复杂性大幅增加。

举例来说，在传统三轴cnc加工机对于加工路径的设定中，只要参考点及刀具的实际作用位置相同，同样的程序可以应用于不同的机床上，并得到相同的加工结果；但使用五轴cnc加工机来加工在路径上具有倾斜平面的路径时，由于牵涉到参考坐标系的转换，且坐标系的转换又牵涉到机台本身的尺寸或种类，因此同样轮廓路径的程序应用于不同的机床上时，可能会得到不同的加工形状，甚至因为五轴cnc加工机的种类不同而无法读取。

因此，五轴cnc机床所执行的工件程序大多需要通过额外的计算机设备，而由专门对应实际运用的机床的cad(计算机辅助设计)和cam(计算机辅助制造)软件生成，而不同于传统三轴cnc加工机的工件编程通常可以直接于机床上通过手动或是控制系统内建的对话式编辑器来完成编程，使得五轴cnc机床难以直接于机台上实时修改加工编程。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种应用于多轴机床的加工倾斜平面的程序生成方法及设备，实现让使用者能在不需要仰赖外部设备(外部cad/cam系统)的条件下，直接通过在机床生成用于加工倾斜平面的程序。

本发明提供的技术方案如下：

本发明提供一种加工倾斜平面的多轴机床的程序生成方法，包括步骤：

获取步骤，获取第一参考平面及第二参考平面的方向特征；

计算步骤，通过坐标转换获取所述第一参考平面的方向特征与所述第二参考平面的方向特征之间的坐标转换参数；

测试步骤，根据所述坐标转换参数控制机床的刀具与工作台进行测试运动，并且确定所述测试运动是否可进行所述测试运动用于测试刀具与工作台之间相对位置和方向；

处理步骤，当所述测试运动可进行时，将所述坐标转换参数添加至应用于所述机床的加工程序中，从而生成组合程序，根据所述组合程序对所述第一参考平面进行工件定位并和加工后，继续对所述第二参考平面进行加工，使得所述机床加工多个不同方向特征的平面。

为达到所述目的，本发明加工倾斜平面的多轴机床的程序生成方法，使机床生成能够加工具有多个不同的方向特征平面所需的程序，在所述获取步骤中，获取第一参考平面及第二参考平面的方向特征；然后在计算步骤中，通过坐标转换获取所述第一参考平面的方向特征与所述第二参考平面的方向特征之间的坐标转换参数；更详细的说，是通过矩阵运算获取所述坐标转换参数。在所述测试步骤中，根据所述坐标转换参数让所述机床的主轴及工作台进行测试运动，并且确定所述测试运动是否可进行；以避免数学上有解，但实际机床做不到的问题。最后在处理步骤中，将添加至应用于所述机床的加工程序中从而生成组合程序，使所述机床能根据所述组合程序对所述第一参考平面进行加工后，继续对所述第二参考平面进行加工，使得所述机床加工多个不同方向特征的平面。

进一步的，所述第一参考平面的方向特征通过预设的方式生成；所述第二参考平面的方向特征通过检测定位件的位置的传感器生成多个位置参数后，根据多个所述位置参数生成。

其中，预设平面特征在不同实施例中可为水平面的平面特征或可由所述机床的运动轴的方向来决定；该定位件在不同实施例中可以为刀具的边缘或是尖端、又或是探针，亦可以是用以夹持并移动加工件的工作台；所述传感器在不同实施例中可以通过检测所述定位件的位置或是运动方式来生成所述位置参数。

进一步的，所述第一参考平面的方向特征及所述第二参考平面的方向特征是由通过3d模型获取。

进一步的，所述获取步骤还包括：获取所述机床的主轴与所述第二参考平面之间的夹角。

其中，获取所述机床的主轴与所述第二参考平面之间的夹角，以便使刀具尖端的旋转中心不与加工件接触而影响加工。

本发明还提供一种加工倾斜平面的多轴机床，包括：具有三个不同方向的直线轴、两个旋转轴，以及通过直线轴和旋转轴带动而进行相对运动的工作台及刀具；还包括：

获取模块，用于获取第一参考平面及第二参考平面的方向特征；

计算模块，通过坐标转换获取所述第一参考平面的方向特征与所述第二参考平面的方向特征之间的坐标转换参数；

处理模块，将所述坐标转换参数添加至应用于所述机床的加工程序中，从而生成组合程序，根据所述组合程序对所述第一参考平面进行加工后，继续对所述第二参考平面进行加工，使得所述机床加工多个不同方向特征的平面；

其中，所述计算模块计算出所述坐标转换参数后，所述程序执行模块根据所述坐标转换参数控制机床的刀具与工作台进行测试运动，确定所述测试运动可进行后，才触发所述处理模块生成所述组合程序；所述测试运动用于测试刀具与工作台之间相对位置和方向。

进一步的，所述获取模块包括：检测定位件的位置的传感器；所述第一参考平面的方向特征通过预设的方式生成；所述第二参考平面的方向特征通过检测定位件的位置的传感器生成多个位置参数后，根据多个所述位置参数生成。

其中，第一参考平面的方向特征通过预设的方式生成，但是并没有限制生成所述第一参考平面的方向特征的装置种类。

进一步的，所述获取模块包括：用于输入3d模型的模型读取装置，以及用于获取所述第一参考平面的方向特征及所述第二参考平面的方向特征的3d模型。

进一步的，所述机床包括：用于在虚拟空间中显示所述第一参考平面及所述第二参考平面之间的空间关系的对话式操作界面。

在虚拟空间中显示所述第一参考平面及所述第二参考平面之间的空间关系的对话式操作界面。能够方便使用者能直接观察到所述第一参考平面及所述第二参考平面之间的空间关系。

通过本发明提供的一种应用于多轴机床的加工倾斜平面的程序生成方法及设备，能够带来以下至少一种有益效果：由以上说明可知，本发明的次要目的在于提供一种用于加工倾斜平面的多轴机床，让使用者能在不需要仰赖的条件下，直接通过在机床生成应用于倾斜平面加工的程序。

本发明的特点在于，让使用者能在不需要仰赖外部cad/cam系统条件下，就能直接通过机床生成能够加工多个倾斜面的程序。通过将多个倾斜平面各自设置为具有位置、方向独立的工作坐标系，使得在编码时，只要知道于该倾斜平面上的坐标参考点位置以及于该倾斜平面上的加工路径，即可通过坐标转换参数在该平面上使用类似一般在水平面加工时的输入参数进行路径设定；并且生成坐标转换参数后，机床还会实际测试是否能在所述坐标转换参数所转换出来的坐标平面上进行运动，确保该坐标转换参数能实际进行运用。使cnc机床能确实的根据该坐标转换参数及加工该倾斜平面的加工指令，自动地通过机器人运动学计算来重新定位实际的工件或切削刀具的加工控制，以便执行每个倾斜平面上的加工，轻易地完成五轴倾斜平面工件的加工程序。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种应用于多轴机床的加工倾斜平面的程序生成方法及设备的所述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为本发明加工倾斜平面的多轴机床的硬件示意图；

图2为图1工具的硬件方块示意图；

图3为本发明加工倾斜平面的多轴机床的程序生成方法的功能流程图；

图4为图3的实施例中，通过手动操作机床执行获取步骤的界面说明示意图；

图5为图3的实施例中，如何通过对话式操作界面生成坐标转换参数的说明示意图；

图6为图3的实施例中，管理坐标转换参数的管理界面示意图；

图7为图3的实施例中，管理动作程序的界面示意图。

图8为图3的实施例中，通过输入参数执行获取步骤的界面说明示意图；

图9为图3的实施例中，通过3d模型执行获取步骤的界面说明示意图。

附图标号说明：

10---机床，11---工作头部，111---刀具，112---s轴驱动马达，112a---主轴，113---x轴驱动马达，113a---x轴，114---z轴驱动马达，114a---z轴，115---b轴驱动马达，115a---b轴；12---工作台，121---c轴驱动马达，121a---c轴，122---a轴驱动马达，122a---a轴，123---y轴驱动马达，123a---y轴，13---第一旋转台，14---第二旋转台；20---获取模块，201---传感器，202---参数输入单元，2021---手动寸动输入(jog)，2022---手动脉冲生成器(mpg)，203---外部输入单元，21---计算模块，22---处理模块，23---储存模块，231---倾斜平面资料库，232---区域程序储存器，24---程序执行模块，241---区域程序执行单元，242---运动控制硬件界面；30---加工件，40---第一参考平面，41--第二参考平面，50---坐标转换参数，60---组合程序，61---第一程序，62---第二程序，620---动作程序，70---对话式操作界面，701---手动操作输入模式，702---参数输入模式，703---3d模型输入模式，71---倾斜平面设定界面，72---3d模型可视化界面，73---对话式程序编辑界面，74---g代码编辑界面，75---管理界面。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

根据本发明提供的一种实施例，如图1所示，一种应用于多轴机床的加工倾斜平面的程序生成方法，包括：

请参照图1至图3所示，本发明所提供的加工倾斜平面的多轴机床10，通过执行本发明所提供的加工倾斜平面的多轴机床10的程序生成方法来加工加工件30，在较佳实施例中，所述机床10包括工作头部11、用于固定所述加工件30的工作台12、用于执行所述程序生成方法的获取模块20、计算模块21、处理模块22、储存模块23以及程序执行模块24。

如图1所示，在本实施例中，所述工作头部11装设有刀具111，所述刀具111受到s轴驱动马达112带动，从而在主轴112a上进行旋转以加工所述加工件30，所述工作头部11受到x轴驱动马达113、z轴驱动马达114及b轴驱动马达115(图1未示)带动，从而在使所述刀具111在平行于地面的x轴113a及垂直于地面的z轴114a上运动、并且在b轴115a上进行旋转。

关于所述工作台12，在本实施例中，所述工作台12具有受到c轴驱动马达121带动，从而在c轴121a上旋转的第一旋转台13，所述第一旋转台13连接受到a轴驱动马达122带动，从而在垂直于所述c轴121a的a轴112a上旋转的第二旋转台14，且所述第二旋转台14还受到y轴驱动马达123带动，从而在同时垂直于所述z轴114a及所述x轴113a的y轴123a上做直线运动，使得固定在所述工作台12的所述加工件30与所述刀具111之间能在6个自由度上进行相对运动。

请参考图3所示，所述获取模块20用于获取应用于加工的第一参考平面40及应用于加工第二参考平面41的特征信息，所述特征信息包括位于参考点位置以及用以对应于该参考平面的方向特征；在硬件上，所述获取模块20包括多个检测定位件的位置的传感器201，供使用者输入参数资料的参数输入单元202，以及用于接收外部电子装置所生成的资料的外部输入单元203。

在不同的实施例中，所述定位件可为安装在所述工作头部11的刀具111或是探针，通过检测所述刀具111或所述探针与所述加工件30接触的边缘或是尖端位置来获取多个位置坐标；或可为所述工作台12，根据所述工作台12移动所述加工件30时的位置来获取所述位置坐标而获取多个位置参数，以便之后根据所述多个位置参数定位出定义所述第一参考平面40、第二参考平面41的所述参考点及所述方向特征；其中，所述传感器201可以是安装于各轴上的反馈编码器，用于检测所述定位件在移动后的位置来获取所述多个位置参数，也可以是检测各轴上的所述定位件的动作变化量来获取所述多个位置参数。所述参数输入单元202可为设置在所述机床10的键盘及鼠标，所述外部输入单元203可为连接usb或是网络的接口，以作为3d模型的模型读取装置。

所述计算模块21，用于在获取所述第一参考平面40的方向特征与所述第二参考平面41的方向特征后，所述计算模块21通过坐标转换来获取所述第一参考平面40的方向特征与所述第二参考平面41的方向特征之间的坐标转换参数50。

所述处理模块22，用于将所述坐标转换参数50加入应用于所述机床10将要去执行的加工程序而生成组合程序60，使所述机床10根据所述组合程序60加工具有多个不同方向特征的平面。

关于所述机床10及所述程序生成方法的具体作动流程，请参考图2所示，本发明所提供的机床10在实施例中，可以利用三种不同的方式获取所述第一参考平面40及所述第二参考平面41的平面特征，分别为：手动实际的操作所述机床10的主轴112a或是工作台12、手动直接输入参数以及通过3d模型档案等三种方式来获取，以下将分别叙述所述三种方式的实际作动流程。2021

在本实施例中通过手动实际的操作所述机床10的主轴112a或是工作台12获取所述方向特征的方式，请参考图1至图5所示，首先，执行所述获取步骤：在所述获取步骤中，操作人员先将所述加工件30设置于所述工作台12上，并且所述对话式操作界面70的倾斜平面设定界面71的对话式程序编辑界面73上选择手动操作输入模式701，然后通过如图5中作为所述参数输入单元202的手动寸动输入(jog)2021或手动脉冲生成器(mpg)2022来操作所述机床10，即使用手选择按压手动寸动输入(jog)2021的操作按键，或者通过手摇转的方式进行操作手动脉冲生成器(mpg)2022，让所述工作台12及所述刀具111产生相对移动，并让安装于所述主轴112a上的刀具111或探针接触所述加工件30，然后让所述机床10读取安装于所述机床10上的所述传感器201的反馈，将物理信号转换对应实际的坐标位置的多个所述位置参数，最后通过多个所述位置参数定义出所述第一参考平面40及所述第二参考平面41及其方向特征，然后通过所述对话式操作界面70中的3d模型可视化界面72显示在与所述机床10连接的荧幕上，让使用者能在所述荧幕上显示虚拟空间中的所述第一参考平面40及所述第二参考平面41之间的空间关系，并将所述方向特征传送至所述计算模块21。

然后，如图4、图5所示，所述计算模块21获取所述第一参考平面40及所述第二参考平面41的方向特征后，通过矩阵运算进行坐标转换计算而获取所述第一参考平面40的方向特征与所述第二参考平面41的方向特征之间的坐标转换参数50，并通过所述对话式操作界面70中的3d模型可视化界面72将结果显示出来。

举例来说，如图5所示，假设第一参考平面40与第二参考平面41之间的相对关系可以通过描述第二参考平面41相对于第一参考平面40，是第一参考平面40在z轴，新的x轴和新的z轴的进行系列的旋转而得。那么只要通过z1、新的x和新的z轴的三个角度i、j、k与x、y、z中的平移相结合，就可以由所述第一参考平面40的特征来描述所述第二参考平面41。在本实施例中，当g代码进行编程时，通常用倾斜的工作平面命令“g68.2x_y_z_i_j_k_”的形式表示(可参照图7)。这意味着任何各轴后续的命令都将由机床10的cnc系统对倾斜的工作平面命令为所指定的新坐标系。

其中，所述储存模块23能将所述坐标转换参数50储存起来储存于所述储存模块23中所建立的倾斜平面资料库231中，将对应不同的倾斜平面的所述坐标转换参数50以不同的id进行区分的方式进行分类，供后续运用时能快速获取适用于该第一参考平面40及该第二参考平面41之间关系的所述坐标转换参数50。

之后，所述处理模块22读取所述坐标转换参数50，然后利用对话式程序编辑界面73或是g代码编辑界面74的其中一种，来将应用在所述机床10的加工程序(例如g代码)中加入所述坐标转换参数50从而生成组合程序60，并储存于所述储存模块23的区域程序储存器232中，让所述机床10能通过所述程序执行模块24的区域程序执行单元241(g代码解释器/编辑器/动作核心)在读取所述组合程序60后，通过所述程序执行模块24的运动控制硬件界面242分别去控制所述x轴驱动马达113，y轴驱动马达123、z轴驱动马达114、a轴驱动马达122、b轴驱动马达115、c轴伺服马达121。使所述机床10能依照所述组合程序60加工具有多个不同方向特征的平面；其中，在本实施例中，所述区域程序储存器232还连接输入/输出装置(例如所述网络的接口)，能将所述组合程序60输入/输出至其他的装置中。

其中，在所述计算步骤及所述处理步骤之间包括测试步骤；在所述测试步骤中，所述机床10将根据所述坐标转换参数50，使所述刀具111及所述工作台12进行测试运动，以确认是否能在所述第二参考平面41上进行加工，并且确认所述测试运动可进行后才进行所述处理步骤。

其中，关于所述组合程序60的详细内容，请参考图7所示，在本实施例中，所述组合程序60可以在所述g代码编辑界面74进行编辑，其中，所述组合程序60包括使所述机床10在所述第一参考平面40运动的第一程序61(图7中程序的前半的部分)及使所述机床10在所述第二参考平面41运动的第二程序62(图7中程序的后半的部分)，且所述第二程序62包括在最前面的所述坐标转换参数50，以及后续使所述机床10的所述刀具111及所述加工件30相对于参考点和所述第二参考平面41上进行相对运动的动作程序620。

为了在图7中方便插入所述坐标转换参数50，如图8所示，所述对话式操作界面70具有管理界面75，让使用者能以该所述管理界面75根据所述id进行管理；其中，于该管理界面75中，除了直接以数字及id显示所述坐标转换参数50的种类外，所述管理界面75一样包括所述3d模型可视化界面72，以便预览显示出呈现所述第一参考平面40及所述第二参考平面41相互之间在空间中关系的3d视图。

最后关于所述手动直接输入参数或是通过3d模型档案来获取所述第一参考平面40及所述第二参考平面41的方向特征的方式，请参考图8及图9所示。

如图8所示，当操作者决定通过手动直接输入参数来生成所述第一参考平面40及所述第二参考平面41的方向特征时，启动所述倾斜平面设定界面71的参数输入模式702，如图8所示，在该模式中，可以利三个点来定义平面，或者两个线来定义两个轴。一旦输入了必要的坐标数据，cad引擎将绘制可以通过撷取另一个原点或方位的映射转换，来执行进一步的配置；且输入后，一样能通过所述3d模型可视化界面72预览显示所述第一参考平面40及所述第二参考平面41之间的空间关系。在定义了所述第一参考平面40及所述第二参考平面41后，一样可以将结果保存于所述储存模块23中。至于所述机床10使用本方法在后续流程中是如何利用生成出来的所述第一参考平面40及所述第二参考平面41去生成所述坐标转换参数50，以及如何进行后续加工的部分，由于前述段落已说明，在此就不加以赘述。

最后，关于通过3d模型档案获取所述第一参考平面40及所述参考平面的方向特征时，请参考图9所示，首先，启动所述倾斜平面设定界面71的3d模型输入模式703，然后通过所述输入装置获取预先建立的3d档案(在本实施例中可为step或是iges档)，然后再通过所述输入装置(可为鼠标或是触摸荧幕)点选所述3d模型而设置出所述第一参考平面40。之后，通过所述输入装置在所述3d模型上选择其他的点、轴或平面来选择设置所述第二参考平面41，并将结果通过所述3d模型可视化界面72显示在所述荧幕处以进行验证。一样，当定义了所述第一参考平面40及所述第二参考平面41后，可以将其保存到所述储存模块23中储存，且同样的，所述机床10使用本方法在后续流程中是如何生成所述坐标转换参数50，以及如何进行后续加工的部份，由于前述段落已说明，在此就不加以赘述。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。所述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

应当说明的是，所述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。