维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年 ９月 郑州大学学报（工学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｓｅｐ． ２００２ Ｖｏ１．２３ Ｎｏ．３ 第２３卷 第３期 文章编号：１６７１—６８３３（２００２）０３—００６４—０３ 螺旋锥齿轮数控加工中的后置处理 卢晓勇，侯伯杰，蒋文兵，郑 鹏 （郑州大学机械工程学院，河南郑州４５０００２） 摘要：通过分析螺旋锥齿轮数控加工机床机构，建立了五轴数控加工机床模型，根据前置处理生成的 刀位文件（刀心坐标和刀轴矢量），利用普通数控机床的后置处理原理，推导出了螺旋锥齿轮后置处理公 式，得到了机床角度分配和刀心在机床坐标系中的位置，从而为从刀具轨迹到数控代码生成提供了方 法． 关键词：螺旋锥齿轮；数控；后置处理 中图分类号：ＴＧ ６１ 文献标识码：Ａ 数控机床的所有运动和操作都是执行数控指 令的结果，完成一个零件的数控加工一般需要执 行一连串的数控指令，即数控程序．数控程序的获 得有两种途径：手工编程和自动编程．手工编程是 文件为输入源，经过后置处理工具对刀位文件进 行解释，生成宏寄存器变量表，然后调用相应的宏 过程来完成不同类型的转换关系．后置处理流程 图如图１所示． 根据零件的加工要求与所选数控机床的数控指令 集编写数控程序，直接输入数控机床的数控系统． 这种方法对于简单二维零件的数控加工是非常有 效的，但对于复杂零件，特别像锥齿轮之类的无法 用解析式表达的齿面则显得束手无策．自动编程 方法则不同，经过刀具轨迹计算产生的是刀位文 件（ＣＬ），而不是数控程序，因此，这时需要设法将 刀位文件转换成指定数控机床能执行的数控程 序，再经过通信输入到数控机床的数控系统，才能 进行零件的数控加工． 图ｌ后置处理流程ｌ璺Ｉ Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｓｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ 在数控自动程序编制语言的处理程序中，将 我们在利用计算机计算复杂零件刀具轨迹 时，采用的是工件坐标系（即工件不动，刀具相对 前置处理中生成的刀位轨迹变换为数控机床运动 的数控程序或处理数控机床的特殊功能的部分称 为后置处理 ｌ Ｊ．后置处理是复杂零件计算机辅助 刀位设计和实际机械加工之间的一条连接枢纽， 于工件运动），而在实际加工中使用的是机床坐标 系（即工件运动）．因此，我们在利用计算机生成刀 具运动数据加工文件时，必须进行坐标变换（工件 也是ＣＡＤ／ＣＡＭ一体化过程中不可缺少的组成部 分．本文推导了螺旋锥齿轮数控加工中的后置处 理公式，给出了机床各坐标轴的运动参数，为自动 编程提供了理论依据． 坐标系——机床坐标系）．在本课题中，研究了螺 旋锥齿轮五轴数控加工，该机床结构如图２所示． 机床有三个直线运动轴（Ｘ，Ｙ，Ｚ）和两个回转运 动轴（Ａ，Ｂ）（如采用连续分齿法或螺旋成型法等 需主轴分度，控制加工方法，则刀盘回转轴ｃ是 伺服轴），通过五坐标的联动实现了螺旋锥齿轮的 切齿加工． １ 后置处理算法原理 后置处理是一个指令编译的过程，它以刀位 收稿日期：２００２—０３—０２；修订日期：２００２—０６一ｌ０ 基金项目：河南省自然科学基金资助项目（００４０５３１００） 作者简介：卢晓勇（１９７４一），男，江苏省南通市人，郑州大学硕士研究生，主要从事ＣＡＤ／ＣＡＭ方面的研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 卢晓勇等螺旋锥齿轮数控加工中的后置处理 ６５ 图２螺旋锥齿轮数控切齿机床示意图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｓｐｉｒａｌ ｂｅｖｅｌ ｇｅａｒ ２五坐标联动后置处理算法 根据螺旋锥齿轮加工原理ｌ２ｊ，要在如图２所 示数控机床上加工出锥齿轮，只需保证铣刀盘与 螺旋锥齿轮之间的相对运动不变，就可完成锥齿 轮的加工，为此需进行坐标变换，即将刀具相对于 工件的运动变换到机床中去．设工件坐标系为∑ ＝｛０ 一ｉ ，Ｌ，ｋ ｝，工件可绕坐标轴 转动Ａ 角，绕坐标轴ｙ转动曰角；机床运动坐标系为∑ ＝｛０ 一ｉ ， ，ｋ ｝，０ ０ ＝ｄ；刀心Ｃ０在工件坐 标系中的位置为（ ｃ。，ｙｃ０， ０），刀轴矢量 （单位 矢量）在工件坐标系中为（ ， ， ）．为了变换 方便，建立辅助坐标系∑ ＝｛０ 一ｉ ， ，ｋ ｝与床身 固连，其坐标轴ｉ 与齿轮轴线Ｐ重合，坐标轴 与坐标系∑ 的 轴重合，如图３所示．以上过程 即要根据刀心坐标（ ｃ。，ｙｃ。， 。）、刀轴矢量 和 两坐标系原点的距离ｄ来求解加工机床的坐标值 Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｂ． 图３工件坐标系和机床坐标系 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｏｆ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ａｎｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ 经刀位的计算产生的刀位数据是在工件坐标 系中数据 ．要将这些数据转化为Ｎｃ数据，需要 进行下面的变换．工件坐标系中的刀位转化成数 控加工程序段中的ＮＣ数据，除了对刀位点做坐 标平移变换，还需使刀轴矢量转到与刀具轴线同 向的位置．也就是将图３中工件坐标系∑ 中刀 具相对于工件的位置和姿态，转换为下列参数：① 刀盘中心０ 在机床坐标系中的位置；②工件的 旋转角Ａ；③工件和刀尖平面之间的夹角曰． 为了计算方便，将刀轴矢量规格化为单位矢 量，并移到工件坐标原点，如图４所示．在图３中 刀具轴线垂直于平面 ｏｊ ，为了使刀轴矢量与 刀具轴线平行，需将工件坐标系∑ 绕轴ｉ 逆时 针转动ａ角到∑ 位置，再将工件坐标系∑ 绕 轴逆时针转 角．由转动过程可得Ａ＝ａ，Ｂ＝ ． 其中Ａ，曰的计算公式如下： Ａ＝ａｒｃｔｇ（ ／√ ＋ ） （ ＜０）； （１） Ｂ＝ａｒｃｔｇ（ ／ ） （ ＞０， ＞０）． （２） 接下来求出刀心Ｃ。经工件旋转后在机床坐 标系中的位置∑ ＝｛０ 一ｉ ， ，ｋ ｝，即机床运 动坐标值 ，ｙ，ｚ． ‘ ｒＪ ／ － －……………… ｘ／Ｔ 图４机床角度分配 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ 将工件坐标系平移到机床坐标系的变换矩阵为 １ ０ Ｔｌ＝ （３） ０ ｄ・ｓｉｎＢ 将工件坐标系绕 轴旋转Ａ角的变换矩阵为 ｌ ０ ０ ０ ０ ＣＯＳＡ 一ｓｉｎＡ ０ Ｔ２： （４） ０ ｓｉｎＡ ｃｏｓＡ ０ ０ ０ ０ ｌ 维普资讯 http://www.cqvip.com ６６ 郑州大学学报（工学版） ２００２正 宏过程＝｛计算旋转角度Ａ，计算旋转角度 Ｂ，计算新刀心位置｛Ｘ，Ｙ，Ｚ｝，输出一个数据程序 块． ，：ｌ 一 Ｂ ：Ｂ ：Ｉ． ｃ５ ：Ｊ ０ ０ ３ 结束语 本文针对螺旋锥齿轮数控加工机床结构，利 用普通数控加工机床后置处理原理，推导出了螺 旋锥齿轮后置处理公式，得到机床角度分配和刀 心在机床坐标系中的位置．为数控编程提供了相 应的数学依据，并为今后有效地实现ＣＡＤ／ＣＡＭ 的一体化提供了一种可行方法． ｒ ｍ＝ 。。 。 Ｂ一 。 ｉ“Ｂ＋ｄｓｉｎＢ； 参考文献： ［１］ 刘雄伟．数控加工理论与编程技术［Ｍ］．北京：机械 工业出版社，２０００． ｛ ＩＺ Ｘｍ＝ ０，Ｃ：ｓ —ｉ 。ｎ ＢＡｃｏ＋ｓＡ ｙ ０ｉｎｃ ｓ ＋ｉｎ 。Ａ ： ； ｃ８ ０ｃｏｓＡｃｏｓＢ＋ｄｃｏｓＢ ［２］ 曾 韬．螺旋锥齿轮设计与加工［Ｍ］．哈尔滨：哈尔 滨工业大学出版社，１９８９． ［３］李吉平，刘华明，任秉银．多轴数控加工相关数学模 型的建立及应用［Ｊ］．机械设计与制造，２０００，１３７（１）： ４３—４４． 根据以上五坐标变换关系，我们就可以利用 处理工具，方便地设计出螺旋锥齿轮数控加工的 后置处理程序． 例如我们已有如下的刀位信息：刀心位置 （ｚ，Ｙ， ），刀轴矢量（ ， ， ）．后置处理工具将 调用多轴数控加工宏定义来处理这一信息［ ， 那么该宏定义如下： ［４］ 周 兵，钱德沛．ＹＫ７１６３磨齿机数控系统的实现 ［Ｊ］．郑州工业大学学报，１９９７，１８（１）：１１１—１１４． ［５］ 李晶晶，侯伯杰，卢晓勇．数控加工计算机仿真软件 的设计［Ｊ］．郑州工业大学学报，２００１，２２（４）：９０—９２． Ｔｈｅ Ｐｏｓｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ＮＣ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｆｏｒ Ｓｐｉｒａｌ Ｂｅｖｅｌ Ｇｅａｒ ＬＵ Ｘｉａｏ—ｙｏｎｇ，Ｈ０Ｕ Ｂｏ—ｊｉｅ，ＪＩＡＮＧ Ｗｅｎ—ｂｉｎｇ，ＺＨＥＮＧ Ｐｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｓｐｉｒａｌ ｂｅｖｅｌ ｇｅａｒｓ，ａｎｄ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ｍａｔｈｅ— ｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆｉｖｅ—ａｘｉｓ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｃｕｔｔｅｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｆｉｌｅｓ ｏｆ ｃｕｔｔｅｒ ｃｅｎｔｅｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ａｎｄ ｃｕｔｔｅｒ ｓｈａｆｔ ｖｅｃｔｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅ—ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｓｔ—ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｐｌａｉｎ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｄｕｃｅｓ ｏｕｔ ｐｏｓｔ—ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒｍｕｌａｓ ｏｆ ＮＣ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ ｆｏｒ ｓｐｉｒａｌ ｂｅｖｅｌ ｇｅａｒｓ，ａｎｄ ｄｅｒｉｖｅｓ ａｎｇｌｅ ｄｉｓｔｉｌ— ｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｕｔｔｅｒ ｃｅｎｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｃｕｔｔｅｒ ｐａｔｈ ｔｏ ＮＣ ｃｏｄｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐｉｒａｌ ｂｅｖｅｌ ｇｅａｒ；ＮＣ；ｐｏｓｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
