运动模型五轴机床金属零件分析

摘要：课题组主要针对性地分析各种五轴数控机床的结构，目的在于构建一个通用型的五轴机床机构学模型，以机构学理论为基础，利用齐次坐标变换矩阵的方式，实现对五轴机床的结构函数设置。结果表明，对通用运动模型的五轴机床金属零件后置处理，能够确保相关模型在金属零件的实际运行过程中，保持着较高的运行稳定性。

关键词：通用运动模型；五轴机床；金属零件；后置处理

课题组所分析的五轴机床金属零件后置处理方式，是建立在运动学从技术上的研究方案，使得进行后置处理的过程中，往往要基于特定的机床处理，通过单独开发的方式，有效解决传统设计模式下所出现通用性较差的问题。其次，针对性地处理机床结构参数，可以保障五轴后置处理过程中，其程序保持着较高的运行稳定性。

1五轴数控加工

在五轴数控加工过程中，往往需要计算机辅助制造技术的使用，同时保障数控编程系统可以稳定地运行下去。现阶段，在具体加工过程中，需要充分保障可以实现复杂曲面五轴加工，采用上述方式处理的过程中，关键环节是计算分析机床的运行情况。本质上要能够基于实际的机床结构，以及在各个轴之间的运动情况，将工作坐标系当中的各种内容，例如将刀具方向矢量，以及在刀具中心位置的矢量刀位数据，实现全面的转化，在这样处理的过程中，相应确定出一个科学合理的运动坐标。其次，在五轴数控机床的种类上，由于内部结构较为复杂，同时机床的结构设计上也存在着差异性，在计算分析过程中，就要使用到多种不同类型的变换计算关系，这样无法在一个空间坐标变化当中实现统一处理。在相关五轴机床金属零件后置结构处理过程中，基本上可以分为旋转型、工作台旋转型以及混合型的结构类型。但是，在后置处理程序的分析中，基本上都是分析机床结构，因此就使得需要将机床结构当中的运动关系进行分析。在过去的研究中，提出了三个平动轴与两个旋转轴相结合的方式，这样的五轴机床模型，可以实现这类型机床的统一变化矩阵形式。

2五轴数控机床的运动求解

利用五轴数控机床加工，是有效将大型与一些异型复杂的金属零件进行高效率、高质量加工的重要方式。其中，五轴数控机床已经成为了我国在船舶、模具以及医疗器械等诸多方面的主要加工设备。因此，为了保障这种五轴数控机床可以在运行的过程中，发挥出真正的作用，就要保障对其开展针对性的计算机辅助编程工作，以此设计出一个完善的CAM系统，并进行设计、加工以及自动化的处理。该系统可以在运行的过程中，有效地提升加工的整体精度以及加工的质量。此外，这样的设计方式下，也相应地缩短了加工流程的周期。特别是在处理的过程中，可以很好地提升金属零件加工整体质量。在现阶段研究的过程中，一些有关CAD与CAM软件的厂家，提出了相应后置处理的相关技术与理论研究成果。但是，由于软件在通用后置处理的环节，所采用的程序需要利用人工方式调整数据信息，导致会对CAM模块造成直接的影响。进行金属零件后置处理分析的过程中，需要明确转角计算公式、坐标转换计算公式以及刀位数据点细化计算公式。在利用数控机床机构对金属零件进行加工的过程中，为了便于实现对金属零件的后置处理，工作人员首先就要基于金属零件的种类构建数控机床运动模型，特别是在刀具与工件加工的过程中，其形成的相对运动关系形成的数学模型，被认为是一系列运动下运动副与关节之间的运行关联。在五轴数控机床金属零件后置当中，往往存在着大量的运动副和移动副，因此，为了保障后置处理程序得到顺利的研发，就要能够系统性地分析机床。

3运动学变换矩阵

在数控机床的机构运动学模型构建下，往往是一种对数控机床在数控加工的过程中，可以有效地让其刀具与工件之间，构建出一个运动关系下的数学模型。对于任何结构而言，在运行的过程中，往往都会被认为是一种运动副与关节构成的运动。特别是对于五轴机床金属零件加工的过程而言，在机床运行的过程中，往往需要对其关节连接的任意位置进行针对性的分析，这样才可以在实际的处理过程中，实现良好的处理效果。

4通用后置处理

4.1通用五轴机床运动链与形状函数

进行分析的过程中，需要结合三种五轴机床的结构特征，构架出三个平动轴以及两个旋转轴方面的五轴机床模型。首先需要将其固定到第一与第二的旋转轴，以此尽可能靠近机床上的轴；而在第二旋转轴上，则需要保障在第一旋转轴运动之后，能够进行相应的旋转运动。为了更加准确控制金属零件的实际方向，准确判断金属零件中心点位置，就需要利用坐标系的方式开展关联性分析。在确定工件坐标系以及刀具坐标系的过程当中，有关人员首先需要保障处理好金属零件的各种结构关系。例如，在处理的过程中，明确刀具端与工件端上实际的旋转轴。而在五轴机床金属零件线性运动分析的过程中，则可以将其分解为多个线性的移动过程。而在之后为了便于编程处理，就要保障五轴机床的旋转轴在初始的状态，并且实现对实际位置的判断以及计算[1]。

4.2逆向运动学求解

在这个环节的分析中，有关人员需要对刀具的实际方向矢量，以及刀具中心位置、与工作台之间的具置关系进行判断。在详细分析的过程中，刀具坐标系为主要的判断依据。刀具当中的坐标系，需要始终与坐标轴的设计方向保持着良好的一致性。首先，为了能够驱动这种类型的数控机床运动，就要能够让到位点数据，有效地转变为这种机床类型当中的运动量。其次，还要保障生成的数控，可以有效地做出相应的指令。在得到了一个刀位数据之后，就可以基于逆向的运动方式，实现相关运动量的处理。在这样的齐次坐标转变的过程中，并不会对其造成直接的影响[2]。首先，为了保障机床可以进行运动的变换，就需要记忆实际的机床运行机构，建出一个具体的坐标系，使工件坐标的运动关系可以得到综合性的分析。其次，基于运动关系的方式，可以在前置刀位文件的提供下，在刀具的坐标系当中，对其刀轴矢量、刀位转化等诸多的方面，进行工件坐标系当中的实际刀轴矢量以及刀位的处理分析。这样的分析模式下，可以很好地将其分解在机床的不同运动轴当中。因此，在后续分析的过程中，就可以十分有效地保障为其运动转变过程提供一个良好的运动量，相应地生成了数控加工的实际运动指令。另外，在驱动数控机床的运行中，还要严格地基于预先设计出的导轨轨迹，进行详细的加工处理，特别是需要保障运动关系的分析中，能够基于坐标轴，在其回零状态下对其运动的结构进行良好的处理。但是需要注意的是，一旦运动结构并不相同，就会导致运动的变化计算方式也会出现一定的问题。

5奇异与超程问题处理

在后置处理系统的设计过程中，为了能够提升高级修正的功能性，就需要做好奇异问题的修正。首先，在设计过程中，有关人员需要以双转台为基础，对刀轴经过奇异域进而导致旋转轴角度受到影响的问题，进行针对性的分析与调整。现阶段采用的求解方式，就是需要避免这样的问题出现，以此避免刀轴受到直接的影响。其次，在退刀点超程问题旋转修正的时候，就是采取一种利用逆解的方式，有效对其旋转轴的角度值进行相应的判断与分析。一旦退刀点出现问题，就可以通过有效旋转轴运动量，修正相关问题，这样就可以有效解决各种类型的超程问题。最后，则是需要相应地修正处理平动轴。这样的修正方式，是一种针对五轴机床金属零件的三轴加工处理方式。一旦在平动轴出现超程的现象，或者在相应条件满足的情况下，就可以采用修正的方式实现对构件的处理[3]。

5.1奇异问题

五轴机床的内部结构设计中，虽然在引入了两旋转轴之后，可以吸纳复杂曲面的加工处理工作，但是也相应地在运行中引入了奇异问题，因此就需要针对性地修正奇异问题。在刀轴矢量与机床奇异轴保持平行的关系，这个时候就使得需要实际模型，采用逆解的方式计算分析，以便能够优化处理结构。在一些刀位点修正过程中，例如，在两组逆解当中，存在着可以旋转的超程，就要保障进行旋转修正的时候，可以发挥出相应的作用，特别是对于一般后置处理的系统当中，要保障可以有效实现针对性的处理工作。

5.2退刀点超程修正

很多学者均针对经常出现的超程问题进行分析，发现上述问题都是由于未对机床设计进行系统性的分析所导致的，受其影响，修正过程的效率也会明显下降[4]。在本课题组分析中，进行相应的超程修正处理，明确出一些刀位点的实际位置，以避免将退刀点当作计算的对象。

5.3超程平动轴修正

当下，在五轴加工的过程中，其平动轴超程问题的出现，就是一种由于在退刀距离的控制中，出现严重的平动轴的超程，进而使得系统当中的干涉检测模块受到直接的影响。例如，退刀的实际距离无法得到控制，就会导致刀轴在运行的情况下，无法进行针对性的修正处理。其次，分析的过程中，只有明确检测模块的科学合理性，才能够保障高速高效实现针对性的调整。

6试验与验证

在上述的分析过程中，得出数控机床可以通过数学模型的构建方式，构建出一个力学结构分析方式。但是，在实际的分析中，还需相关工作人员进一步的验证分析，得出优化方式的科学合理性。在验证过程中，首先需要利用UG产生叶轮刀位数据文件，以及利用数控加工仿真软件，对其结构进行数控机床的定义与造型。在这样的分析模式下，往往需要充分利用运动学的相关模型，保障对其刀位文件数据信息进行针对性的变换处理。其次，在仿真加工的时候，则可以有效地基于假设的运动变换模型，保障数据信息处理的科学合理性[5]。

6.1后置处理程序开发

在分析过程中，需要使用UG编程方式，对其模型进行刀路轨迹判断的分析。虽然已经进行了后置方面的处理，但是还需要将其传送到机床上进行切削处理，才能够深入分析。当下所形成的处理方式，能够在处理过程中，全面提升处理的整体效果。特别在分析中所采用的是基于BC型的双转台的设计方式，以此就可以在后续仿真试验中，得到相应的处理效果。

6.2软件实现

为了保障设计方式在加工过程中的效率与准确性，就要能够以实际的模型为基础，使用QT与C++的方式，开发出一个五轴机床金属零件后置处理程序，并相应地利用简单的机床结构参数，保障后置处理的程序使用上，可以很好地对其刀位数据进行针对性的转换[6]。现阶段，在输入特定机床的数控代码之后，可以有效地保障后置处理程序，很好将数控代码进行相应的转变。只有针对性地处理，才可以实现系统性的分析。在实际加工生产中，通过这种对后置处理程序的优化处理，可以很好地实现片叶轮的加工。此外，在加工处理过程中，还需要结合各种技术基础，能够在计算机程序的加持下，全面提升处理效率和准确性。在这样的刀位数据处理的过程中，也相应地保障了后置处理转换的过程，保障通用后置处理过程中有着较高的处理准确性[7]。需要注意的是，还需要利用开发之后的通用处理转换，将其转变为五轴机床金属零件后置处理代码。特别是在处理过程中，要能够最大程度证明这样通用后置处理的过程中有着较高的可靠性[8]。

7总结

综上所述，课题组基于运动形式复杂的BC型双转台，进行相应的五轴数控机床运动方面的详细求解分析，通过对其系统的优化处理，这样在进行加工处理的环节，可以很好地提升加工的整体精度。在面对一些运动形式较为复杂的数控机床，则需要先确定出机床后置处理过程中的计算公式，这样在之后进行精度分析，以此充分的保障在这样的设计逻辑下，可以全面的提升相关模型的可靠性与精确性。只有进行相应的处理，才可以进一步的保障处理的每一个环节，都可以结合起相关出现的一些问题，进行针对性的评估处理，提升加工的精度。

参考文献：

[1]史兵兵,孙树杰.飞行中的机载系统显示功能模型研究[D].天津：中国民航大学，2020.

[2]栾京.基于OSG三维可视化的仿真运动模型通用显示技术[D].长沙：国防科技大学，2017.

[3]陈文明.数控机械加工效率优化措施研究[J].南方农机，2020，51(12)：167-168.

[4]段舒文，林浒，郑飂默.五轴数控系统旋转运动学通用建模及处理方法[J].组合机床与自动化加工技术，2014(8)：53-55.

[5]宿华龙，王广福，王刚.五轴加工中心在复杂精密零件制造中的应用[J].中国新技术新产品，2017(18)：50-51.

[6]王胜，周明安，巫少龙，等.一种五轴曲面在线质量检测与优化实验平台设计[J].机床与液压，2021，49(6)：86-89.

[7]黄有根.试论数控技术在机械制造行业中的应用[J].南方农机，2016，47(12)：125+130.

[8]刘奇.五轴联动数控加工后置处理技术及高速切削仿真技术的研究[D].南京：南京理工大学，2014.

作者：赵纪国 范海峰 单位：郑州科技学院