基于UG的五軸聯(lián)動機(jī)床后置處理器研究與實現(xiàn)*

梁蔓安，唐清春，黎家宏

(廣西工學(xué)院重型車輛零部件先進(jìn)設(shè)計制造教育部工程研究中心，廣西柳州 545006)

基于UG的五軸聯(lián)動機(jī)床后置處理器研究與實現(xiàn)*

梁蔓安，唐清春，黎家宏

(廣西工學(xué)院重型車輛零部件先進(jìn)設(shè)計制造教育部工程研究中心，廣西柳州 545006)

在UG前置處理輸出的刀位文件的基礎(chǔ)上，針對AC回轉(zhuǎn)工作臺式五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)，分析了后置處理中重要的機(jī)床運(yùn)動軌跡坐標(biāo)變換;就加工表面曲率變化較大時，旋轉(zhuǎn)自由度大幅擺動導(dǎo)致加工表面質(zhì)量下降的問題，提出了進(jìn)給速度修正的方法。并論述了數(shù)控系統(tǒng)SIEMENS 840D特有的鉆削循環(huán)類指令的后置處理方法。所開發(fā)出的后置處理程序的正確性通過在BV－100機(jī)床上某葉輪樣件的加工得到了驗證。

數(shù)控系統(tǒng);后置處理;速度調(diào)節(jié);UG

0 引言

后置處理是數(shù)控自動編程過程中一個重要組成部分。其主要任務(wù)是對前置處理中生成的刀位文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成特定數(shù)控系統(tǒng)能夠識別的控制指令。不同于三軸聯(lián)動機(jī)床，五軸聯(lián)動機(jī)床由于回轉(zhuǎn)工作臺或擺動主軸的加入，一方面導(dǎo)致機(jī)床結(jié)構(gòu)多樣，運(yùn)動軌跡坐標(biāo)變換算法不盡相同;另一方面，在加工表面曲率變化較大時，需要動態(tài)調(diào)整進(jìn)給速度以確保加工件表面質(zhì)量。此外對于不同的數(shù)控系統(tǒng)，一些特殊功能對應(yīng)的G、M代碼的意義和格式存在差異。隨著五軸聯(lián)動機(jī)床的國產(chǎn)化，迫切需要開發(fā)出與機(jī)床結(jié)構(gòu)、加工對象和配套系統(tǒng)相適應(yīng)的后置處理軟件。本文在UG輸出的刀位文件基礎(chǔ)上，對配以SIEMENS 840D系統(tǒng)的AC轉(zhuǎn)動工作臺式數(shù)控機(jī)床的后置處理進(jìn)行了研究和開發(fā)。

1 機(jī)床運(yùn)動軌跡求解

UG的前置處理是依據(jù)三維造型，利用輔助編程功能將加工時相對于工件坐標(biāo)系的刀具位置軌跡和其它數(shù)控操作信息輸出至刀位文件中，此文件語法遵循APT格式。其中最重要的刀具位置，在五軸機(jī)床中需要通過刀心坐標(biāo)和刀軸矢量聯(lián)合描述Pw(x，y，z，i，j，k)。后置處理最重要的任務(wù)則是依據(jù)具體機(jī)床結(jié)構(gòu)，通過相應(yīng)的坐標(biāo)變換，將刀具位置轉(zhuǎn)換成為機(jī)床坐標(biāo)系下由五個相互獨(dú)立驅(qū)動軸控制的運(yùn)動坐標(biāo) Pm(X，Y，Z，A，B，C)，并選擇合適的插補(bǔ)方式構(gòu)成這些坐標(biāo)間的運(yùn)動進(jìn)給指令。

AC回轉(zhuǎn)工作臺式數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖1，在直角三坐標(biāo)平移自由度的基礎(chǔ)上，工件可以通過回轉(zhuǎn)工作臺C繞Z軸自由獨(dú)立旋轉(zhuǎn)C角;通過回轉(zhuǎn)工作臺A自由獨(dú)立擺動A角。兩旋轉(zhuǎn)軸線垂直相交。機(jī)床運(yùn)動坐標(biāo)的求解思路:首先是通過坐標(biāo)平移，使工件坐標(biāo)系平移距離d后，原點(diǎn)與機(jī)床運(yùn)動坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，接著利用兩回轉(zhuǎn)工作臺的旋轉(zhuǎn)完成如圖2的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn):回轉(zhuǎn)臺C旋轉(zhuǎn)角度C，使刀軸矢量繞Z軸轉(zhuǎn)到Y(jié)Z平面內(nèi)，再利用回轉(zhuǎn)臺A旋轉(zhuǎn)角度A，使刀軸矢量繞X軸最終轉(zhuǎn)至與Z軸正方向一致［1］。則旋轉(zhuǎn)角度C、A與刀軸矢量的關(guān)系:

將刀位文件中的Pw依次通過上述坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為機(jī)床運(yùn)動坐標(biāo)Pm，并結(jié)合上下文中的RAPID、CIRCLE等關(guān)鍵字，即可生成NC代碼中主要的運(yùn)動位置控制類指令，如G00、G02等。

2 進(jìn)給速度的修正

進(jìn)給速度是數(shù)控加工切削用量中的一個重要參數(shù)，直接影響到加工表面質(zhì)量。數(shù)控代碼中的進(jìn)給速度指的是各軸的伺服控制速度，而伺服控制速度以對應(yīng)軸的位移合成來確定［2］。雖然理論上端銑加工時多軸控制下的刀具切削點(diǎn)相對于工件的實際進(jìn)給距離是和刀位文件中連續(xù)刀心之間的距離保持一致的。但在加工一些表面曲率變化較大的工件時，曲率較大處旋轉(zhuǎn)自由度的大幅擺動而刀心的微小移動容易在切削處留下刀口狀切痕，使局部粗糙度增大。因此有必要在后置處理中依據(jù)加工表面曲率變化對數(shù)控代碼中的進(jìn)給速度進(jìn)行修正。

在多軸聯(lián)數(shù)控系統(tǒng)中，對運(yùn)動加工進(jìn)給速度的控制指令G94有效時，數(shù)控代碼段中的F值被定義為進(jìn)給速度，即:

而在UG的前置處理中依據(jù)加工工藝要求在FEDRAT關(guān)鍵字給出的進(jìn)給速度f是沒有考慮旋轉(zhuǎn)自由度的。若直接效仿三軸聯(lián)動的后置處理，則:

為了避免上述因旋轉(zhuǎn)自由度大幅擺動導(dǎo)致的表面粗糙度增大，當(dāng)前一些較新的數(shù)控系統(tǒng)普遍采用擴(kuò)展線位移的方法，即把旋轉(zhuǎn)自由度的位移也等同于平移自由度位移看待，一起計入合成位移之中［3］。則:

式中的λ是根據(jù)走刀軌跡曲率變化程度確定的修正系數(shù)。此時的多軸聯(lián)動加工NC程序中的F代表的是單位時間內(nèi)產(chǎn)生的當(dāng)量位移。

因此，考慮旋轉(zhuǎn)自由度的影響，在依據(jù)加工工藝要求選擇f的基礎(chǔ)上，對NC程序中F進(jìn)行修正:

需要注意的是:在某些NC程序段，當(dāng)在工件坐標(biāo)系中兩個連續(xù)刀位點(diǎn)的刀心坐標(biāo)不變，僅刀軸矢量發(fā)生變化時，由上式修正后得到的進(jìn)給速度F趨于無窮大，超出實際數(shù)控系統(tǒng)允許的進(jìn)給速度指令的極限值。對此NC程序段相應(yīng)的進(jìn)給速度F需要設(shè)定一個極限值 Fmax。

3 鉆削循環(huán)后置處理

由于各數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床廠家提供功能的多樣性等原因，仍有大量未做統(tǒng)一規(guī)定的代碼在各數(shù)控機(jī)床上根據(jù)需要自行定制。常用的鉆削循環(huán)，在FANUC和SIEMENS系統(tǒng)中的代碼就不盡相同，并且由于加工工藝的變化，隨后的加工參數(shù)也存在較大差異。因此需要在后置處理中根據(jù)具體的數(shù)控系統(tǒng)，將刀位文件中的相應(yīng)代碼轉(zhuǎn)換成為系統(tǒng)能夠識別的NC程序。

SIEMENS 840D系統(tǒng)提供的鉆削固定循環(huán)指令CYCLE81～CYCLE89是一類鉆削工藝子程序，借助它可以有效實現(xiàn)各類孔系的復(fù)雜鉆削加工過程［4］。

其中多次進(jìn)刀、帶退刀排屑功能的深孔鉆削加工(指令CYCLE83)工藝過程如圖3。與其相對應(yīng)的在UG前置處理輸出的深孔鉆削刀位文件格式:

圖3 深孔鉆削工藝過程

表1列出了840D系統(tǒng)CYCLE83指令的參數(shù)和與之對應(yīng)的UG刀位文件關(guān)鍵字的工藝要求。

表1 CYCLE83參數(shù)對應(yīng)關(guān)系

(續(xù)表)

后置處理程序需要在處理CYCLE/DRILL，DEEP關(guān)鍵字時，選擇CYCLE83指令，并依據(jù)各工藝參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，完成指令后參數(shù)的變換。結(jié)果如下:

4 結(jié)束語

基于上述五軸聯(lián)動機(jī)床后置處理方法的研究，以UG前置處理輸出的刀位文件為輸入，在Visual C++環(huán)境下開發(fā)了以SIEMENS 840D為數(shù)控系統(tǒng)、具有AC回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機(jī)床的后置處理軟件。

在BV-100數(shù)控機(jī)床上加工某葉輪樣件以驗證后置處理算法的正確性，如圖4。經(jīng)檢測，工件表面粗糙度分布不均的現(xiàn)象得到了有效改善，證實了進(jìn)給速度修正的可行性。開發(fā)的后置處理軟件具有較好的生產(chǎn)應(yīng)用價值。

圖4 加工的葉輪樣件

［1］劉雄偉，等.數(shù)控加工理論與編程技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］周瑞紅，成群林，穆英娟，等.基于Pro/E的多軸聯(lián)動數(shù)控加工進(jìn)給速度控制技術(shù)研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009(1):123－125.

［3］唐清春，吳漢夫.葉片五坐標(biāo)聯(lián)動加工后置處理開發(fā)及應(yīng)用［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2009，51(6):475－477.

［4］西門子Sinumerk 840D循環(huán)編程手冊［M］.SIEMENS公司，2008.

［5］王宏蓮.Sinumerk 802D孔加工固定循環(huán)后置處理分析與開發(fā)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009(10):157－159.

(編輯 李秀敏)

Research and Im plement of Post Processing on Five-Axis Machine Based on UG

LIANG Man-an，TANG Qing-chun，LIJia-hong

(Engineering Research Center of Advanced Design and Manufacture of Heavy-duty Vehicle Components，Guangxi University of Technology，Guangxi Liuzhou 545006，China)

Based on cutter location file generated by UG Pre-Processing,five-axis machine equipped w ith AC rotary workbench is objective,coordinate transformation ofmachine trajectory which is the major part ofpost processing is analyzed.Feed rate rectification is proposed to avoid surface quality decline due to rotary degree sw inging when process surface curvature changing greatly.Post processing of instructions ofdrilling cycle on SIEMENS 840D CNC system is discussed.Post processing program is developed and validated on BV-100 machine w ith an example process on a impellermodel.

CNC system;post processing;velocity regulation;UG

TP391

A

1001－2265(2011)06－0017－03

2010－11－08

廣西教育廳科研資助項目(200908LX178);廣西科技廳科技攻關(guān)項目(桂科攻0992002－6)

梁蔓安(1978—)，男，南寧人，廣西工學(xué)院碩士，講師，主要研究領(lǐng)域為機(jī)電一體化設(shè)計，(E－mail)manan_liang@163.com。