基于UG軟件的五軸數(shù)控加工后置處理研究

冉啟軍 張玉峰

(貴州航天烏江機電設(shè)備有限責(zé)任公司，貴州遵義563003)

本文結(jié)合公司使用過的高精度五軸萬能鏜銑床UPC800的加工經(jīng)驗，對五軸加工中的一些關(guān)鍵問題進行了分析與研究。此舉有助于掌握相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)、提高先進制造技術(shù)理論水平，還有利于在實際生產(chǎn)中更好地發(fā)揮多軸機床加工后置處理，供同行們參考。

1 五軸機床的相關(guān)數(shù)學(xué)模型

一般五軸聯(lián)動數(shù)控機床由3個平動軸和2個回轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。根據(jù)運動軸配置的不同，五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)類型按軸的分布可以分為3種基本類型。本文只針對公司使用的萬能銑床UCP800進行技術(shù)研究。

萬能銑床UCP800的結(jié)構(gòu)形式為A-C雙轉(zhuǎn)臺的五軸聯(lián)動數(shù)控機床。A和C的值完全是由刀軸矢量確定的，因為對于UCP800機床來講，刀具不能任意地轉(zhuǎn)動，只能在XZ平面內(nèi)平移，要想使刀具中心相對于工件傾斜必須通過轉(zhuǎn)動第4軸和第5軸來實現(xiàn)。針對后置而言，是后置處理文件把刀軸矢量和刀心坐標(biāo)分別輸出，但是對于機床來講只要同時給出5個坐標(biāo)就可以完整地進行加工。圖1所示為轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的主要步驟。

為描述該五軸機床的運動，建立圖2所示坐標(biāo)系統(tǒng)，其中坐標(biāo)系OWXWYWZW為與工件固聯(lián)的工件坐標(biāo)系，前置刀位數(shù)據(jù)是在該坐標(biāo)系中給出;OtXtYtZt為與刀具固聯(lián)的坐標(biāo)系，成為刀具坐標(biāo)系，其原點設(shè)在刀位點上，其坐標(biāo)軸方向與機床坐標(biāo)系一致;OmXmYmZm為與定軸A'固聯(lián)的坐標(biāo)系，其原點Om為兩回轉(zhuǎn)軸的交點，其坐標(biāo)軸方向與機床坐標(biāo)系一致。顯然，其運動關(guān)系即是刀具坐標(biāo)系OtXtYtZt相對于工件坐標(biāo)系OWXWYWZW的變換關(guān)系。它可進一步分解為OtXtYtZt相對于OWXWYWZW的平動和OmXmYmZm相對于OWXWYWZW的轉(zhuǎn)動。

如圖2所示，設(shè)動軸C'的軸線平行于Z軸的狀態(tài)為機床初始狀態(tài)。此時，工作臺與Z軸垂直，工件坐標(biāo)系的方向與機床坐標(biāo)系一致，刀具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系原點重合，交點Om的位置矢量記為 rm(mx，my，mz)。在刀具坐標(biāo)中，刀具的位置和刀軸矢量分別為［0 0 0］T和［0 0 1］T，記機床平動軸相對于初始狀態(tài)的位置為rs(sx，sy，sz)，回轉(zhuǎn)軸A、C相對于初始狀態(tài)的角度為θA和θC(逆時針方向為正)。此時，工件坐標(biāo)系中刀軸方向和刀具位置矢量分別為 u(ux，uy，uz)和 rp(px，py，pz)。

由機床運動鏈進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可得

式中，T和R分別為平移和回轉(zhuǎn)運動的齊次坐標(biāo)變換矩陣。由式(1)和式(2)可得

式(3)和(4)即是所求機床的運動變換，它表達了刀具相對于工件的位置與方向隨機床的運動變化。將刀位數(shù)據(jù)賦給 u(ux，uy，uz)和 rp(px，py，pz)，則可由此計算滿足加工要求的機床回轉(zhuǎn)角度θA、θC及平動位移sx，sy，sz。由式(3)和(4)可得到機床運動坐標(biāo)為

由式(5)和式(6)可知，θA和 θC可能有兩個解，且具體象限應(yīng)按運動的連續(xù)性來確定。θA取值要符合其行程范圍;θC由式(3)可知，滿足 sinθC=ux/sinθA和cosθC=uy/sinθA。由機床工作參數(shù)可知:

A軸為擺動軸，行程為-45°～90°C軸為旋轉(zhuǎn)軸，行程為0°～360°

2 UCP800五軸專用后置處理器開發(fā)

該五軸聯(lián)動加工中心專用后置處理器是在三軸后置處理器的基礎(chǔ)上開發(fā)的。原來三軸后置處理器輸出的是X、Y、Z值，五軸加工還需要輸出第四和第五軸的A、C角度。我們在三軸后置處理器的基礎(chǔ)上經(jīng)過添加修改，然后用戶化，快速開發(fā)了五軸后置處理器。采用的是UG配帶提供一個后置處理器(UG/Post)來進行修改。采用UG/Post Builder建立UCP800萬能鏜銑床的HEIDEHAIN數(shù)控系統(tǒng)。確定第4、5軸，并確定超程處理方式為第二種(圖3)。輸入第4、5軸的行程范圍，修改其他輸出格式至滿足需要。需要注意的一個問題是在對快速移動動作編輯時，不要選中“Work Plane Change”(圖4)，否則退刀時不能沿刀軸方向退刀，會造成刀具折斷及銑傷工件現(xiàn)象。最后生成后置處理程序并加入 UG后置處理配置模版(template_post.dat)。

用文本編輯器打開生成的事件處理文件(.tcl)，修改proc PB_CMD_init_rotary事件處理器。設(shè)置如下:

其作用為修改退刀方式固定距離，假設(shè)刀尖至擺動中心距離為250 mm，輸入退刀距離250 mm，并輸入進刀距離20 mm。修改 proc ROTARY_AXIS_RETRACT事件處理器，在圖5所示位置增加:

其作用為在數(shù)控程序中強制輸出A0，其位置在退刀后，C軸反轉(zhuǎn)360°前。在本事件處理器中修改如圖6位置，增加:

其作用為在數(shù)控程序中強制輸出原A軸角度，其位置在C軸反轉(zhuǎn)360°后，返回進刀點前。

3 后置處理論證

本實例以公司需要加工變外徑螺柱工件為例，其中一個的UG CAD造型如圖7所示。兩工件的螺旋線是自由曲線，螺旋面是自由曲面。對后置處理進行仿真論證。

該工件的加工過程如圖8所示。工件螺旋軸向截面成橫臥的U型，寬約7 mm，底部為一段半徑為2.5 mm的圓弧。U型槽分成上下兩對稱部分，采用直徑5 mm的球頭銑刀，分兩道工序加工完成。加工中軸向進給為0.08 mm，徑向進給為0.5 mm，U型槽底部的弧線由球頭銑刀直接成形。

第一道工序切削U型槽的上半部分。由于主軸只能在XZ平面內(nèi)平動，在切削前，A軸需要轉(zhuǎn)動到-90°位置，使刀具平行于U型槽的中心線。切削時刀具首先在螺旋線的開始端進行徑向進給，然后通過三根直線運動軸和C軸的聯(lián)動，沿著螺旋線一直切削到末端;接著進行軸向和徑向的聯(lián)動進給，其中徑向進給為主進給，再沿著螺旋線切削返回到開始端;繼續(xù)進行聯(lián)動進給，并按照前面所述路線進行切削，直至該道工序完成。第二道工序切削U型槽的下半部分，加工工藝和第一道工序相似。通過這兩道工序完成整個螺旋面的加工。

通過修改事件處理文件(.tcl)，實現(xiàn)了數(shù)控程序按指定方式輸出。經(jīng)仿真驗證及實際加工驗證，該后置處理能夠完成處理工作。經(jīng)過后置的程序如圖9。

4 結(jié)語

采用開發(fā)的后置處理技術(shù)對葉輪零件進行了五軸聯(lián)動加工，加工后的零件精度滿足設(shè)計要求，證明提出的后置處理技術(shù)的正確性。通過本文研究，實現(xiàn)了該加工中心NC程序高效、可靠編制，以及工件偏置安裝軸聯(lián)動數(shù)控加工，也為實現(xiàn)復(fù)雜型面零件在該加工中心的高效數(shù)控加工奠定基礎(chǔ)。

［1］安杰，鄒昱章.UG后處理技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社.

［2］劉雄偉，張定華.數(shù)控加工理論與編程技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［3］任軍學(xué)，劉維偉，汪文虎，等.五坐標(biāo)數(shù)控機床后置處理算法［J］.航空計算技術(shù)，2000.

［4］蔡永林，席光，查建中.五坐標(biāo)數(shù)控加工后置處理算法的研究［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2003.

［5］iTNC530編程操作手冊［Z］.米克朗中國有限公司.2003.