五軸數(shù)控機(jī)床后置處理技術(shù)分析與工程實(shí)踐

黃安慶

梅州市高級(jí)技工學(xué)校，廣東梅州 514000

1 五軸數(shù)控機(jī)床的數(shù)控模型分析

五軸數(shù)控聯(lián)動(dòng)技術(shù)字雖然難度較大但是需求廣泛。其主要是將計(jì)算機(jī)控制與高性能伺服裝置、精密數(shù)控加工等技術(shù)集中在一起，獲得一種多維度連續(xù)、平滑加工的模式，尤其是對(duì)與復(fù)雜曲面而言是一種重要的技術(shù)措施。下面就從其五軸數(shù)控建模上分析其工作的基本原理。

在簡單的三軸加工聯(lián)動(dòng)的情況下，控制人員不需要關(guān)系工作臺(tái)與刀具的工作狀況，因?yàn)闄C(jī)床的三軸向加工模式是相對(duì)固定的運(yùn)行模式，不同系統(tǒng)的后處理情況變化不大。而五軸數(shù)據(jù)加工在原有的普通三軸基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)軸向旋轉(zhuǎn)，機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)存在差異，因此對(duì)于不同的系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的后置位置相差較大。旋轉(zhuǎn)A、B、C三個(gè)軸相對(duì)應(yīng)的是X、Y、Z坐標(biāo)，其方向按照右旋螺紋的方向進(jìn)行。即面向機(jī)床Z軸平行與刀具的旋轉(zhuǎn)，Z+為向上而X+為向右，Y+則向內(nèi)，與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系保持一致。X、Y機(jī)床坐標(biāo)由設(shè)計(jì)坐標(biāo)Z軸旋轉(zhuǎn)一定角度C后獲得，然后在繞X軸旋轉(zhuǎn)角度A，計(jì)算的過程十分復(fù)雜。

圖1 五坐標(biāo)加工刀軸矢量轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系

從上面的圖1中看，CAM加工坐標(biāo)系統(tǒng)為OmXYZ，機(jī)床的加工坐標(biāo)系統(tǒng)則為OrXYZ，工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸和Z軸相同，工作臺(tái)A的轉(zhuǎn)軸與X方向相同，OrXYZ坐標(biāo)的原點(diǎn)在A、C向交匯的點(diǎn)上。CAM加工坐標(biāo)OmXYZ與機(jī)床坐標(biāo)OrXYZ的Z軸方向保持一致，其與為平行，即OmOr=d，加工件就會(huì)繞著OrXYZ中的Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，角度小于360°。刀具參考的點(diǎn)為Oc在CAM系統(tǒng)中OmXYZ坐標(biāo)為（Xc、Yc、Zc）。刀具軸矢量a為單位矢量，在CAM加工坐標(biāo)系OmXYZ中對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即為（ax、ay、az）。為了讓計(jì)算更加方便，通常以O(shè)c為原點(diǎn)建立刀具的矢量坐標(biāo)，使之與CAM加工坐標(biāo)向平行。如果上述條件已知就可以計(jì)算對(duì)應(yīng)的加工角度，指導(dǎo)完成加工。

2 五軸數(shù)控的后置處理原理分析

后置處理可以分為兩種系統(tǒng)，專用后置處理與通用后置處理。前者往往是指針對(duì)專用數(shù)控編程系統(tǒng)或者特定數(shù)控機(jī)床而專門開發(fā)的程序，通常直接讀取刀位文件中的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)特定的機(jī)床特征和功能，以及指令格式等將其轉(zhuǎn)化為數(shù)控程序完成輸出。這類后置處理系統(tǒng)往往在專用數(shù)控編程中出現(xiàn)，即提供非商業(yè)化服務(wù)，其對(duì)刀位文件格式簡單，不會(huì)受到標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，機(jī)床的特征與數(shù)控系統(tǒng)特征一般直接便如后置程序，后置處理過程的針對(duì)性較強(qiáng)，程序結(jié)構(gòu)簡單容易實(shí)現(xiàn)。

通用后置處理系統(tǒng)主要針對(duì)的是不同種類的數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)對(duì)刀具的控制，對(duì)刀位文件進(jìn)行后置處理，使得輸出符合數(shù)控系統(tǒng)的指令和格式的數(shù)控程序。但是因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的多樣化與技術(shù)不斷提高，通用的后置技術(shù)通常在一定范圍內(nèi)通用，其通用化的程度需要按照標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范來考慮。但是其對(duì)商業(yè)加工的意義較大，因此通常所指的后置處理技術(shù)即為通用后置處理。其后置輸入的信息要求如下：刀位文件的輸入，后置處理技術(shù)主要是將刀位文件轉(zhuǎn)化為可以應(yīng)用數(shù)控機(jī)床的加工程序，實(shí)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)化的通用化，就要求刀位文件實(shí)現(xiàn)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)化。目前國際上流行的做法是數(shù)控編程系統(tǒng)輸出的刀位文件應(yīng)滿足IGES要求。如果刀位文件是非標(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)應(yīng)的格式應(yīng)制定一個(gè)規(guī)范進(jìn)行控制；數(shù)控文件，數(shù)控系統(tǒng)特性文件是為數(shù)控后置處理系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)換，將刀位文件的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為適應(yīng)具體機(jī)床的控制程序，其格式應(yīng)進(jìn)行必要的標(biāo)準(zhǔn)化。最后，數(shù)控機(jī)床的特征性文件設(shè)置，這個(gè)文件是描述機(jī)床運(yùn)行與結(jié)構(gòu)特征、運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行軸行程、最大速度、加速度等文件，后置處理系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)文件對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)求解、非線性運(yùn)行誤差校正、進(jìn)給速度校對(duì)、速度修正等處理。

3 在后置處理技術(shù)基礎(chǔ)上后置處理器的開發(fā)

隨著五軸數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其后置處理技術(shù)的要求也不斷提高，工程實(shí)踐中往往利用后置處理器對(duì)某個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行“專用”控制，以滿足商業(yè)生產(chǎn)。下面就以五軸雙轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)控機(jī)床（MIKRON HSM 600U機(jī)床）為例進(jìn)行分析。

3.1 對(duì)機(jī)床參數(shù)的設(shè)置

在設(shè)置中，對(duì)軟件對(duì)話框進(jìn)行選擇，配置五軸數(shù)控系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)床運(yùn)行的結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的各種參數(shù)進(jìn)行參數(shù)選擇，如一般參數(shù)、四軸五軸窗口，編輯設(shè)置圓弧刀軌跡輸出的線性軸行程極限、機(jī)床的零點(diǎn)位置、直線插補(bǔ)最小分辨率、機(jī)床的速度、機(jī)床初始坐標(biāo)、機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸設(shè)定等等進(jìn)行選擇與設(shè)定。

3.2 程序與刀軌設(shè)定

在程序與刀軌的窗口中定義與修改、專用化所有的機(jī)床動(dòng)作的處理方式。在程序窗口中定義、修改程序化設(shè)置其中后處理的程序包括：程序起始段；操作端頭；刀軌控制；操作結(jié)尾；程序結(jié)果。在G代碼的窗口下，定義后置處理中所需要的所有G代碼，包括：運(yùn)動(dòng)速度、直線模式、順圓運(yùn)動(dòng)、逆圓運(yùn)動(dòng)、加工面、刀具半徑修正、絕對(duì)與增量編程、固定加工循環(huán)模式等。在M代碼窗口定義的是后置處理中M代碼內(nèi)容，包括：結(jié)束程序、主軸轉(zhuǎn)向、主軸啟停、冷卻開關(guān)、換刀具等。在定義地址的時(shí)候，設(shè)置各個(gè)關(guān)鍵格式；字符順序窗口，定義字符優(yōu)先等級(jí)與順序；在用戶定義窗口添加用戶自定義的程序指令。在利用程序語言進(jìn)行編程的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)后置處理的算法中歐能個(gè)旋轉(zhuǎn)軸角度的計(jì)算、坐標(biāo)矩陣變換、平動(dòng)軸移動(dòng)值計(jì)算、增加切削時(shí)間等任務(wù)都應(yīng)完成設(shè)置。在程序與刀軌參數(shù)窗口的用戶自定義中，導(dǎo)入已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)軸角度計(jì)算、平動(dòng)軸位移計(jì)算等都應(yīng)符合實(shí)際加工的需求。

3.3 NC數(shù)據(jù)設(shè)置

在NC數(shù)據(jù)參數(shù)窗口的設(shè)置中，應(yīng)定義NC數(shù)據(jù)格式。在定義中使用的是G、M字地址和其應(yīng)用的FOR-MAT格式。完成上述設(shè)置后生成的自定義文件為.def、事件處理文件為.tcl，參數(shù)文件為.pui，即完成在五軸加工中需要的后置處理器的開發(fā)。

4 零件加工的應(yīng)用

在零件加工的應(yīng)用中，選擇一臺(tái)電動(dòng)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床作為測(cè)試的對(duì)象，完成零件的加工。采用軟件構(gòu)件一個(gè)復(fù)雜的圓柱加半球的組合零件，在上面完成銑削工藝，并形成兩個(gè)不同斜度的平面，在兩側(cè)在進(jìn)行垂直方向鉆孔，并在球面上雕刻字母，如圖2。

加工的步驟分為一下幾個(gè)：粗加工：完成型腔銑，選擇刀具立銑刀，直徑6mm，刃場(chǎng)20mm，加工余量0.5mm。半精加工：銑剩余量，刀具設(shè)計(jì)直徑4mm球頭刀，刃長10mm，余量設(shè)計(jì)0.2mm；精加工：變輪廓銑削，刀具沿用半精加工刀具，余量0；多面鉆孔加工：鉆頭直徑4mm，深度10mm；刻字加工：選擇30°刻字刀，字體深度0.5mm。在加工中編制這些后置處理程序轉(zhuǎn)換為5組加工代碼，采用五軸數(shù)控設(shè)備完成這些加工，從最終的加工結(jié)果來看，建立在UG基礎(chǔ)上的后置處理系統(tǒng)可以有效的對(duì)加工過程進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)效率最大。

圖2

[1]李賢元，孟文，周奎.五軸數(shù)控機(jī)床后置處理算法研究[J].機(jī)械，2009(10).

[2]喻丕珠，周定伍，周虹.基于UGNX五軸加工后置處理中的坐標(biāo)變換[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(14) .

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[5]胡乾坤，張慧賢.基于CATIA的FIDIA數(shù)控系統(tǒng)5軸后置處理器的研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2009(6).