五軸加工中心的編程革新研究

范利洪

（茂名市交通高級技工學(xué)校，廣東茂名 525000）

0 前言

數(shù)控技術(shù)是在生產(chǎn)過程中應(yīng)用數(shù)字控制方法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化控制的一種技術(shù)。在數(shù)控編程中主體是數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床全稱是數(shù)字控制機(jī)床，是在自動化機(jī)床中裝入程序控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是用來對控制編碼和指令程序進(jìn)行處理的。

1 五軸加工數(shù)控編程技術(shù)分析

數(shù)控編程技術(shù)的每一個過程都是緊密結(jié)合的，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，都會影響零件整體加工的質(zhì)量。數(shù)控編程流程見圖1。

圖1 數(shù)控編程流程

在數(shù)控編程流程中可以看到數(shù)控編程的主要過程。在零件制造過程中，首先要通過曲線編輯和實(shí)體建模等技術(shù)，完成復(fù)雜零件的造型設(shè)計(jì)。在加工處理中為保證數(shù)控加工的質(zhì)量，首先要對加工的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，另外刀具的控制方式和走刀路線的優(yōu)化選擇也是數(shù)控編程過程的重點(diǎn)問題，刀具軌跡的生成也是比較重要的，走刀軌跡在三維軟件中可以完成，但是不同的軟件達(dá)到的效果也是不相同的，在數(shù)控編程中，走刀軌跡的軌跡代碼是一個重點(diǎn)內(nèi)容，要按照軌跡光滑和切削復(fù)合滿足軌跡要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，復(fù)合生成代碼量少并且代碼質(zhì)量高原則。數(shù)控編程后置處理技術(shù)也是數(shù)控編程的重要技術(shù)，數(shù)控編程后置處理可以保證零件加工的質(zhì)量，保證機(jī)床可以安全可靠的運(yùn)行。在數(shù)控編程技術(shù)的研究中對后置處理的研究比較多，比如多坐標(biāo)軸數(shù)控加工中心的后置處理算法研究，在多坐標(biāo)軸數(shù)控機(jī)床模型建立基礎(chǔ)上對機(jī)床幾何誤差的后置變換研究等。在針對數(shù)控編程系統(tǒng)的研究中，提出了數(shù)控自動編程系統(tǒng)的后置處理程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 五軸聯(lián)動高速加工中心研究

2.1 五軸加工中心機(jī)床研究

在高速數(shù)控加工領(lǐng)域中，五軸聯(lián)動高速加工作為主要的技術(shù)，五軸聯(lián)動加工中心的最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到13萬r/min。以UCP系列機(jī)床為例，UCP系列機(jī)床是高精度零件的加工機(jī)床，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中都是采用最新的材質(zhì)和最新的技術(shù)，這樣在多軸零件進(jìn)行加工的時(shí)候，可以滿足高動態(tài)性能的需求。UCP系列機(jī)床五軸加工中心機(jī)床參數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)采用iTNC530；換刀裝置HSK 40刀位數(shù)是36，HSK 63刀位數(shù)是30，ISO 40刀位數(shù)是30；工作臺采用尺寸是600 mm×600 mm的Clamping Surface，工作臺承重500 kg；X，Y坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度和快速移動速度分別是20 m/min和30 m/min，Z坐標(biāo)軸方向進(jìn)給速度和快速移動速度分別是20 m/min和30 m/min;UCP系列機(jī)床工作范圍X軸縱向行程800mm，Y軸縱向行程650 mm，Z軸縱向行程500 mm。

在坐標(biāo)軸平移的變化中，UDP系列機(jī)床是五軸聯(lián)動的，具有5個坐標(biāo)軸的坐標(biāo)，其中3個是平移坐標(biāo)軸的坐標(biāo)，另外2個是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的角度坐標(biāo)，五軸加工中心決定2個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的坐標(biāo)軸，在五軸聯(lián)動的運(yùn)動方式中，空間運(yùn)動的向量有6個自由度，圖2為空間6自由度表示的坐標(biāo)圖。

圖2 空間6自由度坐標(biāo)圖

在空間6自由度坐標(biāo)表示圖中，X，Y，Z是 3個平移的坐標(biāo)，A，B，C 是 3個繞著坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)，在空間6自由度坐標(biāo)中，任何的空間位置都可以用X，Y，Z的3個平移坐標(biāo)和任意2個角度坐標(biāo)表示出來。所以在五軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床中，刀位的移動都是以5個坐標(biāo)軸作為基礎(chǔ)的，在UCP系列機(jī)床的五軸加工中，五軸就是指由X，Y，Z的3個平移坐標(biāo)和A，C的2個角度坐標(biāo)。

2.2 五軸加工中心軟件編程革新分析

數(shù)控系統(tǒng)可以把所有與機(jī)床有關(guān)的編程和操作的信息顯示出來，數(shù)控系統(tǒng)作為通用的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)要滿足加工中心的要求，可以對刀具軌跡位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，數(shù)控系統(tǒng)的處理速度要達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，編輯器要具有大型程序的編輯能力，在數(shù)控系統(tǒng)中把NV主控和驅(qū)動控制單元分離開，處理器采用英特爾品牌的。在強(qiáng)大的硬件功能的支持下，采用數(shù)字化驅(qū)動計(jì)算，控制器全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。UCP系列的五軸控制機(jī)床結(jié)構(gòu)特殊，在配備的iTNC數(shù)控系統(tǒng)的時(shí)候加入了G，H代碼和基本的輔助功能，數(shù)控系統(tǒng)在程序運(yùn)行的初始階段都有自己的初始化語句的設(shè)置，比如對工作毛坯等進(jìn)行設(shè)置。比如一些常用的命令，刀具命令中進(jìn)給速度F，是刀具的中心移動速度，基本單位是mm/min。進(jìn)給速度的輸入可以在定位程序塊中進(jìn)行輸入，也可以在TOOL CALL程序塊中進(jìn)行輸入。主軸轉(zhuǎn)速用S表示，S是以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)在TOOL CALL刀具調(diào)用模塊程序中進(jìn)行輸入的。刀具的數(shù)據(jù)有刀具名稱和補(bǔ)償要求等，L表示刀具的長度數(shù)值，刀具長度數(shù)值L的計(jì)算是刀具的長度和零號刀之間長度L0的差值，也就是刀具半徑的值。

程序的運(yùn)行和加工功能可以通過輔助功能M進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，比如程序停止運(yùn)行用M00表示，任意選擇的程序執(zhí)行STOP操作用M01表示，清楚顯示的狀態(tài)用M02，刀具更換和主軸停止運(yùn)行我們用M06表示。M的種類很多，在五軸加工中心被廣泛應(yīng)用，在iTNC數(shù)控系統(tǒng)中的輔助功能命令M有M126指令和M128指令，M126指令按照旋轉(zhuǎn)軸移動路徑最短為依據(jù)，對前置的刀具路徑進(jìn)行優(yōu)化處理的，M126指令時(shí)數(shù)控系統(tǒng)自己的指令，在使用時(shí)要預(yù)先啟動。M128指令是處理非線性誤差的，保證數(shù)控編程的精確性。

3 五軸加工中心的編程革新研究

3.1 五軸加工中心前置處理分析

在現(xiàn)代工業(yè)中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用，在實(shí)際的工程中，計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性非常重要。五軸加工靈活性強(qiáng)，五軸加工程序的編制要保證高質(zhì)量是非常重要的。五軸加工刀位軌跡的編程要保證代碼量少、編程精確度高。高質(zhì)量刀位軌跡數(shù)據(jù)計(jì)算，對零件加工的過程起著重要的作用，五軸加工中刀具軌跡生產(chǎn)的常用算法是等參數(shù)線法，切削行參數(shù)沿著u線和v線曲面進(jìn)行分布，生成刀切軌跡，計(jì)算方法簡單，滿足零部件的切削性能。在五軸數(shù)控加工中，刀具位置是不斷變化的，刀具位置軌跡的表示我們采用刀具軸線方向質(zhì)量和刀具位置矢量來表示，切削點(diǎn)位置矢量r，刀具半徑R2，加工表面在P點(diǎn)的單位矢量用n表示，可以計(jì)算出刀位點(diǎn)P的位置，見公式（1）和公式（2）。

五軸數(shù)控加工中的走刀步長數(shù)值的確定，在一條刀位軌跡上2個相鄰的刀位點(diǎn)之間的距離就是走刀步長。刀具軌跡的計(jì)算主要由走刀步長進(jìn)行計(jì)算，其中等參數(shù)離散逼近法是主要的計(jì)算方法。在五軸數(shù)控加工中，刀具的走刀步長的計(jì)算是由直線逼近誤差確定的，圖3所示離散直線逼近確定走刀步長，其中，ΔS是直線逼近的弧長，用直線長度代替。

3.2 五軸加工中心后置處理分析

刀具軌跡生成之后，可以對刀位數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計(jì)算出機(jī)床各個坐標(biāo)軸的運(yùn)動數(shù)據(jù)，然后就可以進(jìn)行后置處理的計(jì)算了。加工中心后置處理的、與機(jī)床相對應(yīng)坐標(biāo)軸中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，是通過刀位軌跡數(shù)據(jù)的6個坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得出的。

圖3 離散直線逼近確定走刀步長

應(yīng)用機(jī)器人運(yùn)動學(xué)知識，通過坐標(biāo)變換，把刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成機(jī)床坐標(biāo)對應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建立直角坐標(biāo)系，直角坐標(biāo)系的位置可以通過機(jī)器人各活動桿與機(jī)器人手臂之間的對應(yīng)位置表示出來，通過平移變換和旋轉(zhuǎn)變換來計(jì)算坐標(biāo)?？梢杂?個3×1的位置矩陣來計(jì)算機(jī)器人的活動桿和手臂與其他坐標(biāo)軸之間的位置關(guān)系，在O坐標(biāo)軸和H坐標(biāo)軸的坐標(biāo)系中3×1矩陣見公式（3）。

在后置處理中，刀具和工件之間的運(yùn)動關(guān)系要根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定，把前置處理的6個坐標(biāo)軸的數(shù)據(jù)分配到機(jī)床的運(yùn)動軸上，轉(zhuǎn)換為各坐標(biāo)軸的分量。后置處理的任務(wù)是把刀軌文件轉(zhuǎn)換成五軸加工中心的NC語言，后置處理流程見圖4。

圖4 后置處理流程

后置處理采用UG的后置處理器設(shè)備，建立和機(jī)床控制系統(tǒng)匹配的2個文件，分別是定義文件和事件處理文件，從簡單到復(fù)雜的控制系統(tǒng)后置處理過程可以有UG處理器來完成。后置處理的2個必要的要素，一個是刀軌，數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入的時(shí)候可以輸入到后置處理界面。一個是后置處理器，作為機(jī)床信息處理程序，對刀軌數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，然后把讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機(jī)床可以識別的代碼。后置處理的任務(wù)包括非線性誤差處理，進(jìn)給速度處理，數(shù)控程序格式。在后置處理中，數(shù)控編程后置處理可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度控制，在機(jī)床系統(tǒng)中，通過后置處理對給進(jìn)速度路徑進(jìn)行有效的調(diào)整。

4 總結(jié)

隨著數(shù)據(jù)編程技術(shù)的快速發(fā)展，五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對五軸加工中心數(shù)控編程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)的完美控制，對五軸加工中心的編程革新研究是一項(xiàng)具有實(shí)際意義的課題。