五軸銑削刀具半徑補償技術(shù)淺談

蘇慶雙 孫欣露 吳 旭 徐 意 封 鑫

(1.中國商飛上海飛機制造有限公司 上海201306；2.中國商飛上海飛機客戶服務(wù)有限公司 上海200241)

1 西門子Sinumerik刀具補償技術(shù)

與FANUC數(shù)控相比、西門子數(shù)控控制系統(tǒng)在功能、可擴展性方面具備很大的技術(shù)優(yōu)勢、西門子數(shù)控系統(tǒng)的大量功能代碼均給予一定的場合邏輯、數(shù)學原理。這一點與FUNAC的實用性形成鮮明的對比。目前國內(nèi)絕大部分五軸數(shù)控機床均采用西門子Sinumerik 840D SL數(shù)控系統(tǒng)或者海德漢TNC530、TNC640數(shù)控系統(tǒng)。Sinumerik 840D SL數(shù)控系統(tǒng)在國內(nèi)五軸數(shù)控系統(tǒng)中，占比達到了80%以上。

在西門子數(shù)控系統(tǒng)中，2.5D銑削被稱為圓周銑削，針對圓周銑削，西門子數(shù)控系統(tǒng)提供了G41、G42、CUT2D、CUT2DD、CUT2DF、CUT2DFD、CUT3DC、CUT3DCD等補償技術(shù)。在企業(yè)生產(chǎn)中，G41、G42是用到最多的補償代碼，而對于框架旋轉(zhuǎn)情況下的刀具補償?shù)慕?，行業(yè)內(nèi)普遍用的不多。

CUT2D、CUT2DF、CUT3DC三種補償代碼在航空制造企業(yè)中目前得到了越來越多的重視，其余幾種刀具補償技術(shù)的適用工況場合略復(fù)雜，企業(yè)生產(chǎn)制造中很少用到，本文將不再做討論。

從數(shù)學幾何層面來說，G41、G42、CUT2D、CUT2DF三種銑削代碼適合平面類輪廓銑削、方肩銑削、CUT3DC的銑削適用于直紋面的銑削。從軸運動來說，則屬于定軸2.5銑削。

從具體的技術(shù)運動路徑來說，幾種刀具補償技術(shù)均一致，過程如圖1所示。

圖1 刀具半徑補償執(zhí)行過程

2 四種刀具補償模式代碼分析

2.1 G41刀具半徑左補償、G42刀具半徑右補償

G41、G42補償技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)制造中使用最多的刀具半徑技術(shù)。G41、G42代碼的適用場合則是常規(guī)三軸銑削領(lǐng)域或者五軸機床的三軸銑削模式。

目前國內(nèi)數(shù)控加工行業(yè)、各類三軸數(shù)控機床保有量占機床總數(shù)量的 90%以上，因此，G41、G42代碼也是最為常用的半徑補償代碼。G41、G42補償方向垂直于 G17、G18、G19三種補償平面選擇下的第三軸。半徑補償方向如圖2所示。

圖2 半徑補償方向示意圖

需要說明的是，西門子數(shù)控系統(tǒng)在五軸技術(shù)執(zhí)行時，兩個關(guān)鍵的技術(shù)是多軸定位轉(zhuǎn)換（亦稱刀尖跟隨功能，指令代碼TRAORI）與框架旋轉(zhuǎn)功能（相關(guān)指令代碼ROT、AROT、CYCLE800）

西門子數(shù)控系統(tǒng)的功能數(shù)學性強，其諸多功能的運算均基于數(shù)學原理，利用矩陣、微分、積分進行相關(guān)運算。西門子的適用性強而廣、針對不同拓撲結(jié)構(gòu)機床均可以提供優(yōu)良的解決方案，如叉形銑頭五軸類別、搖籃式五軸類別、轉(zhuǎn)臺+轉(zhuǎn)頭類別。

2.2 不帶框架旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換2.5D刀具半徑補償

對于搖籃式動力學結(jié)構(gòu)的機床（包含部分單轉(zhuǎn)臺+單轉(zhuǎn)頭機床），在進行 2.5D徑向銑削時，所生成的程序代碼中往往包含框架的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換（加工坐標系的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換），在這種情況下，程序執(zhí)行坐標只需要在旋轉(zhuǎn)后的框架下進行重新運算,從工件、機床之間的關(guān)系來看，則是機床相關(guān)硬件進行旋轉(zhuǎn)，使得待加工側(cè)面與G17、G18、G19達到正交狀態(tài)。

在這種情況下，程序里所編制的補償方向均未發(fā)生變化，均為 G17、G18、G19模式下的第三軸的垂直方向。CUT2D模式所調(diào)用的刀沿值（如D1中的半徑和長度補償）的執(zhí)行數(shù)據(jù)并未改變，仍然執(zhí)行D1所設(shè)定的半徑補償值與長度補償值。

CUT2D為全局性功能啟用代碼，具體刀具補償?shù)纳t仍然需要與G41、G42進行組合使用，程序中只有CUT2D的存在時，機床不會執(zhí)行任何補償數(shù)據(jù)的運算，補償模式的取消仍然是采用G40指令。

通常情況下，CUT2D為程序頭啟動代碼后置軟件進行格式設(shè)定時，可以直接增添進去。后置軟件在進行NC代碼編譯時，也會根據(jù)預(yù)設(shè)定的語法進行編譯轉(zhuǎn)換，亦可以生成CUT2D代碼。搖籃五軸與CUT2D補償如圖3所示。搖籃五軸所生成的2.5D刀具半徑補償程序格式如圖4所示。

圖3 搖籃五軸與CUT2D補償示意圖

圖4 刀具補償程序

2.3 帶框架旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換2.5D刀具半徑補償

而對于叉形銑頭（雙擺頭機床）來說，加工過程中如果發(fā)生框架的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換（加工坐標系的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換），那么機床從硬件表現(xiàn)來看，框架只能進行A、C軸、或者B、C軸的坐標轉(zhuǎn)換（利用ROT指令、或者CYCLE800指令），那么這種情況下，工件的方位并未發(fā)生變化，而刀具半徑補償?shù)姆较螂S著A、C軸或者B、C軸的所帶來的框架變化應(yīng)作出相應(yīng)的調(diào)整。這種情況下則需要使用CUT2DF指令，與CUT2D指令一樣，CUT2DF亦為全局功能性代碼，在與G41或者G42連用的情況下，才會執(zhí)行相應(yīng)的刀具補償運算，進而機床執(zhí)行相應(yīng)的坐標。

在CUT2DF生效的情況下，如果待加工面需要進行A、C或者B、C（或者叉形銑頭中任何一個旋轉(zhuǎn)軸）框架轉(zhuǎn)換，那么相應(yīng)的刀具補償方向（包括長度補償）也會隨著框架的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。刀具補償調(diào)用的刀沿值（如D1中的半徑和長度補償）的執(zhí)行數(shù)據(jù)并未改變，仍然執(zhí)行D1所設(shè)定的半徑補償值與長度補償值。BC五軸機床與CUT2DF補償如圖5所示。

圖5 BC五軸機床與CUT2DF補償示意圖

B、C叉形銑頭所生成的2.5D刀具半徑補償程序格式如圖6所示。

需要特別說明的是，對于CUT2D以及CUT2DF，如果程序中編制了G41或者G42，但是框架旋轉(zhuǎn)情況各異，對于這種情況，其程序執(zhí)行的結(jié)果或者影響如圖7所示。

圖6 刀具補償程序

圖7 框架旋轉(zhuǎn)情況的影響

2.4 五軸聯(lián)動模式下圓周銑削的 3D 刀具半徑

對于連續(xù)變化直紋面的加工的五軸加工，無論是叉形架構(gòu)五軸機床、還是搖籃式五軸機床，銑削過程中，其刀具半徑補償?shù)姆较蛟诓粩嗟淖兓?，采用CUT2D、CUT2DF均無法完成有效的補償轉(zhuǎn)換。這種情況下則需要采用 CUT3DC指令來完成相應(yīng)的補償加工。

需要說明的是對于五軸聯(lián)動模式下的直紋面加工，由于軸的聯(lián)動變化，不再需要進行框架轉(zhuǎn)換（如果進行框架轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)量巨大，程序復(fù)雜則可讀性太差），在刀具補償執(zhí)行時，補償?shù)谋平匦詾镹ORM。

與CUT2D、CUT2DF一樣，CUT3DC亦為全局功能性代碼，其生效的條件仍然是與 G41、G42進行連用，取消仍采用G40代碼。

在使用 CUT3DC代碼時，五軸轉(zhuǎn)換功能（TRAORI指令）需要開啟。具體程序格式如圖8所示。

特殊情況是存在的，由于平面是一種特殊的直紋面，2.5D圓周銑削進行半徑補償時，在TRAORI指令生效情況下，如果采用CUT3DC進行2.5D圓周銑削半徑補償也是可以的。從功能上來說CUT3DC的功能涵蓋了CUT2D、CUT2DF以及G17、G18、G19模式下三軸路徑下的半徑補償。

圖8 CUT3DC補償代碼

3 G41（G42）、CUT2D、CUT2DF，CUT3DC 對比

五軸數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)多種多樣，相應(yīng)的刀具補償也會存在比較多的工況模式，如上所述，針對不同的機床拓撲結(jié)構(gòu)，西門子均提供了相應(yīng)的半徑補償技術(shù)（部分代碼長度補償也會相應(yīng)轉(zhuǎn)換），在五軸機床進行后置語法編譯時，相應(yīng)的語法應(yīng)與相應(yīng)的機床拓撲結(jié)構(gòu)相匹配。幾種刀具半徑補償對比見表1。

表1 幾種刀具半徑補償對比

由上述對比表可知，CUT3DC的覆蓋范圍最大，因此對于五軸機床來說，尤其是對于單擺+單轉(zhuǎn)拓撲結(jié)構(gòu)的機床，其刀具補償?shù)那闆r種類繁多，這無疑進一步加大了機床所需后置軟件語法的復(fù)雜性。為了降低后置語法編譯復(fù)雜性，可統(tǒng)一采用CUT3DC補償代碼，而不再需要 CUT2D或者CUT2DF代碼。如我司所采購的 Ingersoll MasterSpeed Gantry五軸龍門機床，五軸銑削半徑補償均采用CUT3DC。

五軸銑削刀具半徑補償模式較多，由于CUT2D、CUT2DF、CUT3DC代碼的位置靈活，是全局性功能代碼。對于沒有相關(guān)后處理編譯語法的后置來說，亦可以采用手動添加或者采用INSERT后處理指令進行添加。

4 CATIA CAM編程的方法

對于航空企業(yè)來說，CATIA是其CAM工作的首選，CATIA CAM模塊的刀具半徑補償有多種編程方式。對于上述刀具半徑補償，在CATIA模塊中所用到的指令則是 Profile Contouring指令組以及Multi-Axis Flank Contouring指令，對于B刀補、或者C刀補，則只需要設(shè)置路徑的轉(zhuǎn)角類型、路徑類型即可。CATIA CAM指令如圖9所示。

圖9 CATIA CAM指令

對于CATIA CAM模塊來說，其內(nèi)部編程數(shù)據(jù)通過在 PPtable中定義相應(yīng)的內(nèi)部編程指令NC_XX_XX以及內(nèi)部參數(shù)指令MFG_XX_XX語法進行刀具補償指令的輸出，如圖10所示。

圖10 半徑補償選項設(shè)定

對于五軸機床來說，更多的是通過ISO4343中所定義的后處理指令關(guān)鍵字進行刀具半徑補償指令的輸出?？紤]到刀具半徑補償?shù)慕⑴c取消需要在G01或者G00路徑中生效，因此利用CATIA CAM模塊進行編程時，刀具半徑的補償與取消均設(shè)置與切削刀路相垂直的進退刀刀路（若設(shè)置連續(xù)的相切刀路，則導(dǎo)致刀補建立、取消過程所需要G01刀路的延伸，這種情況到導(dǎo)致切削刀路的失效），并在此垂直刀路的起點建立刀具補償與取消。以ISO4343后處理指令為例，其刀具左補償建立編程方法如下圖，為了便于演示說明，進退刀路徑值進行了對比處理。

刀具補償建立：在垂直進刀起點雙擊(下圖中16路徑左端點×號)，彈出的PP Word對話框中選擇CUTCOM/LEFT，如圖11所示。

圖11 半徑補償?shù)慕?/p>

刀補半徑補償取消：在垂直退刀起點雙擊(下圖中16路徑右端點×號)，彈出的PP Word對話框中選擇CUTCOM/OFF，如圖12所示。

圖12 半徑補償?shù)娜∠?/p>

相應(yīng)的后置軟件經(jīng)過相應(yīng)的語法處理，則生成相應(yīng)的刀具補償指令。

5 結(jié)語

刀具半徑補償技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)制造中有著廣泛的應(yīng)用，對于西門字不同的補償技術(shù)應(yīng)用應(yīng)有透徹的技術(shù)認知。選擇合適的刀具補償代碼對于提高生產(chǎn)制造效率，降低成本有著重要的意義。