蘇慶雙 歐玉俊
(中國商飛上海飛機(jī)制造有限公司 上海 201306)
如圖1所示,典型型腔零部件結(jié)構(gòu)是一帶有20°拔模角度的型腔零件,在進(jìn)行型腔內(nèi)部側(cè)面加工時(shí),需要涉及到B軸的正負(fù)擺角以及C軸在整個(gè)360°范圍內(nèi)的四個(gè)典型位置的角度,對(duì)于C±200°的機(jī)床來說,典型位置的角度為0°、±90°、±180°;而B軸則只有±20°兩種情況。
圖1 典型拔模型腔零件
在C軸超程處理以及C軸重新定位的過程中,機(jī)床會(huì)執(zhí)行一系列類似于宏程序一樣的運(yùn)動(dòng),以便C軸可以繼續(xù)完成后續(xù)程序段的切削運(yùn)動(dòng),一般是刀具沿著當(dāng)前切削點(diǎn)法向矢量退刀所指定的距離(如圖 2所示,從P1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P2),之后沿著 Z軸方向運(yùn)動(dòng)到所指定的安全平面(圖2中從P2點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P3點(diǎn)),在所指定的安全平面位置,C軸完成回轉(zhuǎn)、重新定位,B軸完成相應(yīng)的角度重新定位,之后刀具再沿著 P3→P2→P1→切削點(diǎn)的逆運(yùn)動(dòng)繼續(xù)執(zhí)行切削運(yùn)動(dòng)。
圖2 C軸回轉(zhuǎn)、重新定位運(yùn)動(dòng)示意圖
對(duì)于刀軸非垂直于零件表面法向位置的回轉(zhuǎn),P1→P2則是當(dāng)前的刀軸方向,回轉(zhuǎn)重新定位之后,P2→P1→切削點(diǎn)的逆運(yùn)動(dòng)仍然是刀軸方向,距離|P1P2|則均為沿著刀軸方向的空間距離。
在所指定的安全平面上,C軸完成回轉(zhuǎn)以及重新定位,B軸按照三角函數(shù)匹配出相應(yīng)的擺角,在這個(gè)過程中,C軸角度至關(guān)重要,C軸的取值可以按照行程范圍內(nèi)的正、負(fù)極限位置取值也可以按照C軸靠近 0°位置取值,上述三個(gè)位置則涉及到極軸的幾種處理模式,在具體工況下,選擇特定的處理模式,編制出最好的數(shù)控程序。
后置軟件則根據(jù)CAM軟件所生成的APT文件逐行計(jì)算C軸角度并生成相應(yīng)的NC文件,這種編譯不會(huì)考慮并規(guī)避后續(xù)程序所出現(xiàn)的C軸超程及其所帶來的C軸回轉(zhuǎn)、重新定位問題。
換言之,C軸的下一次擺角會(huì)在上一擺角角度下做出繼續(xù)運(yùn)算。
在這種模式下,后置軟件則會(huì)分析兩個(gè)G00快速定位之間的程序段,在程序段的開始位置進(jìn)行C軸重新定位處理,盡可能減少程序段內(nèi)的C軸回轉(zhuǎn)。
需要特別指出的是,這種模式下,C軸盡可能規(guī)避了機(jī)床在加工進(jìn)給過程中的C軸回轉(zhuǎn)處理,避免了重新切削所帶來的接刀問題以及額外的空刀路問題。
C軸在按照這種模式處理的情況下,在算法上需要對(duì)CAM軟件所生的APT語言進(jìn)行必要的區(qū)域分割、在實(shí)際機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中,除了切削進(jìn)給之外,其他過渡刀路均是機(jī)床自行執(zhí)行G00運(yùn)動(dòng),因此在2個(gè)G00之間進(jìn)行程序段的分割則是最佳選擇,所生成的重新定位運(yùn)動(dòng)均在G00過程執(zhí)行,使得加工程序效率最大化。
因此RAPID指令往往是程序編譯分割的標(biāo)識(shí),如圖3所示。
圖3 APT語言分割標(biāo)識(shí)
C軸優(yōu)先原則則是在特殊機(jī)床結(jié)構(gòu)下,B軸(或者A軸)只能單向旋轉(zhuǎn)(多數(shù)情況下也可以小角度反方向旋轉(zhuǎn)),反向大角度旋轉(zhuǎn),主軸尾部區(qū)域產(chǎn)生干涉,這種情況下,則需要對(duì)C軸擺角進(jìn)行干預(yù)控制進(jìn)而限制B軸(或者A軸)只單向擺角,即只有兩種形式,即只選擇C軸正向或者只選擇C軸負(fù)向,在C軸選擇不同的情況下,B軸(或者A軸)則正好匹配出相反的角度,最典型的例子則是偏心雙擺頭五軸,如圖4所示。
圖4 偏心雙擺五軸及其切削
利用 ISO4343的后處理代碼 ROTATE或者M(jìn)OVETO指令,在程序內(nèi)加上一定預(yù)旋轉(zhuǎn)角度,預(yù)旋轉(zhuǎn)角度則會(huì)后續(xù)C軸角度值,進(jìn)而消除或者減少切削過程中的C軸回轉(zhuǎn)。
這種情況下,對(duì)編程人員有著比較高的要求,需要對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)模式等有著清晰的認(rèn)知。
如之前所述,機(jī)床C軸行程為±200°,B軸行程為±110°,所選擇的典型零件的編程選擇順銑加工,其刀路如下(紅色為G00運(yùn)動(dòng)、黃色為進(jìn)刀運(yùn)動(dòng)、綠色為切削加工運(yùn)動(dòng)、藍(lán)色為退刀運(yùn)動(dòng)),內(nèi)側(cè)面分別為側(cè)面1至側(cè)面4,進(jìn)刀位置位于側(cè)面1的中間位置,退刀位置亦為側(cè)面1的中間位置,如圖5所示。
圖5 刀路示意圖
在進(jìn)行APT語言處理時(shí),在C軸順序編譯模式下,所生成的角度如表1所示。位置3與位置4之間的C軸超程回轉(zhuǎn)位置則位于3與側(cè)面4拐角位置,如圖6所示。
表1 C軸順序編譯模式下生成的角度表
圖6 回轉(zhuǎn)位置示意圖
經(jīng)處理后,所生成的程序段如圖7所示。
圖7 回轉(zhuǎn)程序段
經(jīng)上面的處理分析可知,從側(cè)面3到側(cè)面4切削的過程中,C軸理論上將從180°運(yùn)動(dòng)到270°,由于機(jī)床 C軸行程只有±200°,因此,在C順序處理模式下,從側(cè)面3到側(cè)面4切削的過程中將產(chǎn)生C軸的回轉(zhuǎn)及重新定位,且整個(gè)程序則產(chǎn)生一次C軸回轉(zhuǎn)。
這種模式下,程序員需要對(duì)編程過程進(jìn)行必要的細(xì)節(jié)處理,在程序段的初始以及結(jié)束為止加上或者設(shè)置必要的 G00運(yùn)動(dòng)(或者插入必要的 RAPID后處理語言),在具有多個(gè)程序段區(qū)域(以 RAPID為分割區(qū)域標(biāo)識(shí)),在一個(gè)程序段結(jié)束后,后處理會(huì)進(jìn)行下一個(gè)程序段C軸擺角的判斷,并預(yù)先對(duì)C軸進(jìn)行必要的處理以便下一程序段C軸回轉(zhuǎn)數(shù)量的最小化。
經(jīng)處理后,所生成的角度如表2所示。
表2 C軸、B軸位置角度表
所生成的程序段如圖8所示。
圖8 C軸優(yōu)化處理的NC代碼
上述兩種模式下,C軸角度優(yōu)化編譯處理直接消除了整個(gè)切削過程的C軸超程處理,顯然第二種程序優(yōu)于第一種程序。
同時(shí)在這種處理模式下,可以對(duì)C軸進(jìn)行必要的預(yù)旋轉(zhuǎn)處理或者靠近C0°位置處理。
靠近C0°位置處理則代表每一次C軸回轉(zhuǎn),C軸重新定位所選擇的角度值優(yōu)先選擇靠近 0°位置的角度值。預(yù)旋轉(zhuǎn)NC代碼如圖9所示。
圖9 預(yù)旋轉(zhuǎn)NC代碼
在這種情況下,所生成的NC代碼里面,B軸代碼則只有一個(gè)正值,在B值鎖定的情況下去匹配計(jì)算C值,但是這種情況下,是否產(chǎn)生回轉(zhuǎn)則至于C軸匹配出的角度值是否超程有關(guān),B軸只允許正向旋轉(zhuǎn)情況下,所生成的NC代碼如圖10所示。
圖10 C軸優(yōu)先策略(B軸正向策略)
B軸只允許負(fù)向旋轉(zhuǎn)情況下,所生成的NC代碼如圖11所示。
圖11 C軸優(yōu)先策略(B軸負(fù)向策略)
ISO4343標(biāo)準(zhǔn)定義了諸多后處理指令功能代碼,利用這些代碼的輸出可以對(duì)機(jī)床做出比較精細(xì)、準(zhǔn)確的控制,在五軸編程領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。
如前面所述,在一個(gè)程序段內(nèi)(RAPID代碼標(biāo)識(shí))加入ROTATE,則可以讓機(jī)床在切削運(yùn)動(dòng)開始之前預(yù)旋轉(zhuǎn)一定的角度,這個(gè)預(yù)旋轉(zhuǎn)角度值則影響后續(xù)C軸的角度取值。ROTATE指令代碼為模態(tài)代碼,其指令格式為 ROTATE/CAXIS,Angel,其中Angel為旋轉(zhuǎn)角度數(shù)值,關(guān)閉ROTATE指令的代碼格式則為 ROTATE/OFF,需要特別說明的是,ROTATE指令生效必須在刀軸為(0,0,1)時(shí)才可以。
以CATIA CAM模塊為例,在進(jìn)退刀通過添加相關(guān)ROTATE指令即可。所生成的NC代碼如圖12所示。
圖12 ROTATE指令干預(yù)后的代碼
而未利用ROTATE指令人工干預(yù)所生成的NC代碼如圖13所示(順序編譯)。
圖13 未使用ROTATE指令干預(yù)的代碼
由上面的兩種代碼可知,利用ROTATE指令可以干預(yù)NC代碼的生成形式,進(jìn)而影響C軸的取值。因此,在一些情況下,亦可以利用上述方式對(duì)五軸切削運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效的控制。
上面幾種模式均是基于C軸超程的策略,C軸產(chǎn)生回轉(zhuǎn)、重新定位的另一種狀況則是相鄰插補(bǔ)點(diǎn)刀軸擺動(dòng)過大,在精加工切削時(shí),擺動(dòng)過大會(huì)在零件表面產(chǎn)生切削凹痕影響零件質(zhì)量。因此在切削刀路中,如果產(chǎn)生擺動(dòng)過大情況,機(jī)床仍將按照?qǐng)D 2所示運(yùn)動(dòng)形式在安全平面上進(jìn)行重新定位,進(jìn)而繼續(xù)加工,在靠近工件的過程中,機(jī)床執(zhí)行的是進(jìn)刀進(jìn)給值。
針對(duì)雙擺頭五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng),通過實(shí)例分析多種運(yùn)動(dòng)處理模式,對(duì)五軸機(jī)床在多種工況的切削代碼選擇有了更加清晰直觀的認(rèn)知,可以更好地理解雙擺五軸機(jī)床技術(shù),通過選擇合適的數(shù)據(jù)處理,使得數(shù)控程序可以更好的得到控制,對(duì)于提高加工效率與產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的意義。