基于HNC848B五軸數(shù)控系統(tǒng)的UG后處理開發(fā)與應(yīng)用

張宗仁

(吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林吉林 132013)

0 前言

某數(shù)控科技股份有限公司自主研發(fā)的JT-GL8-V立式五軸加工中心配置了華中848數(shù)控系統(tǒng)[1]。五軸數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，在五軸加工過程中刀路軌跡非常復(fù)雜，容易發(fā)生干涉和碰撞，因此要求五軸程序有較高的安全性。為此，常借助UG等CAM軟件計(jì)算刀軌，并通過對(duì)應(yīng)的后置處理生成數(shù)控加工程序，再采用VERICUT等仿真軟件建立1∶1模擬機(jī)床進(jìn)行加工過程仿真，確認(rèn)安全后方可進(jìn)行加工[2-3]。

目前UG等CAM軟件在國內(nèi)高校和工廠大范圍應(yīng)用，但還沒有針對(duì)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的后處理程序，極大地限制了國產(chǎn)五軸數(shù)控機(jī)床在高校和工廠的應(yīng)用。本文作者利用UG軟件中Post Builder模塊，以配置HNC848B數(shù)控系統(tǒng)的某JT-GL8-V立式五軸加工中心后置處理開發(fā)為例，詳細(xì)闡述五軸數(shù)控機(jī)床定向加工、五軸聯(lián)動(dòng)加工過程中存在的問題以及處理方案，并在VERICUT軟件中建立相應(yīng)的仿真機(jī)床，通過仿真和加工實(shí)例驗(yàn)證該后處理的安全性和正確性。

1 JT-GL8-V立式五軸加工中心參數(shù)及機(jī)床特點(diǎn)

JT-GL8-V立式五軸加工中心主要參數(shù)如表1所示[1]。其特點(diǎn)如下：(1)傾斜軸A軸不對(duì)稱，必須對(duì)A軸的超程問題進(jìn)行處理，以避免過切和碰撞；(2)機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊，X、Y、Z軸行程短，特別是Y軸行程和Z軸行程短，在A軸翻轉(zhuǎn)過程中容易出現(xiàn)機(jī)床與工件和刀具的干涉現(xiàn)象。

表1 JT-GL8-V立式五軸加工中心主要參數(shù)

2 3+2定向加工后處理開發(fā)

在定向加工時(shí)，一般利用G68.2建立特性坐標(biāo)系，再執(zhí)行G53.2指令對(duì)齊工件坐標(biāo)系[4]。由于處于五軸聯(lián)動(dòng)模式，機(jī)床將采取補(bǔ)償動(dòng)作，以保持刀尖與工件的相對(duì)位置不變，如果不做相應(yīng)的處理很容易發(fā)生超程和刀具干涉報(bào)警。合理的處理方式：先將刀具置于安全位置，預(yù)先將工作臺(tái)轉(zhuǎn)到合適的位置，再指定特性坐標(biāo)系。這樣，執(zhí)行G68.2和G53.2指令時(shí)只需設(shè)置特性坐標(biāo)系，而機(jī)床并不發(fā)生實(shí)際移動(dòng)，可避免超程和碰撞的發(fā)生。

由于機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸A軸不對(duì)稱，只能在[42°，-120°]內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而華中數(shù)控系統(tǒng)利用G53.2對(duì)齊刀軸時(shí)，刀軸在XOY平面的投影處于第1、第2象限(包含X軸時(shí))，A軸為負(fù)值；在第3、第4象限時(shí)，A軸為正值，如圖1所示。如果不做處理，當(dāng)傾斜角度大于42°時(shí)，機(jī)床將發(fā)出A軸超出限位的報(bào)警，導(dǎo)致機(jī)床不能完成加工，此時(shí)需要將機(jī)床調(diào)換到另一面進(jìn)行加工?；贖NC848B數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，在后處理中作如下判斷：如果機(jī)床默認(rèn)的角度能夠達(dá)到歐拉角指定的角度，那么按機(jī)床默認(rèn)的角度運(yùn)行；如果機(jī)床默認(rèn)的角度不能到達(dá)歐拉角指定的角度，則通過局部坐標(biāo)系指令 G52 X0 Y0 Z0 A0 C180，將系統(tǒng)坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°，其他坐標(biāo)點(diǎn)作相應(yīng)處理，以滿足加工要求。

圖1 HNC848B數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行G53.2指令后機(jī)床默認(rèn)A軸方向示意

根據(jù)機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)， 按照如圖2所示的流程編寫后處理程序。以如圖3所示的工件為例，利用UG編輯刀軌并通過該后處理程序生成數(shù)控代碼，如表2所示。

圖2 定向加工后處理流程控制

圖3 定向加工刀軌實(shí)例

表2 定向加工代碼

續(xù)表2

3 五軸聯(lián)動(dòng)加工后處理開發(fā)

3.1 五軸聯(lián)動(dòng)加工進(jìn)刀處理

機(jī)床空間緊湊、行程有限，在五軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)，由于初始刀具位置不確定、初始工件位置不確定，在進(jìn)刀過程中，刀具和轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)以快速定位的方式移動(dòng)，容易產(chǎn)生工件與刀具的干涉，工件易與機(jī)床附件碰撞?？尚械奶幚矸绞饺缦拢合葘⒌毒吆娃D(zhuǎn)臺(tái)置于安全位置，將轉(zhuǎn)臺(tái)預(yù)轉(zhuǎn)到合適角度，刀具先沿X、Y方向平移到進(jìn)刀點(diǎn)上方，再垂直下刀至進(jìn)刀點(diǎn)；當(dāng)?shù)毒甙踩竭_(dá)進(jìn)刀點(diǎn)后，再開啟RTCP模式進(jìn)行加工。具體步驟如下：

(1)沿刀軸方向的法向退刀，由于是雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床，可以直接沿機(jī)械坐標(biāo)系Z軸安全退刀，并將刀具移出工作臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)至安全旋轉(zhuǎn)位置，避免在旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生碰撞；

(2)參考進(jìn)刀點(diǎn)刀軸方向，將轉(zhuǎn)臺(tái)提前預(yù)轉(zhuǎn)到合適位置；

(3)以進(jìn)刀點(diǎn)為原點(diǎn)、刀軸方向?yàn)榉ㄏ?，?zhí)行G68.2指令建立特性坐標(biāo)系，并對(duì)齊坐標(biāo)系；由于已提前預(yù)轉(zhuǎn)，此時(shí)只需設(shè)定特性坐標(biāo)系，機(jī)床本身并不運(yùn)動(dòng)；由于A軸的行程限制，特性坐標(biāo)系的建立可參考3+2定向加工中相關(guān)處理方法；(4)刀具在特性坐標(biāo)系下沿X、Y方向動(dòng)作，走到進(jìn)刀點(diǎn)上方，再通過Z方向動(dòng)作，走至進(jìn)刀點(diǎn)，避免了在RTCP狀態(tài)下走刀時(shí)發(fā)生超程和刀具干涉的問題；

(5)取消特性坐標(biāo)系，取消RTCP聯(lián)動(dòng)；

(6)重新開啟RTCP，繼續(xù)五軸聯(lián)動(dòng)加工。

3.2 五軸聯(lián)動(dòng)加工連刀處理

五軸聯(lián)動(dòng)加工連刀時(shí)常伴隨著轉(zhuǎn)臺(tái)大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)應(yīng)作出合理的規(guī)避動(dòng)作，以防止超程和碰撞。在工序內(nèi)的刀軌連接，如果轉(zhuǎn)臺(tái)沒有發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，可視為移刀連接，刀具可直接移刀進(jìn)行加工；如果轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，則需要將它處理成退刀再進(jìn)刀的連接，工序之間的連接均處理成退刀再進(jìn)刀的連接，此時(shí)需沿刀軸法向退刀再重新進(jìn)刀。具體控制步驟如下：

(1)判斷旋轉(zhuǎn)軸角度是否發(fā)生改變，如果沒有改變則是移刀連接，直接進(jìn)入下一進(jìn)刀點(diǎn)加工;如果改變則是退刀再進(jìn)刀的連接，進(jìn)入下一步；

(2)取消RTCP模式，沿刀軸方向法向退刀，由于是雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床，可以直接沿機(jī)械坐標(biāo)系Z軸安全退刀，并將刀具移出工作臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)至安全旋轉(zhuǎn)位置，避免在旋轉(zhuǎn)過程中碰撞；

(3)按照五軸進(jìn)刀方式重新進(jìn)刀至下一進(jìn)刀點(diǎn)。

3.3 A軸正向超程處理

由于機(jī)床A軸有范圍且不對(duì)稱，當(dāng)傾斜角的絕對(duì)值小于42°時(shí)，機(jī)床A軸可以是正也可以是負(fù)，但是當(dāng)傾斜角絕對(duì)值在42°～120°之間時(shí)，傾斜角A軸的值必須為負(fù)。在實(shí)際聯(lián)動(dòng)加工過程中可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)床傾斜角在正角度處聯(lián)動(dòng)時(shí)突然發(fā)現(xiàn)了正角度的極限位置，為能夠順利到達(dá)下一點(diǎn)，將A軸轉(zhuǎn)到相應(yīng)的負(fù)角度處。為避免A軸的正向超程問題，可以在后處理中將A軸的值限定為[-120°,0°]，這樣當(dāng)A軸的值在0°處時(shí)，C軸將旋轉(zhuǎn)180°繼續(xù)加工[5-11]。這樣貌似解決了A軸正向超程的問題，但是在轉(zhuǎn)換過程中，一方面由于刀尖點(diǎn)處于工件加工表面，刀柄和主軸可能與工件干涉，另一方面可能會(huì)導(dǎo)致過切等現(xiàn)象出現(xiàn)，同時(shí)也減小了機(jī)床的加工范圍。比較合理的策略是：當(dāng)發(fā)生A軸正向超程時(shí)，刀具先退刀，按五軸聯(lián)動(dòng)的加工方式重新進(jìn)刀加工。例如，假設(shè)當(dāng)前刀位點(diǎn)為P0[X0Y0Z0A0C0]，其中0°

圖4 A軸正向超程退出與進(jìn)刀處理示意

合理的處理步驟如下：(1)判斷是否出現(xiàn)了正向超程問題，如果是正向超程則先按刀軸方向退刀，距離為h1，至點(diǎn)P3[X3Y3Z3A3C3]，其數(shù)值計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

(2)沿刀軸方向返回Z軸安全位置，由于是雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床可以直接沿機(jī)械坐標(biāo)系Z軸安全返回，并將刀具移出工作臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)至安全旋轉(zhuǎn)的位置，避免在旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生碰撞；

(3)計(jì)算點(diǎn)P0在A軸為負(fù)時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為P2(X2，Y2，Z2，A2，C2)，其數(shù)值計(jì)算如公式(2)所示：

(2)

(4)以沿點(diǎn)P2刀軸方向距離為h2的點(diǎn)P4為進(jìn)刀點(diǎn)，其坐標(biāo)數(shù)值計(jì)算如公式(3)所示，按五軸進(jìn)刀方式重新進(jìn)刀；

(3)

(5 )開啟RTCP模式，依次走刀至P4→P1→P2，繼續(xù)進(jìn)行加工。

3.4 五軸聯(lián)動(dòng)程序示例

如圖5所示的刀軌，包含了上述五軸聯(lián)動(dòng)加工的各種情景，通過該后處理生成的代碼如表3所示。

圖5 五軸聯(lián)動(dòng)刀軌實(shí)例

表3 五軸聯(lián)動(dòng)代碼示例

續(xù)表3

4 仿真與加工實(shí)例

利用VERICUT軟件，建立該JT-GL8-V立式五軸加工中心仿真模型如圖6所示[12-13]。利用該后處理生成數(shù)控程序，在模擬平臺(tái)上仿真無誤后，導(dǎo)入實(shí)際機(jī)床加工。仿真與加工分別如圖7—圖8所示，通過仿真與加工實(shí)踐驗(yàn)證了該后處理安全可靠。

圖6 某JT-GL8-V五軸加工中心仿真模型

圖7 3+2定向加工仿真與加工實(shí)例

圖8 五軸聯(lián)動(dòng)加工仿真與加工實(shí)例

5 結(jié)束語

目前國產(chǎn)五軸數(shù)控加工中心和五軸數(shù)控系統(tǒng)都不是特別完善，本文作者以配備HNC848B數(shù)控系統(tǒng)的某JT-GL8-V立式五軸加工中心為基礎(chǔ)，開發(fā)基于UG軟件的后處理程序，并基于VERICUT軟件建立該機(jī)床的仿真模型，通過模型仿真確認(rèn)程序無誤再進(jìn)行機(jī)床實(shí)際加工。通過2個(gè)典型實(shí)例，表明該后處理程序可有效解決3+2定向加工轉(zhuǎn)臺(tái)預(yù)轉(zhuǎn)和特性坐標(biāo)系建立的問題，并可安全高效地解決五軸聯(lián)動(dòng)加工過程中五軸進(jìn)刀、A軸正向超程、五軸聯(lián)動(dòng)連刀加工等五軸加工核心技術(shù)問題。通過仿真與實(shí)例，驗(yàn)證了該后處理程序高效、安全，能夠很好地實(shí)現(xiàn)3+2定向加工、五軸聯(lián)動(dòng)、定向鉆孔等五軸加工常見操作。該后處理程序一方面可以促進(jìn)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)在教學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用，另一方面也為其他五軸后處理開發(fā)提供一定參考。