維納斯雕像在五軸數控加工中的實現

畢俊喜 祁 欣

(①內蒙古工業大學機械學院，內蒙古呼和浩特010051;②南京四開電子企業有限公司，江蘇南京210007)

數控技術的廣泛應用，使得中國不斷的從“由中國制造”向“由中國創造”轉變。普通的三坐標數控機床已不能滿足現代化的生產要求，在市場的需求和數控技術的不斷發展中五軸機床應用而生。

1 維納斯模型

維納斯模型數據來源于實體模型測繪，經過技術人員的技術處理形成三維數模(如圖1所示)及標準加工代碼。2008年4月北京舉行的中國工業博覽會上，南京四開公司展出的SKY-5L16075五軸聯動加工中心以五軸聯動方式加工該模型，一次裝卡完成全部加工，在現場引起轟動。

2 維納斯模型加工工藝分析

2.1 維納斯模型圖樣分析

該維納斯的尺寸為φ250 mm×700 mm，且加工曲面是非常復雜的NURBS曲面。加工材料為代木(一種樹脂合成材料)。對圖1所示的維納斯模型進行分析可知，在程序編制和加工代碼的生成過程中有5個難點:①五軸聯動數控機床加工中刀軸的控制;②加工非連續復雜曲面精度的保證;③驅動曲面的制作;④固定五軸(3+2)和連續五軸(五軸聯動)加工程序的生成;⑤多軸后處理的建造。

2.2 維納斯加工裝備的選用

(1)加工機床的選用 該加工中選用的是南京四開公司自主研發和生產的SKY-5L16075型轉臺+擺頭式五聯動高速加工中心。由于維納斯模型的加工曲面非常復雜，甚至還有倒扣面的加工，三軸數控機床已遠遠不能夠滿足該模型的加工，而必須選用五聯動的數控機床。該機床采用了高精度的直線滾動導軌和傳動絲杠，驅動電動機采用日本三洋數字交流伺服電動機，旋轉工作臺和擺動頭采用了日研的轉臺，主軸最高轉速為24000 r/min。

(2)數控系統的選用 數控系統采用南京四開公司研發的具有自主知識產權的高檔網絡數控系統—SKY2006N，專門用于多軸聯動的機床控制。SKY2006N型網絡數控系統進一步改進了多軸聯動加工的關鍵性控制技術，控制軸最多可擴展到64個;系統開發了3-D刀具空間補償功能;改進了皮米插補功能和坐標系尋位補償(G10)功能;擺軸長度補償功能(在加工時設定擺軸長度);實現5000程序段的預處理功能(前瞻控制)，滿足高速加工的前瞻控制需要;通過Windows XP Embedded系統與數控系統的緊密結合，實現整個數控系統的專用性;對軟件的界面部分進一步人性化設計，軟件具有五軸加工模擬顯示功能;基于標準以太網(TCP/IP)的網絡功能，增強系統的可擴展性，滿足高速加工時大程序量的快速、穩定的傳輸?？刂葡到y足夠滿足加工的要求，有力地保證了機床在運動中的精度控制和操作的方便性。

(3)工件的裝卡 將φ250 mm的棒料車一溝槽，用壓板把棒料固定于旋轉工作臺上，有力地保證了工件在加工過程中的穩定性和可靠性。

(4)加工刀具及刀柄的選用 根據對維納斯模型的尺寸、倒扣面的深度和加工的精度的分析，刀具選用直徑為30 mm的盤銑刀，直徑為16 mm的圓鼻刀，直徑為6 mm的球刀。刀柄選用熱膨脹結構系統，使刀具精準夾持，保證了刀具在高速旋轉時的動平衡和回轉精度(≤0.003 mm)。有效地提高切削加工的精度和工件表面質量，顯著改善了刀具在切削過程中的受力狀態。

2.3 維納斯模型NC程序的CAM實現

(1)驅動曲面的制作 在Unigraphics軟件的多軸編程中，多軸編程是通過驅動曲面或驅動曲線按照一定的策略產生驅動點，然后把這些驅動點按照一定的投影方法投影到被加工的工件表面，再按照某種規則來生成刀具路徑。多軸加工中，刀軸的軸線方向可以改變，即隨著加工表面法線方向的不同而作相應改變，從而完成復雜曲面的加工。驅動曲面的制作很有講究，直接影響了被加工曲面的質量、精度和加工效率。驅動曲面制作時應從簡避繁，盡量簡單。

(2)數控加工程序的編制 本例模型中存在較小的加工區域，如果采用一次粗加工到位，就得使用較小直徑的刀具，這會影響到加工效率。所以先采用較大直徑的刀具進行粗加工，再用相對較小的刀具半精加工，這樣就能保證精加工時的加工余量均勻。最后采用小刀具精加工，較小的加工余量(1 mm)和較高的加工精度，保證了維納斯的加工精度和加工質量。

粗加工程序的編制:應用Unigraphics加工模塊中的3+2軸(固定五軸)功能對維納斯進行編程，讓刀具從工件的不同方向進行加工;保證了維納斯在粗加工完成之后大面積材料已去除。加工參數如表1所示。刀具路徑如圖2所示。

表1 加工工藝規劃

半精加工程序的編制:選用Mill_multi-axis(多軸加工-連續五軸)對維納斯進行半精加工，去除工件的殘留量，刀具路徑如圖3所示。

精加工程序的編制:為保證加工精度、加工質量和加工效率，程序最后用4 mm球刀分別對維納斯的不同區域進行精加工;根據維納斯加工模型的要求，合理設置驅動曲面的驅動方向、驅動參數、切削方式、刀位點的運動軌跡、切削參數、非切削參數、機床控制(運動輸出)等的參數。其余參數按照SKY-5L16075型數控機床規定使用的功能指令、程序段格式及編程參數來編寫加工程序。在五軸聯動的編程中，手工編程一般不可實現，通常要借助一些帶有五軸編程功能的CAD/CAM軟件來實現自動編程。這里是選用了Unigraphics編程軟件的CAM部分的多軸編程模塊進行自動編程的。刀具路徑如圖4所示。

對于多軸程序的編制，刀軸的控制是難點，它直接影響到工件加工的精度、質量和效率。本例中是通過驅動曲面來控制刀軸的連續變化的，其刀軸在加工過程中的位置如圖5所示。

2.4 多軸后處理的構建

(1)后置處理的作用 CAM軟件在對工件進行刀具路徑計算時是假定工件不動，刀具根據工件上需加工的空間點圍繞工件轉動。后置處理時再將刀具路徑按照機床結構和運動關系進行數據轉換，轉換成符合設定機床結構的程序代碼。

(2)后置處理的構造 在進行多軸程序的后置處理時，通常要構建一個與數控機床結構相同、符合數控系統指令格式和運行特點的后置處理。進入Unigraphics的后置處理構造器，按照此數控機床的結構、數控系統的指令格式和運行特點構造一個后置處理，構造完成后將其保存。其后處理如圖6所示。

2.5 后置處理“刀位”程序

將自動編程編制好的刀位程序按照指定的后處理轉換成數控機床能讀取的標準G代碼。

2.6 程序校驗

完成上面所有工序之后，對程序進行校驗。在Unigraphics中自建一個與實際結構一致的轉臺+擺頭式五軸聯動數控機床，把維納斯模型按照實際在機床上擺放的位置做在機床里面，在軟件中進行模擬加工。模擬實驗完成后開始后置處理所編制的程序，部分加工程序如下所示。

N0010 M03 S12000

N0020 G54

N0030 G10 P58 H01(RH)

N0040 G0 X397.373 Y-243.445 Z58.777 B49.168 C305.924

N0050 X324.158 Y-243.444 Z-4.492

N0060 G1 X321.888 Z-6.453 F1500.

N0070 X328.32 Y-234.677 Z-6.419 B48.175 C304.379 F8000.

N0080 X331.516 Y-230.13 Z-6.402 B47.698 C303.589

N0090 X334.705 Y-225.464 Z-6.381 B47.233 C302.786

N0100 X347.23 Y-205.632 Z-6.304 B45.503 C299.451

N0110 X370.349 Y-160.24 Z-6.171 B42.684 C292.198

N0120 X388.94 Y-107.454 Z-6.065 B40.764 C284.224

N0130 X400.546 Y-48.699 Z-5.994 B39.809 C275.688

N0140 X403.267 Y13.208 Z-5.965 B39.844 C266.856

N0150 X396.491 Y74.757 Z-5.982 B40.886 C258.034

N0160 X381.628 Y130.975 Z-6.043 B42.905 C249.752

N0170 X362.615 Y176.942 Z-6.153 B45.663 C242.665

N0180 X342.245 Y213.71 Z-6.307 B48.997 C236.676

N0190 X321.853 Y243.36 Z-6.497 B52.796 C231.552

N0200 X302.024 Y267.601 Z-6.705 B57.048 C227.1

N0210 X292.433 Y278.069 Z-6.807 B59.358 C225.086

N0220 X283.096 Y287.592 Z-6.901 B61.801 C223.197

N0230 X274.046 Y296.25 Z-6.988 B64.386 C221.427

N0240 X269.687 Y300.237 Z-7.027 B65.718 C220.593

N0250 X265.518 Y303.949 Z-7.064 B67.056 C219.805

N0260 X261.524 Y307.408 Z-7.103 B68.399 C219.06

N0270 X257.699 Y310.635 Z-7.142 B69.747 C218.355

N0280 X250.553 Y316.458 Z-7.219 B72.457 C217.058

N0290 X238.141 Y325.962 Z-7.362 B77.94 C214.865

N0300 X227.971 Y333.219 Z-7.473 B83.542 C213.122

N0310 X219.763 Y338.757 Z-7.531 B89.323 C211.751

N0320 X216.356 Y340.98 Z-7.532 B92.304 C211.192

N0330 X213.404 Y342.875 Z-7.51 B95.359 C210.713

N0340 X210.934 Y344.441 Z-7.463 B98.499 C210.317

N0350 X208.998 Y345.663 Z-7.39 B101.714 C210.011

N0360 X206.984 Y346.959 Z-7.215 B108.082 C209.707

N0370 X177.878 Y-363.013 Z-7.102 B109.437 C332.439

N0380 X178.149 Y-362.844 Z-7.226 B106.224 C332.411

N0390 X179.092 Y-362.343 Z-7.329 B103.053 C332.278

N0400 X182.932 Y-360.343 Z-7.475 B96.806 C331.704

N0410 X189.213 Y-357.005 Z-7.549 B90.674 C330.737

N0420 X197.936 Y-352.16 Z-7.564 B84.613 C329.363

N0430 X209.286 Y-345.449 Z-7.534 B78.594 C327.532

N0440 X215.848 Y-341.345 Z-7.492 B75.685 C326.452

N0450 X222.913 Y-336.733 Z-7.43 B72.875 C325.271

N0460 X238.552 Y-325.762 Z-7.262 B67.527 C322.586

N0470 X256.203 Y-311.996 Z-7.057 B62.501 C319.426

N0480 X275.936 Y-294.619 Z-6.841 B57.759 C315.702

N0490 X297.877 Y-272.353 Z-6.635 B53.299 C311.265

N0500 X309.651 Y-258.858 Z-6.54 B51.187 C308.721

N0510 X321.888 Y-243.444 Z-6.453 B49.168 C305.924

N0520 X328.321 Y-234.677 Z-6.418 B48.175 C304.379

N0530 X331.516 Y-230.129 Z-6.401 B47.697 C303.589

N0540 X334.705 Y-225.463 Z-6.379 B47.233 C302.786

N0550 X341.022 Y-215.782 Z-6.338 B46.342 C301.143

N0560 X347.23 Y-205.631 Z-6.299 B45.503 C299.451

N0570 X370.348 Y-160.237 Z-6.162 B42.683 C292.198

2.7 維納斯模型的實際加工

將卡具安裝在轉臺上，讓卡具的回轉中心和旋轉臺的旋轉中心一致，再把維納斯固定在卡具上。根據編程時指定的加工原點進行對刀設定，在機床的操作中選用G54定位標準。五軸聯動數控機床加工維納斯模型的精加工片段如圖7所示。

維納斯的粗加工、半精加工、精加工按照表1中的工藝流程進行操作，在這臺單擺頭單轉臺五軸聯動機床上加工的維納斯，加工精度能達到0.01 mm，在加工過程中，擺動軸可以在-120°～+120°范圍內連續擺動加工，回轉軸在0°～360°范圍內轉動，加上3個直線軸的配合，刀具可以加工一些倒扣的曲面，而且刀具在加工過程中避免了刀尖點零線速度的切削。這也是五軸聯動機床的優勢之一。

3 結語

通過測繪，應用UG軟件構建了復雜的維納斯模型，經數控工藝規劃以及特殊的后處理程序的處理，并充分利用轉臺+擺頭式五軸聯動數控機床加工維納斯雕像的模型，提供了復雜曲面高精度加工的新思路。

1 張磊.UG NX4后處理技術培訓教程［M］.北京:清華大學出版社，2007.

2 楊有君.數控技術［M］.北京:機械工業出版社，2005.

3 洪如瑾.UG NX5設計基礎培訓教程［M］.北京:清華大學出版社，2007.

4 楊勝群.UG NX4數控加工實用教程［M］.北京:清華大學出版社，2006.

5 http://www.skycnc.com