經濟型五軸數控機床后置處理系統研究與應用

孫杰金珊

(遼寧石油化工大學機械工程學院，遼寧撫順 113001)

五軸聯動數控是數控技術中難度大、應用范圍廣的技術。它集計算機控制、高性能伺服驅動和精密加工技術于一體，是加工連續、平滑、復雜曲面最重要的手段之一。目前我國開展的五軸數控加工技術還只是限制在高檔、先進的模具加工以及汽車零部件、飛機結構件等精密、復雜工件的加工。至今發達國家還在限制五軸聯動數控系統和機床對中國的出口，如果用戶使用國外的數控系統就必須簽署嚴格的定向使用協定，并接受檢查。由此帶來的高設備成本和高技術難度就限制了五軸數控加工技術在中小企業中的應用。本文旨在通過利用中小型企業現有的加工設備和通用的計算機控制系統，尋求一種低成本，高效率的五軸數控加工技術的應用，對該技術的普及和應用提供一種有效的技術途徑［1－2］。

本文利用自行改制的雙轉臺結構五軸機床試驗臺(圖1所示)。在UG/Post Builder通用后置處理器的基礎上，對經濟型雙轉臺式五軸聯動數控機床的后置處理進行研究。針對雙轉臺式經濟型五軸聯動數控機床選配特定數控系統，設定機床參數、程序和刀軌參數、NC代碼格式設置等，在程序的相應位置添加G代碼和M代碼指令，采用TCL語言編寫自定義用戶命令，添加旋轉軸角度計算和平動軸位移坐標計算子程序。同時開發出基于UG/POST Buider的通用雙轉臺式五軸機床后處理模塊，生成的NC代碼不需要人工二次處理，對五軸聯動數控機床加工的普及應用具有一定的積極作用［3－4］。

1 五軸數控機床坐標系的數學模型

在三直線軸(X、Y、Z)聯動情況下，編程員一般不需要關心是工作臺運動還是刀具運動，因為機床廠家均按照國際標準來定義機床的坐標系及其運動方向，不同系統的后處理變化不大。而五軸數控機床加上了A、B、C三軸中的兩軸旋轉，機床轉動與主軸頭的坐標是不同的，再加上機床廠家在生產時不一定按國際標準來定義機床的坐標系及其運動方向，因此對于不同的系統或旋轉坐標不同的后置處理相差很遠［5－6］。本文研究的是雙轉臺五軸聯動機床，其結構簡圖如圖2。

旋轉運動A、B、C相應地表示其軸線平行于X、Y、Z的旋轉運動，其方向按照右旋螺紋旋轉的方向。面向機床，Z平行刀具旋轉軸，Z+向上，X+向右，Y+向里，與設計坐標系完全相同。X、Y機床坐標由設計坐標系繞Z軸旋轉C角后所得，再繞X軸旋轉A角，計算較為復雜。

如圖3所示，CAM加工坐標系為OmXYZ，機床加工坐標系為OrXYZ，工作臺C回轉軸與Z軸方向一致，工作臺A回轉軸與X軸方向一致，OrXYZ坐標系原點設在A、C回轉軸交點上。CAM加工坐標系OmXYZ與機床加工坐標系OrXYZ的Z軸方向一致，其余二軸相互平行，OmOr=d，工件可繞OrXYZ坐標系的X軸轉動A角(0≤A≤120°)，工件可繞OrXYZ坐標系的Z軸轉動C角(0≤C＜360°)。刀具參考點Oc在CAM加工坐標系OmXYZ中的坐標為(xc，yc，zc)。刀軸矢量(一個位于刀具的軸線上，從刀具參考點指向刀柄方向的矢量)a為單位矢量，在CAM加工坐標系OmXYZ中的坐標為(ax，ay，az)。為計算方便，以刀具參考點Oc為原點建立刀軸矢量坐標系OcXYZ，與CAM加工坐標系OmXYZ各相應軸平行。根據以上已知條件，計算機床的運動坐標值(相對OrXYZ坐標系)X、Y、Z及相應的回轉角度A、C。

1.1 A、C 轉角的計算

工作臺(工件)相對刀具轉動，其轉角以順時針方向為正方向。將刀軸矢量a繞Zc軸順時針轉動C角到(－Yc)(+Zc)平面上，再將刀軸矢量繞Xc軸順時針轉動A角到與Zc坐標方向一致，如圖3所示。這樣就完成了刀軸矢量的轉換，即刀具相對于工件的轉動或擺動。對于雙轉臺式五軸數控機床，為實現以上轉換，工作臺的動作為工作臺繞C回轉軸順時針轉動C角，工作臺A回轉軸順時針轉動A角。

計算角度變換的數學模型為:

(1)C角的計算(4種情況)

(2)A角的計算

1.2 機床運動坐標X、Y、Z的計算

根據前述工作臺的旋轉過程，并且考慮機床結構、工件裝夾情況，坐標變換過程可歸納如下:①首先使工件坐標系的原點與機床坐標系的原點一致，OmOr=d=0;②工件繞Z軸順時針旋轉C角，坐標變換矩陣為T1;③工件繞A軸順時針旋轉A角，坐標變換矩陣為T2。

上述過程用數學公式描述為

［X Y Z 1］= ［xcyczc1］T1T2

刀軸矢量繞Z軸旋轉C角，變換矩陣為

刀軸矢量繞X軸旋轉A角，變換矩陣為

計算后，可得雙轉臺五軸加工坐標變換的數學模型為

2 基于UG/Post Builder開發的專用后置處理器

利用UG/CAM加工模塊產生刀軌，首要目的是為了加工工件，但我們不能直接將這種未修改過的刀軌文件傳送給機床進行切削工件，因為機床的類型很多，每種類型的機床都有其獨特的硬件性能和要求來進行后處理文件的制作。雙轉臺五軸機床屬于標準結構的機床，可以直接用UGPost－Bullder制作五軸聯動專用后處理程序［7］。UG后處理的原理圖如圖4。

2.1 設置機床參數

如圖5所示，在對話框中選擇五軸雙轉臺數控銑床，配備五軸數控系統，根據機床運動結構在圖6所示的一般參數、四軸、五軸窗口，編輯設置圓弧刀軌輸出、直線軸行程極限、機床零點、直線插補最小分辨率、機床快速移動速度、初始軸坐標、旋轉軸等相關機床參數。

2.2 設置程序和刀軌參數

在程序和刀軌窗口中定義、修改和用戶化所有機床動作事件的處理方式。在程序窗口中，定義、修改和用戶化程序設置。后處理程序包括:(1)程序開頭;(2)操作頭;(3)刀軌事件;(4)操作尾;(5)程序結尾。

在G代碼窗口，定義后置處理中用到的所有G代碼，包括快速運動、直線運動、順圓運動、逆圓運動、加工平面、刀具半徑偏置、絕對/增量編程和固定加工循環等。在M代碼窗口，定義后置處理中用到的M代碼，包括程序結束、主軸順轉、主軸逆轉、主軸停、冷卻開、冷卻停以及換刀等。在字地址定義窗口，設置各關鍵字格式;在字符順序窗口，定義字符優先順序;在用戶自定義命令窗口，添加用戶自定義程序命令，如圖7所示。用TCL語言編寫子程序，實現后置處理算法中旋轉軸角度的計算、坐標變換矩陣、平動軸位移坐標值的計算、增加切削時間等任務。在程序和刀軌參數窗口的用戶自定義命令中，導入已經實現的旋轉軸角度計算和平動軸位移計算等符合實際加工條件的子程序到用戶命令列表中。

2.3 NC數據格式設置

在NC數據參數設置窗口中，定義NC數據格式。如圖8所示定義使用的G、M字地址以及使用的FORMAT格式。

完成上述設置后，生成定義文件.def、事件處理文件.tcl和參數文件.pui，即開發生成了專用雙轉臺式五軸后置處理器。

3 加工實例

在自行研制的一臺采用步進電動機驅動的雙轉臺式五軸機床試驗臺上進行實際加工實驗，采用UGNX軟件構建一個直徑46 mm高25 mm的圓柱小半球組合體［8］，在上邊銑削兩個不同角度的斜面，在兩斜面的垂直方向鉆孔，并在球面上雕銑字母和數字，UG模型如圖9所示。

加工刀路用UG加工模塊分5步建立:①粗加工(型腔銑，刀具為φ6 mm立銑刀，刃長20 mm，加工余量為0.5 mm);②半精加工(剩余銑，刀具為φ4 mm球頭銑刀，刃長10 mm，加工余量為0.2 mm);③精加工(可變輪廓銑，刀具為φ4 mm球頭銑刀，刃長10 mm，加工余量為0);④多面鉆孔(鉆頭為φ4 mm，孔深8 mm);⑤在半球面刻字(30°平底尖刀，字深0.6 mm)。用本文編制的后置處理程序轉換成5組加工G代碼，圖10為采用自行研制的五軸數控試驗臺加工完成的試驗模型工件。從加工測試結果可看出，文中所建立的基于UG的后置處理系統可以有效地實現經濟型五軸數控機床的聯動加工。

［1］游華云，葉佩青，楊開明，等.機床工業亟需發展五軸數控技術［J］.制造技術與機床，2002(12):25－28.

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［5］張玉峰，白紅英.基于UG/POST五軸后置處理技術研究(上)［J］.金屬加工，2010(5):79 －80.

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［7］高長銀，臧穩通，趙汶.UG－NX6.0數控五軸加工［M］.北京:化學工業出版社，2009.

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