五軸數控機床后置處理技術分析與工程實踐

黃安慶

梅州市高級技工學校，廣東梅州 514000

1 五軸數控機床的數控模型分析

五軸數控聯動技術字雖然難度較大但是需求廣泛。其主要是將計算機控制與高性能伺服裝置、精密數控加工等技術集中在一起，獲得一種多維度連續、平滑加工的模式，尤其是對與復雜曲面而言是一種重要的技術措施。下面就從其五軸數控建模上分析其工作的基本原理。

在簡單的三軸加工聯動的情況下，控制人員不需要關系工作臺與刀具的工作狀況，因為機床的三軸向加工模式是相對固定的運行模式，不同系統的后處理情況變化不大。而五軸數據加工在原有的普通三軸基礎上增加了兩個軸向旋轉，機床轉動與主軸轉動存在差異，因此對于不同的系統與旋轉坐標的后置位置相差較大。旋轉A、B、C三個軸相對應的是X、Y、Z坐標，其方向按照右旋螺紋的方向進行。即面向機床Z軸平行與刀具的旋轉，Z+為向上而X+為向右，Y+則向內，與設計坐標系保持一致。X、Y機床坐標由設計坐標Z軸旋轉一定角度C后獲得，然后在繞X軸旋轉角度A，計算的過程十分復雜。

圖1 五坐標加工刀軸矢量轉動關系

從上面的圖1中看，CAM加工坐標系統為OmXYZ，機床的加工坐標系統則為OrXYZ，工作臺的旋轉軸和Z軸相同，工作臺A的轉軸與X方向相同，OrXYZ坐標的原點在A、C向交匯的點上。CAM加工坐標OmXYZ與機床坐標OrXYZ的Z軸方向保持一致，其與為平行，即OmOr=d，加工件就會繞著OrXYZ中的Z軸進行旋轉，角度小于360°。刀具參考的點為Oc在CAM系統中OmXYZ坐標為（Xc、Yc、Zc）。刀具軸矢量a為單位矢量，在CAM加工坐標系OmXYZ中對應的坐標即為（ax、ay、az）。為了讓計算更加方便，通常以Oc為原點建立刀具的矢量坐標，使之與CAM加工坐標向平行。如果上述條件已知就可以計算對應的加工角度，指導完成加工。

2 五軸數控的后置處理原理分析

后置處理可以分為兩種系統，專用后置處理與通用后置處理。前者往往是指針對專用數控編程系統或者特定數控機床而專門開發的程序，通常直接讀取刀位文件中的位置數據，根據特定的機床特征和功能，以及指令格式等將其轉化為數控程序完成輸出。這類后置處理系統往往在專用數控編程中出現，即提供非商業化服務，其對刀位文件格式簡單，不會受到標準的規范，機床的特征與數控系統特征一般直接便如后置程序，后置處理過程的針對性較強，程序結構簡單容易實現。

通用后置處理系統主要針對的是不同種類的數控機床和數控系統對刀具的控制，對刀位文件進行后置處理，使得輸出符合數控系統的指令和格式的數控程序。但是因為數控機床的多樣化與技術不斷提高，通用的后置技術通常在一定范圍內通用，其通用化的程度需要按照標準與規范來考慮。但是其對商業加工的意義較大，因此通常所指的后置處理技術即為通用后置處理。其后置輸入的信息要求如下：刀位文件的輸入，后置處理技術主要是將刀位文件轉化為可以應用數控機床的加工程序，實現這個轉化的通用化，就要求刀位文件實現規范與標準化。目前國際上流行的做法是數控編程系統輸出的刀位文件應滿足IGES要求。如果刀位文件是非標準，則對應的格式應制定一個規范進行控制；數控文件，數控系統特性文件是為數控后置處理系統提供轉換，將刀位文件的內容轉換為適應具體機床的控制程序，其格式應進行必要的標準化。最后，數控機床的特征性文件設置，這個文件是描述機床運行與結構特征、運行參數、運行軸行程、最大速度、加速度等文件，后置處理系統根據這個文件對機床的運動求解、非線性運行誤差校正、進給速度校對、速度修正等處理。

3 在后置處理技術基礎上后置處理器的開發

隨著五軸數控技術的發展，對其后置處理技術的要求也不斷提高，工程實踐中往往利用后置處理器對某個生產過程進行“專用”控制，以滿足商業生產。下面就以五軸雙轉臺數控機床（MIKRON HSM 600U機床）為例進行分析。

3.1 對機床參數的設置

在設置中，對軟件對話框進行選擇，配置五軸數控系統，根據機床運行的結構所體現的各種參數進行參數選擇，如一般參數、四軸五軸窗口，編輯設置圓弧刀軌跡輸出的線性軸行程極限、機床的零點位置、直線插補最小分辨率、機床的速度、機床初始坐標、機床旋轉軸設定等等進行選擇與設定。

3.2 程序與刀軌設定

在程序與刀軌的窗口中定義與修改、專用化所有的機床動作的處理方式。在程序窗口中定義、修改程序化設置其中后處理的程序包括：程序起始段；操作端頭；刀軌控制；操作結尾；程序結果。在G代碼的窗口下，定義后置處理中所需要的所有G代碼，包括：運動速度、直線模式、順圓運動、逆圓運動、加工面、刀具半徑修正、絕對與增量編程、固定加工循環模式等。在M代碼窗口定義的是后置處理中M代碼內容，包括：結束程序、主軸轉向、主軸啟停、冷卻開關、換刀具等。在定義地址的時候，設置各個關鍵格式；字符順序窗口，定義字符優先等級與順序；在用戶定義窗口添加用戶自定義的程序指令。在利用程序語言進行編程的時候，實現后置處理的算法中歐能個旋轉軸角度的計算、坐標矩陣變換、平動軸移動值計算、增加切削時間等任務都應完成設置。在程序與刀軌參數窗口的用戶自定義中，導入已經實現的旋轉軸角度計算、平動軸位移計算等都應符合實際加工的需求。

3.3 NC數據設置

在NC數據參數窗口的設置中，應定義NC數據格式。在定義中使用的是G、M字地址和其應用的FOR-MAT格式。完成上述設置后生成的自定義文件為.def、事件處理文件為.tcl，參數文件為.pui，即完成在五軸加工中需要的后置處理器的開發。

4 零件加工的應用

在零件加工的應用中，選擇一臺電動雙轉臺五軸機床作為測試的對象，完成零件的加工。采用軟件構件一個復雜的圓柱加半球的組合零件，在上面完成銑削工藝，并形成兩個不同斜度的平面，在兩側在進行垂直方向鉆孔，并在球面上雕刻字母，如圖2。

加工的步驟分為一下幾個：粗加工：完成型腔銑，選擇刀具立銑刀，直徑6mm，刃場20mm，加工余量0.5mm。半精加工：銑剩余量，刀具設計直徑4mm球頭刀，刃長10mm，余量設計0.2mm；精加工：變輪廓銑削，刀具沿用半精加工刀具，余量0；多面鉆孔加工：鉆頭直徑4mm，深度10mm；刻字加工：選擇30°刻字刀，字體深度0.5mm。在加工中編制這些后置處理程序轉換為5組加工代碼，采用五軸數控設備完成這些加工，從最終的加工結果來看，建立在UG基礎上的后置處理系統可以有效的對加工過程進行控制，并實現效率最大。

圖2

[1]李賢元，孟文，周奎.五軸數控機床后置處理算法研究[J].機械，2009(10).

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