基于CAD與NC加工驗證的五軸加工中心設(shè)計方法

王 準(zhǔn)

（安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

當(dāng)前，我國的制造業(yè)正在不斷地向高柔性、高精度、高技術(shù)密集方向發(fā)展，作為高端制造裝備的五軸加工中心，日漸成為不少數(shù)控機(jī)床設(shè)計與制造企業(yè)新的研制、開發(fā)、推廣目標(biāo)，也是未來很長一段時間內(nèi)，該類公司的新利潤增長點;同時各類機(jī)械加工生產(chǎn)企業(yè)，對這類高端機(jī)床的需求欲望也日益強(qiáng)烈。

從機(jī)床設(shè)計、制造角度看，五軸加工中心相對于普通三軸、四軸加工中心而言，其結(jié)構(gòu)布局更加復(fù)雜，CNC配置更加靈活。其機(jī)械本體與所用CNC之間的整體協(xié)調(diào)性，機(jī)床靜態(tài)布局與其動態(tài)位姿匹配則是總體設(shè)計階段首先要解決好的問題。為此，筆者研究了各類計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）平臺和數(shù)控加工驗證平臺，提出了一種融合兩方面技術(shù)，實現(xiàn)五軸加工中心高效率、高質(zhì)量研發(fā)的方法。

1 五軸加工中心的特點及總體設(shè)計工作

1．1 五軸加工中心類型

所謂加工中心的五軸，是指3個移動軸（X/Y/Z）和兩個轉(zhuǎn)動軸（A/B/C中任意兩個）。不同轉(zhuǎn)動軸的組合方式，就形成了不同的五軸加工中心類型;不同的類型，其總體性能特點和適用范圍也不相同。

從兩個轉(zhuǎn)動軸所依附的機(jī)械本體而言，可以把五軸加工中心大致分為3種基本型:（1）兩個轉(zhuǎn)動軸都由工作臺來完成;（2）兩個轉(zhuǎn)動軸都由主軸來完成;（3）混合方式——一個轉(zhuǎn)動軸由工作臺完成，另一個轉(zhuǎn)動由主軸來完成。進(jìn)一步考慮A/B/C以及主軸的立、臥方式，可以細(xì)分出更多具體的配置方式。不同的配置方式，各有不同的優(yōu)缺點。

考慮到第3種類型——混合方式，具備第1、2兩種類型的一些共同特性:高剛度和大行程，可以實現(xiàn)重載與高速數(shù)控加工。因此，本文以第3種基本型——混合（復(fù)合）型，并結(jié)合立、臥兩類布局，詳細(xì)說明融合CAD技術(shù)和數(shù)控加工后置驗證技術(shù)，分析五軸加工中心總體設(shè)計的基本原理和方法。

1．2 五軸加工中心總體布局CAD

由于歷史沿襲和使用習(xí)慣原因，國內(nèi)不同地域、不同企業(yè)使用的CAD平臺，各不相同。從低端專用產(chǎn)品設(shè)計軟件包到集大成的Catia不等，但其中，計算機(jī)輔助產(chǎn)品開發(fā)的基本原理是相同的，即:從市場需求中獲取產(chǎn)品工程特征要素，把這些工程要素，轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品總體特征模型;對該總體模型進(jìn)行可行性、可靠性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等初步評估（也稱產(chǎn)品概念設(shè)計）;結(jié)合手工分析和各個層次的CAE技術(shù)，包括使用產(chǎn)品各個層級的數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品各個次級零部件細(xì)化設(shè)計（CAD過程中，特征信息不斷地被傳遞、升級、完善），此細(xì)化過程中實質(zhì)是融合DFX（Design for Manufacturing，Design for Assembly，Design for Dismantle…）理念的并行設(shè)計;數(shù)字樣機(jī)被驗證無誤之后，便是物理樣機(jī)的試制、評估、量產(chǎn)、市場反饋、更新……不斷迭代升級而使產(chǎn)品持續(xù)地被完美化。顯而易見，這一復(fù)雜過程中，產(chǎn)品的總體設(shè)計起著統(tǒng)領(lǐng)全局的關(guān)鍵作用。對于五軸加工中心這類高端產(chǎn)品而言，更是如此。現(xiàn)以Inventor和Solidworks兩個CAD平臺中，進(jìn)行立、臥兩種混合型五軸加工中心總體布局設(shè)計為例，分析說明其中的關(guān)鍵問題。

如圖1所示，是Inventor中立式混合型五軸加工中心總體布局方案:X/Y/Z+C軸數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺+B擺動軸（主軸依附其上，實現(xiàn)±90°～120°擺動）;如圖2所示，是Solidworks中臥式混合型五軸加工中心總體布局方案:X/Y/Z+B軸數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺+A擺動軸（主軸依附其上，實現(xiàn)±90°～120°擺動）。此總體布局方案是通過TopDown設(shè)計和BottomUp裝配確定的。

以Topdown方式進(jìn)行布局設(shè)計時，設(shè)計平臺的“組件”環(huán)境，類似于“產(chǎn)品開發(fā)部”。由于帶回轉(zhuǎn)工作臺的加工中心，一般以轉(zhuǎn)臺的邊長為主參數(shù)，整體加工中心就以回轉(zhuǎn)工作臺的幾何特征為驅(qū)動源——“回轉(zhuǎn)工作臺”是該類機(jī)床型譜結(jié)構(gòu)變化中，控制全局的零件。所以在“產(chǎn)品開發(fā)部”頂層節(jié)點就是“回轉(zhuǎn)工作臺”（參看圖3），并由此逐級展開且關(guān)聯(lián)式創(chuàng)建:可以跟隨工作臺變化的加工中心總體布局特征模型。此過程不再贅述，讀者可以參看文獻(xiàn)［1］。

以BottomUp方式進(jìn)行加工中心裝配時，設(shè)計平臺的“組件”環(huán)境，類似于“裝配車間”。在此“裝配車間”進(jìn)行五軸加工中心組裝時，一個重要問題就是該數(shù)字樣機(jī)的“機(jī)床原點”與設(shè)計平臺缺省的坐標(biāo)原點的一致性問題。一般情況下，五軸加工中心的“機(jī)床原點”是各個轉(zhuǎn)軸的交點，而X/Y/Z方向必須符合右手直角笛卡爾坐標(biāo)系規(guī)范，由此可以建立機(jī)床坐標(biāo)系。此坐標(biāo)系應(yīng)該與所用CAD平臺內(nèi)缺省坐標(biāo)系重合。這一要求，必須在BottomUp組裝中得到充分保證。需要注意的是:不同CAD平臺往往缺省的坐標(biāo)系方位是不同的，如Solidworks和Catia同屬一個母公司，但兩者缺省坐標(biāo)系方位完全不同。本文中，涉及到的Inventor和Solidworks也是不同的:Inventor缺省的Z是朝上的（圖1，與立式布局一致）;Solidworks缺省的Z軸是水平的（圖2，與臥式布局吻合）。

在CAD平臺內(nèi)完成的五軸加工中心總體布局，是否能夠與數(shù)控加工所需的復(fù)雜運動要求相適應(yīng)?即，與配套的CNC協(xié)調(diào)一致性如何?目前，從低端到高端的CAD平臺內(nèi)，是不能夠解答這些疑問的。在所設(shè)計的五軸加工中心物理樣機(jī)被制造出來之前，解決這些問題的可行性手段，便是借助專業(yè)數(shù)控加工驗證平臺，對疑問進(jìn)行逐步排解。下面以Vericut軟件為例，針對五軸加工中心總體布局設(shè)計，具體說明處理這些問題的基本方法和關(guān)鍵措施。

2 數(shù)控加工驗證所需的準(zhǔn)備工作

2．1 根據(jù)機(jī)床用途選擇典型加工零件

圖1和圖2所示的混合型五軸加工中心，在復(fù)位狀態(tài)時，主軸分別處于豎直和水平姿態(tài)。顯然，圖1展示的機(jī)床總體布局屬于立式數(shù)控機(jī)床范疇，圖2則為臥式數(shù)控機(jī)床范疇。這兩種機(jī)床的主軸依附在擺動轉(zhuǎn)頭上，工作運動時，主軸可以分別實現(xiàn)水平和立式姿態(tài);使用這類機(jī)床加工箱體類零件時，一次裝夾便可以完成，除底面之外的其他各個表面上所有加工要求。所以，筆者選擇2個減速器下箱體作為典型被加工零件，來進(jìn)行五軸加工中心總體布局相關(guān)問題的探索。

如圖4和5所示，是兩種不同類型的上下合蓋式減速器的下箱體。完整的減速器上下合蓋加工工藝規(guī)程設(shè)計，不屬于本研究、討論范圍，本文選擇其分體粗加工階段、使用五軸加工中心，完成下箱體各個相關(guān)表面的預(yù)加工工序，以研究五軸加工中心機(jī)械本體與由CNC驅(qū)動的運動之間，協(xié)調(diào)性與合理性方面的問題。

2．2 完成典型零件的數(shù)控程序

從圖4和圖5可以看出，下箱體的預(yù)加工階段，需要對頂面、兩軸承蓋側(cè)面以及注油口側(cè)面（含斜面和垂面）上的孔系和平面進(jìn)行初步加工。考慮到柔性制造的發(fā)展趨勢，本例中，用組合夾具實現(xiàn)工件的裝夾要求。圖6和圖7分別是兩個零件預(yù)加時，在立、臥五軸加工中心上被裝夾后的狀態(tài)展示。計算機(jī)輔助數(shù)控編程（CAM）時，可以連同夾具一起導(dǎo)入到CAM平臺，也可以單獨把下箱體（預(yù)加工終了狀態(tài)特征結(jié)構(gòu)）導(dǎo)入CAM平臺，來完成數(shù)控程序。

完成的數(shù)控程序和相應(yīng)刀具信息，將是加工中心后置驗證時的基礎(chǔ)信息。有關(guān)G代碼解讀與修改等數(shù)控程序后置驗證問題，不是本文研究的重點內(nèi)容。

2．3 創(chuàng)建機(jī)床驗證模型樹及其模型

首先在Vericut中創(chuàng)建與立、臥五軸加工中心各零部件結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系一致的模型樹。在模型樹的相應(yīng)節(jié)點，導(dǎo)入CAD平臺中已經(jīng)完成的各個零部件模型文件（與此過程相關(guān)的細(xì)節(jié)，請參看文獻(xiàn)［1］）。如圖8和圖9所示，分別是在Vericut驗證平臺中，立式和臥式五軸加工中心的驗證模型樹和模型。

2．4 把工裝信息和數(shù)控程序?qū)腧炞C平臺

在模型樹的“Fixture”節(jié)點導(dǎo)入組合夾具模型文件;在模型樹的“Stock”節(jié)點導(dǎo)入“本工序前工件狀態(tài)”模型（毛坯）文件;在模型樹的“Design”節(jié)點導(dǎo)入“本工序終了工件狀態(tài)”模型文件。數(shù)控程序可以直接在“NC Programs”中，導(dǎo)入由CAM平臺創(chuàng)建的數(shù)控文件。

而數(shù)控加工中的多把刀具信息，則必須借助CAM平臺和Vericut平臺之間的無縫連接技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。如圖10所示，分別是 Catia/CAM（左）和 Siemens NX/CAM（右）平臺下激活Vericut對話框。與此相關(guān)的一些具體方法，讀者還可以參看文獻(xiàn)［1］。

3 五軸加工中心的加工運行驗證及改進(jìn)案例

3．1 為驗證模型設(shè)定CNC型號

在模型樹的Control節(jié)點，根據(jù)機(jī)床制造企業(yè)實際為五軸加工中心配置的CNC型號，從Vericut控制器數(shù)據(jù)庫中選擇相應(yīng)的“*．ctl”文件進(jìn)行加載。參看圖8和圖9左上角線框部分，本次研究中，選擇的是Fanuc15M控制器。

3．2 MDI方式初步驗證及RTCP功能觀察實例

在MDI調(diào)試環(huán)境中，逐行輸入相關(guān)G代碼指令，驅(qū)動機(jī)床運動。此方式可直觀目測:主軸擺動、工作臺轉(zhuǎn)動、X/Y/Z向直線移動等是否合適。進(jìn)而，可以初步判斷五軸加工中心機(jī)械本體與CNC的協(xié)調(diào)性好壞與否。下面，以RTCP功能動作為例，進(jìn)行說明。

RTCP是五軸加工中心工作中，考慮刀具長度三維補償時特有的問題。有關(guān)RTCP編程及后置驗證方面的問題，不是本文討論的重點。此處，筆者從機(jī)床設(shè)計角度，討論針對CNC的RTCP功能，在五軸加工中心總體布局確定過程中，需要注意的問題。

五軸加工中心在激活RTCP功能的情況下，如果刀具需要相對瞬時被加工面的法向，進(jìn)行角度調(diào)整時，其主軸將以刀位點為樞軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的角度是通過對應(yīng)的X/Y/Z向直線位移增量來獲得的。此時，刀桿越長，轉(zhuǎn)角越大，需要X/Y/Z向移動的行程就越大。作為機(jī)床總體布局設(shè)計而言，這個因素是需要考慮在內(nèi)的（若不修改G代碼，機(jī)床就需要額外增加行程空間）。如圖11～13，展示的是不同長短刀具、不同轉(zhuǎn)動角度下，可以直觀發(fā)現(xiàn)的行程問題。

MDI方式并不能預(yù)知五軸加工中心在復(fù)雜、多變的實際加工狀態(tài)下，是否能夠順利實現(xiàn)工作運行。因此，就需要借助對實際數(shù)控加工程序的運行觀察，來完成機(jī)床運動協(xié)調(diào)性的全面驗證。

3．3 總體布局的全面驗證

五軸加工中心，將來面對的工作任務(wù)，大體可以分為兩種情況，一種是“多面定向加工”場合;另一種為“五軸聯(lián)動”方式加工復(fù)雜自由曲面。對五軸加工中心設(shè)計者而言，需要查看的是:在加工運動過程中或在不同極限方位時，五軸加工中心機(jī)械本體的各個零部件是否協(xié)調(diào)?對此，用前一種方式——“多面定向加工”，可以更加快捷地解決問題。2.1和2.2節(jié)中所涉及到的減速器下箱體預(yù)加工程序，便是出于此目的而準(zhǔn)備的。

該預(yù)加工程序運行時，將驅(qū)動五軸加工中心，完成工作臺360°范圍的分度轉(zhuǎn)動，同時還配合有主軸±90°擺動。可看出加工運行中，涵蓋了絕大部分可能的機(jī)床姿態(tài)，而且耗時少，設(shè)計者能夠立竿見影地判斷:機(jī)床布局合理與否。圖14展示的是立、臥五軸加工中心，鉆削下箱體45°斜面注油孔時，瞬間運行位姿。

3．4 發(fā)現(xiàn)及解決問題案例

在MDI方式的初步驗證和運行完整數(shù)控程序的全面驗證過程中，機(jī)床局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及尺寸上的不合理性，特別是總體布局上的不協(xié)調(diào)等諸多問題被發(fā)現(xiàn)和糾正。現(xiàn)舉一個布局由此而改進(jìn)的實例進(jìn)行說明。

本文研究的五軸立式加工中心，在早先的配置方案中，直接借鑒了一般四軸立式加工中心的布局結(jié)構(gòu)。眾所周知，常見的立式加工中心工作臺是類似萬能立式銑床的“十字滑臺”配置方式:工作臺依附在X滑臺上，X滑臺依附在固定的Y導(dǎo)軌上，從而實現(xiàn)X/Y直線位移。如此布局的五軸立式加工中心，在加工減速器下箱體側(cè)面時，工作臺是處于左右兩個極端位置，此時的重力載荷，將使機(jī)床的承載呈現(xiàn)極不對稱性。如圖15所示:B軸刀具擺頭轉(zhuǎn)動45°，C軸工作臺轉(zhuǎn)動90°，進(jìn)行下箱體注油孔及端面加工。此時整體X導(dǎo)軌副因為左邊懸空而承受顛覆力矩。這對機(jī)床導(dǎo)軌磨損、受力和熱平衡上的穩(wěn)定性，機(jī)床的振動，機(jī)床的壽命都會產(chǎn)生負(fù)面影響。圖16展示的是改進(jìn)X/Y結(jié)構(gòu)布局后，相同工步的瞬時姿態(tài)。顯而易見，前述問題就不存在了。

4 結(jié)論與展望

對于五軸加工中心這類高端制造裝備而言，無論是設(shè)計與制造者，還是終端用戶，都需要借助計算機(jī)輔助技術(shù)，來改善其在與此類產(chǎn)品相關(guān)生產(chǎn)活動中的質(zhì)量、效率、成本目標(biāo)。本文，從機(jī)床設(shè)備設(shè)計與制造者角度出發(fā)，以混合型五軸加工中心研發(fā)工作為研究對象，分析、闡述了在不同CAD平臺（Inventor和Solidworks）中進(jìn)行五軸加工中心總體設(shè)計以及在專業(yè)數(shù)控加工驗證平臺（Vericut）進(jìn)行機(jī)床運行驗證的基本方法、工作原理和流程。結(jié)果證明:五軸加工中心機(jī)械本體與其配套CNC間，協(xié)調(diào)性上的困惑;機(jī)床自身各個零部件間，布局合理性中的疑問，都可以非常快捷而準(zhǔn)確地被判斷并解決。高端數(shù)控機(jī)床設(shè)計與制造者可以在其習(xí)慣使用的CAD平臺，借助這些通用原理與方法，來改善其五軸加工中心的設(shè)計與制造工作。

五軸加工中心進(jìn)一步的設(shè)計工作中，可以把數(shù)控加工運行驗證中的運動信息輸出到CAE平臺，而在CAE平臺內(nèi)，可以結(jié)合CAD平臺的詳細(xì)工程特征信息，進(jìn)行加工中心運動學(xué)與動力學(xué)方面的實時分析;還可以使用FEA方法，對機(jī)床各個零部件的物理、機(jī)械性能進(jìn)行定性和定量判斷。另外，五軸加工中心的設(shè)計與制造者，也可以把加工中心總體布局幾何模型，提供給該類機(jī)床的終端用戶，以方便其在機(jī)床使用過程中各個具體的數(shù)控程序的后置驗證工作。

［1］王準(zhǔn)．四軸臥式加工中心上后置加工仿真的實現(xiàn)［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2012（12）:229－233．

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