沿刀軸Z向控制方式搖臂銑加裝C軸后的擴展應用

張緒祥，劉旭華，詹華西

(武漢職業技術學院機電工程學院，湖北武漢430073)

小企業基于低成本投入的考量，為在一定程度上實現五軸加工的工藝拓展，在對三軸數控搖臂銑床進行加裝轉臺C 軸的四軸改造后，擬利用其主軸搖臂擺角的功能，實現固定傾角擺頭+擺臺五軸組合模式的加工。由于該搖臂銑的Z 向運動是沿主軸套筒伸縮控制來實現的，需要對其坐標轉換的算法進行研究，期望據此合理設置CAM 軟件的后處理參數并實施算法修正，以確保該機床數控加工自動編程的順利實現。

1 搖臂銑加裝C 軸后的運動特點及工藝適應性

在數控銑床的工作臺上加裝一C 軸轉臺進行四軸改造后，利用C 軸的回轉運動，可消除由插補逼近計算而引起的加工原理誤差，不僅能實現均布孔系的精確定位，同時也能大大提高銑削內外柱面輪廓的質量。數控搖臂銑床的主軸可人工手動擺轉并鎖定在某一角度，視其結構狀況可有繞Y 軸或X 軸擺轉兩種，相當于一固定傾角的B 軸或A 軸。其Z 軸運動的實現也可分為兩種，一種是Z 向為工作臺升降或主軸部件沿立柱升降的形式，其Z 軸始終垂直于XY平面; 另一種是Z 向在主軸套筒內沿刀軸方向運動，隨主軸座擺轉而變化，如圖1 所示。

圖1 沿刀軸Z 向伸縮的搖臂銑

搖臂銑加裝回轉C 軸后，相當于一擺頭(固定傾角) +擺臺(任意角度) 的五軸機床，這一組合運動形式既可利用平底銑刀的底刃實現與刀軸垂直的斜平面銑削，也可利用平底銑刀的側刃實現固定傾角的錐臺類側壁曲面的銑削加工，在銑削加工質量和加工效率方面都體現出較大的優勢。然而，由于搖臂銑加裝C 軸的機床形式，其主軸擺轉的角度不能自動控制，所以它不能完全適合真正的擺頭+擺臺五軸控制的所有加工方法，可實現的加工工藝范圍存在一定的局限性。

2 主軸傾角固定的多軸加工刀路及坐標算法處理

2.1 適應搖臂銑固定主軸傾角的五軸加工刀路特點

針對該搖臂銑加裝C 軸的機床形式，它要求五軸刀路中主軸擺角相對固定，只能在運動初期和運動結束時產生主軸固定擺角的運動，切削運動中不能再出現主軸的擺角變化，由此方可保證其他各軸坐標到位的準確性，同時也便于去除程序頭尾部分的B 軸運動指令。

在MasterCAM 中，以加工圖2 (a) 所示簡單錐臺零件為例，采用高級多軸模板中的壁邊或電極五軸等刀路方法，以平行于側壁曲面并定義刀軸為固定10°傾角的設置，即可得到圖2 (b) 所示刀路。其刀路特點是: 平底銑刀作B 軸10°的擺角后先走到錐頂圓周一側，Z 向下行后逐步引入至加工區，在始終保持固定傾角的狀態下，由C 軸旋轉實現側壁表面的加工，如此分層依次切削，直至全部側壁加工完成，最后引出、離開加工區后Z 向提刀，刀軸再擺轉復位至正常角度。這一刀路無論從刀路法向矢量、仿真運動效果還是NC 程序格局等諸多方面分析，都是適合搖臂銑固定主軸傾角加裝C 軸后的首選方式之一。

圖2 簡單錐臺零件的五軸刀路

2.2 搖臂擺頭模式下編程坐標的算法規則

主軸擺角對編程坐標計算的影響視擺角方式而不同，A 軸擺角時影響Y、Z 坐標，B 軸擺角時影響X、Z 坐標，其算法依照擺轉樞軸點到刀位點的擺長距離L 而變化，且隨著Z 軸運動實現方式不同而遵循不同的算法規則。

如圖3 所示，若以上表面回轉中心為編程零點并按0 傾角狀態對刀找正，刀具中心走到錐面+X 一側的某一位置。對于Z 軸是垂直升降運動實現方式的機床，如圖3 (b) 所示，其B 軸擺角時X、Z 坐標的算法如下:

圖3 搖臂擺頭模式下坐標算法

而對Z 軸運動是在主軸套筒內做伸縮運動的實現方式，其Z 軸運動方向受主軸擺角方位的影響，它始終是與刀具主軸軸線方向平行的，因此其X、Z向坐標的算法需要合理修正。如圖3 (c) 所示，此時X、Z 坐標應在上述基礎上做如下進一步處理:

Z' = Z/cosβ =［Za－ L × (1－ cosβ) ］cosβ //沿刀軸Z 向下刀的修正

X = Xa－Lsinβ－X' = Xa－Lsinβ－Z'sinβ //X 方向需消減同步位移

2.3 沿刀軸Z 向控制方式后處理算法的調整

針對MasterCAM 中擺頭+ 擺臺五軸后處理參數設置的研究已有相關的資料介紹，在此不再贅述。對于Z 軸垂直升降運動實現方式的機床，只要在后處理中正確設置擺長距離L 并激活偏置算法，即可由系統自動實現相關坐標算法的轉換。而對于Z 軸隨主軸擺轉后沿套筒軸向做伸縮運動的機床，可通過對雜項變量的第1 個整型變量(mi1) 進行標記(如設為5 時代表Z 軸為平行刀軸運動) ，然后可在后處理文檔的pbld 函數中添加如下坐標修正的處理內容。

基此，當需要按Z 軸沿刀軸方向運動模式做搖臂銑加C 軸控制的加工時，可先設置雜項整型變量mi1 中數據為5，然后再進行NC 程序的輸出。

3 沿刀軸Z 向控制模式搖臂銑的五軸加工仿真驗證

按照以上處理方法，對圖2 所示錐臺側壁曲面用MasterCAM X3 構建五軸刀路，并按修正算法實施了后處理的調整。在VERICUT 中，以基本三軸銑床模型為基礎，按第一家族Y→X→C→附件夾具→毛坯的邏輯關系添加C 軸轉臺，第二家族則按B→Z→主軸→刀具的邏輯關系構建，確保Z 運動沿刀軸方向進行，能隨著B 軸擺轉而變化，整個機床模型的邏輯關系如圖4 (a) 所示。根據圖4 (a) 的邏輯及其位置關系可以搭建出如圖4 (b) 所示的機床模型，并可算出毛坯上表面至樞軸點的擺長距離為700－254－110 =336 mm，則在MasterCAM 后處理時應按此擺長設置然后輸出NC 程序供VERICUT 調用。

機床仿真時，坐標系構建的對刀關系從組件B原點(樞軸點) 到毛坯頂面中心進行構建，如圖4(b) 所示，其仿真效果與期望的加工結果有很好的一致性，且其B 軸只在整個運動的起始與結束時才有擺轉的動作。但是，若置雜項變量mi1≠5，即按Z向垂直運動控制方式輸出NC 程序，則在該機床模型中只能得到如圖4 (c) 所示的仿真效果。此時由于未按修正算法處理X、Z 坐標，因此除在第一高度層中刀具與毛坯有一定程度的切削外，后續運動中刀具幾乎都難以接觸到毛坯，且換層時可以看到明顯的臺肩，說明在改變Z 深度時X 軸也實施了未消減的同步位移。另外，作者對橢圓錐臺側壁曲面也按上述方法進行了刀路設計及VERICUT 的仿真檢查，實施算法修正前后所輸出的NC 程序其仿真效果明顯不同。只要按前述算法對X、Z 坐標數據進行了修正，在該沿刀軸Z 向控制模式的多軸機床模型下均可獲得期望的加工仿真結果，這都較好地驗證了作者針對搖臂銑沿刀軸Z 向控制模式的多軸刀路及其坐標算法修正是合理可行的。

圖4 沿刀軸Z 向控制模式的多軸機床模型及加工仿真

4 結束語

搖臂銑加裝C 軸后相當于主軸固定擺角+轉臺C的五軸模式，盡管它只是一個四軸控制機床，但可充分利用CAM 的特定五軸刀路方法編制出僅在程序頭尾出現主軸固定擺角的NC 程序，實現錐臺類側壁曲面的加工，這在一定程度上拓展了搖臂銑的工藝范圍。文中主要針對搖臂銑中Z 向在主軸套筒內沿刀軸方向做伸縮控制的結構模式，從坐標算法規則及其后處理的算法調整等方面進行了分析和探索，并以圓柱錐臺及橢圓錐臺為例，通過VERICUT 多軸仿真軟件對CAM 自動編程的處理結果實施了仿真驗證。實驗證明，這種處理方法具有較好的可行性。

［1］吳軍．用MasterCAM X 進行多軸自動編程加工的方法［J］．機械工程師，2011(1) :100－101．

［2］劉春蘭，盧培文．基于MasterCAM 的曲面多軸加工實例分析［J］．CAD/CAM 與制造業信息化，2010(9) :71－73．

［3］孟凡秋．MasterCAM 后處理數控加工程序的修改［J］．模具制造，2007(4) :11－12．