一種用于多軸并聯機床的數控加工編程方法

舒宏庭， 鄭小民

（江西省機械科學研究所，南昌 330002）

0 引言

并聯機床是機器人技術與機床設計技術相結合的產物［1-2］，涉及到許多現代控制、現代測量、建模仿真等高新技術。與傳統數控機床相比較，并聯機床具有剛度重量比大、響應速度快、環境適應性強、技術附加值高和結構簡單、容易實現五軸聯動等優點，被譽為“二十一世紀的機床”。并聯機床的數控加工編程是實現并聯機床數控加工的主要環節。但是由于并聯機床與傳統數控機床在結構和傳動形式上有很大差異，而現有的商業化CAD/CAM集成編程系統都是針對傳統串聯數控機床開發的，不能應用于并聯機床［3］。因此，研究并聯機床的數控加工編程技術，解決并聯機床復雜曲面零件數控加工編程問題，具有非常重要的理論意義和應用價值。本文以4-PUS/PUU構型的五軸聯動并聯機床為結構模型，研究基于4-PUS/PUU的并聯機床的數控加工編程，用以解決此類并聯機床編程困難的問題，并為其他類型并聯機床的程序編制提供借鑒。

并聯機床的數控加工編程包括：對零件進行三維造型；選定刀具和加工工藝方案；進行刀位計算并生成刀具運動軌跡；對刀具運動軌跡進行仿真、校驗和編輯，并生成刀位文件；將刀位文件轉換成并聯機床可讀的NC代碼［4］。

1 4-PUS/PUU構型的五軸聯動并聯機床

圖1采用5條支鏈實現空間五自由度運動，這種構型僅需4條PUS主動無約束支鏈和1條PUU主動約束支鏈，采用此構型可節約1條支鏈，使機床的運動構件質量減輕。

圖1 在SolidWorks建立的4-PUS/PUU虛擬并聯機床樣機

2 前置處理及刀位文件生成

在數控編程中，從建立零件模型到生成刀具軌跡的過程稱為前置處理，其任務是得到工件坐標系中刀具相對于工件運動的刀位文件［5］。本文采用Pro/E對需加工的零件進行三維建模，并選定相應的刀具和加工工藝。

圖2為在Pro/E平臺建立的曲面制造模型，此制造模型曲面復雜，能夠體現并聯機床加工的多軸聯動。然后在Pro/E里進行制造設置，此設置包括機床設置、刀具設定、機床坐標系設置、退刀面的設置、夾具配置等；隨后根據零件圖樣及工藝技術狀況，創建曲面銑削NC系列；演示刀具軌跡以及加工仿真等。

圖3為在Pro/E平臺加工曲面制造模型的曲面銑削刀具軌跡，通過此軌跡，能夠使設計人員了解之前的設置是否正確。隨后找到播放路徑，打開CL數據，如圖4，另存為qumian.ncl文件。此文件即為所需的刀位文件。

3 將刀位文件轉換成并聯機床可讀的NC代碼。

SolidWorks Motion是一個虛擬原型機仿真工具，借助在工業動態仿真分析軟件領域占主導地位ADAMS的強力支持，SolidWorks Motion能夠幫助設計人員在設計前期判斷設計是否能達到預期目標［6］。本文借助SolidWorks Motion強大仿真功能，首先在SolidWorks里構建4-PUS/PUU五軸并聯虛擬樣機，如圖1所示，進入Motion模塊，對qumian.ncl文件進行計算編輯，得出的數據加入刀具的各個方向，得出刀具的運動軌跡，此為并聯機床的逆解；以此結果得出各滑塊上下運動的數據，新建一運動算例，再以這些數據輸入到各滑塊，得到刀具的另一運動軌跡，此為并聯機床的正解，比較兩運動軌跡，可檢驗并聯機床是否能達到預期目標。由于4-PUS/PUU并聯機床采用PMAC控制5個滑塊上的伺服電機運動，如果正解軌跡與逆解的軌跡一致，就可以按照電機參數、絲桿螺距轉換滑塊運動的數據，得來的數據即為此并聯機床可讀的NC代碼。圖5為虛擬樣機模擬加工運行效果圖。

圖2 曲面制造模型

圖3 曲面銑削刀具軌跡

圖4 打開的CL數據

圖5 虛擬樣機模擬加工運行效果圖

4 結語

綜上所述，對于一種新構型并聯機床，由于其結構和傳動形式上的特殊性，數控加工編程往往很復雜繁瑣，本文提出一種較簡易的數控加工編程方法：利用Pro/E平臺建立零件的制造模型，進行制造設置，創建NC系列，打開CL數據得到所需的刀位文件；在SolidWorks里建立虛擬的新構型并聯機床，對Pro/E平臺得來的刀位文件進行計算轉換編輯，分別導入到虛擬樣機的各個方向，進行逆解的模擬加工，得出5個滑塊的上下運動數據，然后把這些數據導入SolidWorks另一運動算例里，進行正解仿真運動。經實驗驗證，此方法具有以下特點：1）只需借助Pro/E平臺和SolidWorks平臺，不需要設計復雜的算法，就可以得到并聯機床所需的NC代碼，簡單易行。2）通過逆解和正解刀具軌跡的對比，可以發現新構型是否能達到預期設計目的，驗證新機構的可行性。

［1］ 黃真，趙永生，趙鐵石.高等空間機構學［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］ 趙鐵石.空間少自由度并聯機器人機構學分析與綜合的理論研究［D］.秦皇島：燕山大學，2000.

［3］ 陳修龍.面向并聯機床數控編程技術的研究［D］.秦皇島：燕山大學，2005.

［4］ 陳修龍，趙永生.并聯機床數控編程理論與應用［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［5］ 詹友剛.Creo 2.0數控加工教程［M］.北京：機械工業出版社，2013.

［6］ 陳超祥，胡其登.SolidWorks Motion運動仿真教程［M］.北京：機械工業出版社，2013.