基于UG的車銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床變軸車削后處理開發(fā)*

李粉霞　李瑞霞　楊興隆

(①山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治046011；②長治醫(yī)學(xué)院山西長治 046011；③淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 長治046012)

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基于UG的車銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床變軸車削后處理開發(fā)*

李粉霞①李瑞霞②楊興隆③

(①山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治046011；②長治醫(yī)學(xué)院山西長治 046011；③淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 長治046012)

針對“軸—孔平滑過渡”類工件在目前加工中，仍采用刀塔夾持車刀的普通數(shù)控車床，分別使用外圓車刀和內(nèi)孔車刀對接加工，表面質(zhì)量不高的問題。經(jīng)過長期的實(shí)踐嘗試與探索，對UG的后處理事件進(jìn)行研究，巧妙地運(yùn)用銑—車轉(zhuǎn)換的方法，在軟件的CAM自動編程加工中開發(fā)出了新型的“變軸車削”加工功能。實(shí)現(xiàn)了在具備主軸定向裝夾車刀的機(jī)械結(jié)構(gòu)和BC型一頭一臺五軸聯(lián)動插補(bǔ)功能的車銑復(fù)合機(jī)床上，采用B頭和Z軸聯(lián)動連續(xù)變軸車削的難題，更加突顯了復(fù)合機(jī)床的優(yōu)勢，填補(bǔ)了一項(xiàng)目前UG尚未開發(fā)出的技術(shù)空白。

車銑復(fù)合；變軸車削；銑—車轉(zhuǎn)換；后處理

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的日趨復(fù)雜化、精密化，企業(yè)紛紛引進(jìn)高端車銑復(fù)合數(shù)控設(shè)備，然而在實(shí)際運(yùn)用過程中，這些設(shè)備并沒有物盡其用，有些企業(yè)甚至將此類功能強(qiáng)大的數(shù)控設(shè)備當(dāng)普通機(jī)床進(jìn)行使用，造成了極大的浪費(fèi)。其根本原因在于復(fù)雜工件的加工特別是曲面類工件的加工需要CAM軟件自動編程來完成，技術(shù)人員無法將機(jī)床與軟件進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

筆者在與淮海工業(yè)集團(tuán)技術(shù)人員對公司一臺雙通道雙主軸九軸五聯(lián)動的車銑復(fù)合加工中心進(jìn)行數(shù)控設(shè)備后置處理配置過程中，通過不斷的潛心研究與開發(fā)，針對該機(jī)床所具備的主軸定向裝夾車刀的機(jī)械結(jié)構(gòu)和BC型一頭一臺五軸聯(lián)動插補(bǔ)功能，通過對各機(jī)構(gòu)之間的算法研究，開發(fā)其自動加工中的“變軸車”模塊，采用B頭和Z軸聯(lián)動加工，實(shí)現(xiàn)了變軸車削的這一難題。

1　“軸—孔圓弧平滑過渡”類工件的加工方法分析

車銑復(fù)合機(jī)床的出現(xiàn)，使得許多復(fù)雜工件能夠一次裝夾成形。更主要的是它特殊的幾何結(jié)構(gòu)令“軸—孔圓弧平滑過渡”類產(chǎn)品設(shè)計(jì)者眼前一亮。如圖1所示工件形狀，一般的數(shù)控車床都是刀塔夾持車刀進(jìn)行加工的，車削此類工件必須分別采用外圓刀和內(nèi)孔刀對接加工，這樣在交接處就不可避免地留下接印，圓弧的形狀、尺寸都會受到影響。而往往許多設(shè)計(jì)者又非常希望自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品外觀漂亮，面對這樣的不足，筆者在對車銑復(fù)合機(jī)床進(jìn)行后處理配置過程中，認(rèn)真對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其車刀可以由旋轉(zhuǎn)主軸定向夾持，主軸頭也可以作為一個坐標(biāo)軸連續(xù)變換角度，利用這樣的機(jī)床采用B頭和Z軸聯(lián)動進(jìn)行連續(xù)變軸車削無疑是最佳選擇。

但是現(xiàn)今使用的CAD/CAM軟件卻沒有變軸車削的加工功能，但其有變軸銑加工功能，如果能夠?qū)娂庸ぜ右匝莼刃檐嚰庸ぃщy將有望得解。但是由于UG的銑加工不允許調(diào)用車刀，其輸出的坐標(biāo)點(diǎn)又都是針對銑刀的旋轉(zhuǎn)中心，這樣就會給“銑-車”轉(zhuǎn)換的設(shè)想帶來巨大的麻煩。為了克服這一難題，在后處理具體過程中，研究小組將坐標(biāo)點(diǎn)從銑刀刀具中心轉(zhuǎn)換到車刀的刀尖，然后在后置處理時將旋轉(zhuǎn)主軸設(shè)定為工件的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了“軸—孔圓弧平滑過渡”類工件的變軸車加工。

2　變軸車后處理開發(fā)的算法研究

(1)球頭銑刀刀位點(diǎn)在擺頭式機(jī)床中的坐標(biāo)計(jì)算

在車銑變換之前，先研究一下球頭銑刀在變軸銑加工中的刀位點(diǎn)計(jì)算。為了不同層次讀者方便閱讀，筆者在此采用基本三角函數(shù)的概念闡述擺頭式機(jī)床的幾何運(yùn)動關(guān)系。

如圖2中，O點(diǎn)坐標(biāo)是UG對于擺頭式機(jī)床的輸出坐標(biāo)，而用戶實(shí)際需要的是A點(diǎn)，即球頭刀刀位點(diǎn)的坐標(biāo)，利用三角函數(shù)關(guān)系很容易得到A點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)X和Z方向的坐標(biāo)值,圖中，

AX=OB=OX+(L1+L2)*cosa

(1)

AZ=AB=OZ-(L1+L2)*sina

(2)

式中：L1代表機(jī)床主軸頭旋轉(zhuǎn)中心到主軸端面的距離；L2代表刀具長度；OX代表UG輸出的o點(diǎn)在X方向的坐標(biāo)值；OZ代表UG輸出的o點(diǎn)在Z方向的坐標(biāo)值；a代表實(shí)際機(jī)床主軸頭即B軸旋轉(zhuǎn)角度，圖2的角度在右手笛卡爾直角坐標(biāo)系中取負(fù)值。

相應(yīng)地在UG的后處理的程序編制為：

Set mom_pos(0) [expr $mom_pos(0) + ($fix_length + $mom_tool_length)* cos($mom_out_angle_pos(0) * $DEG2RAD)]；

Set mom_pos(2) [expr $mom_pos(2) - ($fix_length + $mom_tool_length)* sin($mom_out_angle_pos(0) * $DEG2RAD ]；

其中：mom_pos(0)，代表實(shí)際加工中刀位點(diǎn)X軸的輸出坐標(biāo)，對應(yīng)式(1)中的AX;mom_pos(2)，代表實(shí)際加工中刀位點(diǎn)Z軸的輸出坐標(biāo)，對應(yīng)式(2)中的AZ;fix_length，代表主軸頭旋轉(zhuǎn)中心到主軸端面距離L1，為實(shí)測固定值；mom_tool_length，代表刀具長度L2，UG系統(tǒng)變量；mom_out_angle_pos(0)，代表B軸旋轉(zhuǎn)角度，UG系統(tǒng)變量，對應(yīng)∠AOB即a；DEG2RAD，代表弧度與度的轉(zhuǎn)換公式(因?yàn)閁G默認(rèn)的角度是弧度)。

(2)球頭銑刀初始刀位點(diǎn)與車刀切削點(diǎn)的換算

要想把球頭銑刀的刀位點(diǎn)轉(zhuǎn)換成車刀的切削點(diǎn)，就要將球頭銑刀在零度時(圖3)的刀尖點(diǎn)即刀位點(diǎn)等效為車刀旋轉(zhuǎn)其刀片裝夾角度的一半時切削點(diǎn)(圖4)，方便起見以裝夾角度為90°的車刀片論述(實(shí)際生產(chǎn)中一般選用35°較好)。由“球頭銑刀刀位點(diǎn)在擺頭式機(jī)床中的坐標(biāo)計(jì)算”方法反推回去，可以很容易得到圖5中A點(diǎn)坐標(biāo)(相當(dāng)于球頭刀的刀位點(diǎn))。

從圖5車刀刀片放大圖中分析，可得到的已知條件為：

①△A1AA2與△A1O1C為相似三角形，那么∠A1AA2=∠A1O1C，且均為是刀片裝夾角度的一半。

②O1A3和O1A1均為刀片刀尖半徑。

③車刀最大旋轉(zhuǎn)半徑, 也可以通過車銑復(fù)合機(jī)床上配有的雷尼紹自動對刀測頭方便地得到。

④根據(jù)式(1)與式(2)的要求，要求出切削點(diǎn)A的坐標(biāo)還缺少一個條件就是AA1的距離，用車刀最大旋轉(zhuǎn)半徑減掉O1A3車刀刀尖半徑值)就是AA1的距離。

在后處理器的開發(fā)過程中，要實(shí)現(xiàn)這種變換必須給事先后處理器賦予兩個實(shí)際條件值，即刀片裝夾角度和車刀最大旋轉(zhuǎn)半徑，然后利用圖5的三角關(guān)系就實(shí)現(xiàn)了球頭銑刀刀位點(diǎn)A與車刀切削點(diǎn)C的換算。得出：

(3)

(4)

式中：CX為轉(zhuǎn)換后車刀切削點(diǎn)C的X坐標(biāo)值；CZ為轉(zhuǎn)換后車刀切削點(diǎn)C的Y坐標(biāo)值；θ為刀具旋轉(zhuǎn)角度。

說明：分析了球頭刀在零度時與車刀的等效變換后，讀者已經(jīng)具備了主軸頭擺動到其他非零角度時的變換思想，無非是三角函數(shù)再復(fù)雜一些而已，只要判斷清楚刀具在不同象限的正負(fù)值就會得到正確的mom_pos值，最終目的是為了求得車刀切削點(diǎn)的坐標(biāo)值。如果機(jī)床具備兩個工件工位，后處理應(yīng)予以區(qū)分正確的初始變換角度。這里主要闡述一種思維方法，具體過程不再贅述。

3　“變軸車削”加工方法的后處理事件定義

(1)“變軸銑-車”加工方法轉(zhuǎn)換設(shè)置

在“變軸銑-車”加工的自動編程過程中，只需要將變軸車類工件的內(nèi)外輪廓線自然拉伸成很窄的片體作為工件體，這樣可以很好地防止過切的產(chǎn)生；刀具選半徑等于車刀刀片半徑的球頭銑刀，驅(qū)動方式選“曲線/點(diǎn)”，選擇工件內(nèi)外輪廓線作驅(qū)動曲線；刀軸選“插補(bǔ)”，以車刀不產(chǎn)生干涉為原則，調(diào)整曲線上各個點(diǎn)的刀軸矢量，會得到從外圓到內(nèi)孔的一條刀軸矢量連續(xù)變化的刀具軌跡即為變軸車的切削軌跡。

(2) 建立“變軸車”用戶定義事件

在實(shí)際的使用過程中，為了使用戶更加容易分辨變軸車與變軸銑，在此，建立一個變軸車的用戶定義事件，當(dāng)此用戶定義事件激活時輸出的程序才是變軸車程序。過程如下：

打開D:Program FilesUGSNX 4.0MACH esourceuser_def_eventude.cdl文件，插入語句：

EVENT variable_axis_turn

{

UI_LABEL "變軸車”

CATEGORY MILL DRILL LATHE

PARAM variable_axis_turn

{

TYPE b

DEFVAL "FALSE"

UI_LABEL "變軸車”

}

PARAM clamp_offset

{

TYPE d

DEFVAL "0.0"

TOGGLE Off

UI_LABEL "刀具裝夾偏置"

}

PARAM clamp_angle

{

TYPE d

DEFVAL "0.0"

TOGGLE Off

UI_LABEL "刀具安裝角度"

}

}

重啟UG,新建變軸車操作，點(diǎn)擊“機(jī)床”—“開始事件”—“編輯”，找到“變軸車”雙擊，出現(xiàn)圖6所示，在激活變軸車按鈕后，輸入刀具裝夾角度和刀具裝夾偏置(即車刀最大旋轉(zhuǎn)半徑)，后處理就認(rèn)為此時是變軸車。

打開車銑復(fù)合機(jī)床的TCL文件，添加：

proc MOM_variable_axis_turn { } {

global mom_variable_axis_turn

global mom_clamp_offset

global mom_clamp_angle

}

proc PB_CMD_variable_axis_turn { } {

global mom_tool_axis_type mom_operation_type

global mom_pos mom_out_angle_pos mom_tool_length mom_machine_mode

global mom_variable_axis_turn

if {![string match "MILL" $mom_machine_mode]} {

return

}#車操作退出

if {![info exists mom_variable_axis_turn] || ![string compare $mom_variable_axis_turn"FALSE"] } {

return

} #變軸車用戶事件沒激活時退出

if { ![string compare $mom_variable_axis_turn "TRUE"]} { #只有在變軸車用戶事件激活時條件成立

if { ($mom_tool_axis_type >= 2 &&[string match "Variable-axis *" $mom_operation_type]) } { #只有在變軸銑時條件成立

set fix_length 119.27 #實(shí)測的頭旋轉(zhuǎn)中心到主軸端面的距離

……#后面是mom_pos的計(jì)算。

}

}

(3)“變軸車”主軸頭旋轉(zhuǎn)激活設(shè)置

在車銑復(fù)合機(jī)床中會有多個主軸，由于此方法是有變軸銑轉(zhuǎn)換而成，所以生成的代碼仍然是銑主軸頭在旋轉(zhuǎn)，需要在后處理中加入判斷語句，判斷“變軸車”激活與否而控制哪個主軸旋轉(zhuǎn)。在此，以西門子840D的主軸指定指令為例作一介紹：

假設(shè)銑主軸號為3，車主軸號為1。在后處理刀軌開始處添加custom command，內(nèi)容為：

globalnumb #定義主軸號的全局變量

if { ![string compare $mom_variable_axis_turn "TRUE"]} {

if { ($mom_tool_axis_type >= 2 &&[string match "Variable-axis *" $mom_operation_type]) } {

set numb 1#指定主軸號

}

}

在后處理換刀事件后添加BLOCK:

SETMS($numb)

4　結(jié)語

本文針對采用“銑—車轉(zhuǎn)換”的思維方式在車銑復(fù)合機(jī)床上實(shí)現(xiàn)“變軸車”的幾何算法、編程注意事項(xiàng)、后處理實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述，通過利用VERICUT軟件進(jìn)行虛擬仿真，然后在實(shí)際加工中經(jīng)過試切驗(yàn)證，事實(shí)證明該變換方法正確可行，并且可以改善“軸—孔平滑過渡”類工件的表面質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)者需求，使車銑復(fù)合機(jī)床的硬件資源得到充分利用，填補(bǔ)了一項(xiàng)目前UG尚未開發(fā)出的技術(shù)空白。

[1]陳國文.車銑復(fù)合加工技術(shù)在航空業(yè)的應(yīng)用與展望[J]. 航空精密制造技術(shù)，2010(2) ：28-29.

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[3]李憲凱,崔佩強(qiáng)等.車銑復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)分析[J]. 設(shè)備管理與維修，2006(1).36+42.

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[9]吳玉厚,劉巖，陸峰，等.異型石材車銑復(fù)合加工中心專用后置處理算法及程序研究[J].制造業(yè)自動化，2014(1)：20-22.

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(編輯譚弘穎)

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The development of variable axis turning postprocessing based on UG for turning-milling machine tool

LI Fenxia①,LI Riuxia②,YANG Xinlong③

(①Shanxi Institute of Mechanical and Electronic Engineering,Changzhi 046011,CHN；②Changzhi Wedicol Couege, Changzhi 046011,CHN;③Huaihai Industries Group Co.,Ltd., Changzhi 046021,CHN)

In the current processing, aiming at "axis- hole slip transition" parts , respectively using a cylindrical turning tool and inner hole tools docking processing in CNC turret, but the problem is surface quality is not high.After a long time of practice and exploration, the author studies the post processing event of UG, and makes use of the conversion method of milling and turning, and develops a new type of "variable axis turning" processing function in the software CAM. Realized the problems of the head B and Z axis adopts the continuous variable axis turning in spindle orientation with clamping tool of the mechanical structure and BC type of a head of a five axis linkage interpolation function of composite milling machine tool.Highlights the advantage of compound machine, filled a technology gap of UG .

turning-milling compound;variable axis turning;milling-turning conversion;post processing

TP391

A

李粉霞，女，1976年生，碩士，副教授，主要從事數(shù)控技術(shù)多軸加工以及CAD/CAM方面的科研和教學(xué)工作。

2015-08-12)

160139

*2012年山西省高等學(xué)校科技研究開發(fā)項(xiàng)目(20121135)，2014年山西省教育科學(xué)十二五規(guī)劃課題工業(yè)控制技術(shù)虛擬設(shè)備教學(xué)設(shè)備研究與開發(fā)(JH-14042)