五軸數控銑削加工后置處理及其加工編程

黃桂武

(廣東科杰機械自動化有限公司，廣東 江門 529000)

0 引 言

在分析五軸加工編程工藝的前提下，利用所開發的后置處理程序借助VERICUT軟件來開展數控機床加工仿真工作，驗證了五軸編程與后置處理的合理性，對于提升五軸加工編程質量，解決后置處理問題，有著積極的推動作用。

1 五軸數控機床的特點及加工過程

鞋模專用的五軸聯動加工中心具有以下特點，底座上固定安裝了橫梁立柱。立柱上面安裝了溜板滑板，滑板上面安裝了電主軸。電主軸上安裝了刀把。采用AC旋轉工作臺，這款鞋模加工五軸數控機床，在立柱的側面裝有圓盤刀庫。該五軸聯動加工中心屬于鞋模專用，X里面行程600 mm，Y軸行程500 mm，Z軸行程300 mm。具體如圖1所示。

1.1 鞋模專用的五軸加工中心特點

床身采用了高標號的灰鑄鐵，且工作臺和Z軸結構部件采和了樹脂砂鑄球墨鑄鐵鑄造工藝，安全穩定。傳動導軌則使用20 mm的方形導軌，Z軸選擇大螺距精密研磨絲杠，精度非常高。其中的Y軸采用了雙電機同步驅動，促使設備能更好的運行。也使用精密滾珠絲桿和精密滾珠導軌傳動，運行效率達到了18 m/min[1]。五軸鞋底加工如圖2所示。

圖1 五軸數控機床 圖2 五軸鞋底加工

1.2 加工過程

(1) 鞋模加工參數

針對過去的五軸數控平臺情況，以及鞋模加工的特點，增加了主軸和Z軸的電機功率，而且采用國外進口的滾針導軌，促使設備的切削力、剛性得到了一定的提升。五軸底模加工如圖3所示，數控加工參數如表1所列。

(2) 平面互補

在進行平面互補加工的過程中，其中的法向矢量大概在-10°～40°之間，需要充分利用X軸驅動旋轉刀具的元件。在數控坐標平面，促使Y軸帶動C軸，從而開始運行和加工。盡管X軸和C軸交換需要通過斜滑臺來進行轉換，然而在這個過程中，兩條主軸卻仍然是以正交的模式來運行的。也因此，X軸和C軸轉換機床也屬于正交的類型。

表1 五軸數控加工參數

圖3 五軸底模加工

無論是X軸，還是C軸，其第四軸加工都必須在-25°～40°的范圍之間。這樣一來，便使得法向矢量超過了40°，而且大于X軸加工區域的平面范圍，同時在C軸的價格區域中。舉例說明：如果X軸無法加工的法向矢量是47°，則需要將第四軸旋轉至45°，而且通過C軸來進行操作。如果X軸無法加工的法向矢量是110°，那么也可促使第四軸被調整到-20°，借助C軸來加工。這樣一來，就能和五軸機床的加工區間形成一致。

(3) 互補加工的幾何研究

要對雙轉臺五軸機床后置處理，必須借助第四軸和第五軸內部的一些參數才能完成，僅需要在這些軸中的偏置表內輸入合理的參數即可。在進行加工過程中，這些參數必須在X軸加工第四軸矢量區域為-25°～40°時，才能產生作用。如果第四軸的矢量超過40°，則轉換為C軸。導致加工零件的過程中，無法采用偏置參數核算出來坐標。舉個例子，一旦第四軸矢量必須為47°，那么X軸便無法再使用。為此，可借助C軸來對第四軸矢量是45°區域進行加工[2]。而后置處理所產生的各種坐標，比如X、Y、Z，都必須借助第四軸是47°的點才能進行核算，和技術人員所需的第四軸是45°的坐標完全不一致。為了獲得準確坐標點，需為后置處理提供科學合理的核算模式。

(4) 對主軸進行操作

進行編程時，每次操作都使用不同刀具。而后置處理也僅僅需要產生一次換刀代碼。在X軸和C軸共同轉換中，卻必須要形成各種不同的換刀代碼，僅僅需要一次C軸改變代碼。如果第四軸矢量超過了45°，便必須要用到一次C軸代替代碼。在這種情況下，需對Z、C軸替換進行合理的后置處理。

2 主軸轉換原理

在互補加工中，如果第四軸旋轉角度超過了46°，則必須要采用C軸。其中，第四軸搖晃的幅度互補是90°到第四軸搖晃幅度值之間，第五軸搖晃幅度互補是180°和第五軸搖晃幅度的值。則僅僅只需根據互補之后第四軸和第五軸搖晃幅度的參數以及相對的X、Y、Z軸，通過Z軸和C軸轉換操作才能完成。對隨機點進行確定，選取第四、五軸搖晃幅度參數，實現相對坐標的幾何轉換。

比如在圖4中，O1點和O2點在Y方向的距離為165 mm，在Z方向的距離是125 mm。互補之后的第五軸搖晃角度是∠AOB，互補之后的第四軸搖晃角度是∠BO1C。若是將圖5的XY平面當成是C軸(第五軸)的旋轉平面，那么圖6的A軸(第四軸)則屬于YZ平面。

圖4 第四軸

圖5 XY平面

在書寫的時候，要將其中一個點的X方向坐標寫成點x，而Y方向坐標則寫成y。如果是A點X方向坐標，那么要寫成Ax，而且A點的坐標轉換該這樣進行計算：第一，從圖2中求出A點繞XY平面對第五軸搖晃幅度的B進行調整。第二，促使B點被轉換至將O1當成是坐標原點的YZ平面，借助Bx1和By1、Bz1來進行展示。第三，求出B點繞YZ平面搖晃第四軸之后的C坐標。第四，促使C點坐標調整至將O2作為坐標原點的坐標，而且用Cz1、Cx1、Cy1來進行表示，這三個數據的值也就是隨機點A的準確坐標[3]。

圖6 A軸

3 核算后置處理

在對數控自動程序編制語言進行處理時，促使前置處理形成的刀位軌跡轉變成數控機床的運行參數，以及處理數控機床的其他部分，這被稱為是后置處理程序。通過進行后置處理，可以促使刀具在坐標運動中的軌跡數據轉變成機床坐標數據。如果工件坐標系owXYZ在還未進行加工時便和機床運行坐標系orXYZ形成平行關系，則工件坐標點和機床旋轉中心所產生的坐標差數據為(xd，yd，zd)。而且刀心Co在工件坐標的位置是(x，y，z)；單位矢量(刀軸)在工件坐標系中是(nx，ny，nz)，要得出機床的坐標運行數據，具體如下：

3.1 核算轉角

在進行加工的時候，由于Z軸方向和機床的主軸方向是相同的，因此可以促使刀軸矢量進行調整之后，和Z軸方向相同，而且也要設置變換后的刀位點坐標。因為X向、Y向、Z向的運行沒有干擾刀軸矢量，在研究的過程中要促使刀軸矢量n的起點變為工件坐標的原點。再讓刀軸矢量朝著X軸和Y軸調整到和Z軸方向相同。由于A的取值區域不一致，所以可能出現兩種情況。

第一種情況是，一旦|A|<30°，則需要促使刀軸矢量調整到和Z軸方向一致，而且促使刀軸矢量反向繞著Z軸運行至C角，再到(+Y)(+Z)中。而且還要反向朝著X軸調整A角到和Z軸方向一樣的地方運行。也或者促使刀軸矢量正向朝著Z軸運行到C′至(-y)(+Z)中，再朝著X軸促使A′運行至和Z軸相同的方向。一旦|A|<30°，那么就需要促使刀軸矢量在最快的速度下，將C軸運行至(+Y)(+Z)、(-Y)(+Z)中，最后朝著X軸促使A角運行至和Z軸相同的方向。

第二種情況是，一旦30°

3.2 核算坐標值

刀心C0在通過工作臺運行之后，其位置在機床坐標系ORXYZ里應該是這樣的：第一，促使工件坐標系OwXYZ被轉移至機床坐標系ORXYZ里，其矩陣是

工件朝著Z軸移動至-C角，變換矩陣:

第三，工件朝著X軸旋轉-A角，變換矩陣：

最終得出：(X，Y，Z，1)和(X，Y，Z，1)T1T2T3是一樣的。

3.3 核算C軸

在C軸中，機床坐標不會產生變化。同時工件坐標則要進行調整，其和X軸的核算是一樣的，要促使刀軸矢量調整至和Z軸方向相同，那么就需要獲得轉角A和C，如果45°<|a|，那么就無法采用C軸來進行操作，能獲得坐標值(X，Y，Z，1)和-(X，Y，Z，1)T1T2T3。

3.4 后置處理程序

根據實際情況，在開發后置處理程序的時候，要使用面向對象的模式，在下表中，展現了對象類能進行的操作，具體如表2所列。

表2 對象與功能

執行流程，先對刀位文件里的完整記錄進行讀取，按照命令字符來對這個記錄的種類進行分析，形成相對的對象。再促使所形成的對象全部被納入CO bl ist內容里，直至刀位文件完成。在對整個過程進行闡述時，需將對象從CO bl ist里拿出來，而且按照對象種類來分析是文件代碼轉換還是坐標轉變。通過對機床旋轉中心坐標與工件原點坐標，采用上面所說的方法進行核算，按照加工數據、加工命令來對刀位文件進行替換，產生準確的數控程序段，將其寫入數控程序文件里[5]。

4 結 語

在鞋模加工中，五軸數控后置處理及其加工編程屬于一個非常復雜的過程。而且因為數控機床的種類有一定的差異，所以后置處理算法也完全不一樣。在這樣的情況下，研究全新的機床運行模式以及相對的后置處理方法就顯得越來越重要。筆者分析了五軸數控機床的互補原理以及后置處理、加工編程，提出了一些新的方法。最后采用數控仿真系統來進行驗證，結果發現這種五軸數控機床的后置處理流程、技術是科學合理的，其不但能解決大曲率曲面在機床中加工面積很小的問題，而且也提高了運行的效率和速度，因此這樣的技術和方法具有一定的可行性。