基于五軸聯動機床后處理的開發與驗證

孫耀恒,王科健

(白銀礦冶職業技術學院,甘肅 白銀 730900)

0 引 言

五軸數控加工具有高速、高效、高精、高穩定性等特點，廣泛的應用于航空航天、醫療器械、汽車、精密模具等精密加工中[1]。目前，五軸數控機床的用戶越來越多，國產的五軸控制系統與國外的控制系統差距越來越小，尤其是企業和高校也投入了五軸數控設備，五軸數控機床的控制系統繁多，機床結構也存在著差異。[2]與之配套的CAM軟件也很多，由于軟件和硬件之間的差異性，影響著五軸加工的范圍。要解決上述的問題，必須進行深入的研究五軸后處理。[3]

五軸數控機床有配套的CAM軟件才能助力五軸數控機床作用發揮，但CAM軟件后處理文件嚴重制約著五軸機床的功能，后處理文件需通過軟件供應商專門化定制方可使用，價格昂貴[4]。針對上述問題，以IMSpost為平臺，開發萬能后處理文件，將UG、Mastercam刀位文轉換為五軸NC代碼，以FEELER U600五軸機床為例進行切削驗證，驗證后處理文件的正確性和可靠性。

1 后處理文件的開發

1.1 刀位文件數學分析

在UG軟件中輸出.CLS刀位文件，刀位文件包含了刀具數據、切削參數、各軸坐標點等信息。如圖1所示，刀位文件中有6個關鍵數據，三個線性點坐標和三個刀軸向量值，如果三個向量值不為零時，說明刀軸發生了傾斜，需要多軸加工。

圖1 刀位數據文件

實際加工中刀軸始終垂直于水平面，依靠轉臺的翻轉和工作臺的旋轉實現加工。根據三個刀軸向量值，計算出A、C軸旋轉角度，如圖2所示，三個向量值分別是I0.7173189,J0.4630699,K0.5205957。通過這三個數據計算出A=58.628，C=57.155。

進一步分析得出：將刀軸的三個向量值轉換為A、C軸的旋轉角度即可。五軸機床結構如圖3所示。

圖2 A、C軸旋轉角度分析

機床A軸正向行程僅有40°，避免A軸超程將C軸旋轉180°，使A向負方向翻轉，即：A=0-A，刀軸在第一象限C=360-C，第二象限C=0-C，第三象限C=180-C，第四象限C=180+C。通過數學方法得到了五軸聯動的數控加工程序如表1所示。

圖3 雙擺臺五軸機床機構

表1 刀位數據對應的NC代碼

由于五軸聯動的刀位文件點數據龐大，需第三方的軟件轉換處理[5]。IMSpost軟件可識別多種CAM軟件的刀位文件，通過數據計算并轉換，將刀位文件轉換為五軸NC代碼，通過模擬驗證即可實際切削加工。

1.2 后處理文件的開發

開發專屬后處理文件需熟知機床結構和控制系統[5]。FEELER U600為雙擺臺正交結構五軸機床，配有海德漢iTNC530系統，可實現除裝夾面以外所有面的加工，完成高精度零部件加工，機床主要技術參數如表2所示。

表2 FEELER U600五軸加工中心主要技術參數

該控制系統具有RTCP功能，開發后處理文件，需從“程序開始部分、運動控制部分、程序結束部分”三部分為切入點，編輯宏命令，添加符合海德漢iTNC530的程序代碼。關鍵是開啟RTCP功能，具體操作如圖4所示選擇“宏管理器”，搜索“RTCP”宏指令并編輯，“ SYSTEM.COORD_RTCP = 1”為開啟RTCP功能，“SYSTEM.COORD_RTCP = 0”為關閉RTCP功能。

圖4 IMSpost宏指令編輯

編輯宏命令：RTCP/* SYSTEM.COOD_RTCP=0

IF(MODE.RTCP<>"OFF")

OUTPUT(MODE.RTCP.OFF,NEWLIN)

_FORCE_REGISTER = 1

ENDIF

SYSTEM.COORD_RTCP = 1

SYSTEM.CIRCTYPE = GLOBAL.CIRCTYPE_SAV

ENDCASE

編輯宏命令：INIT_CFG/* menu-generated code start，添加程序開始指令，取消RTCP功能、取消傾斜功能、取消坐標系平移、激活加工坐標系、啟用高速高精加工模式。

OUTPUT("FN 0: Q501=+0.0", NEWLIN)

OUTPUT("FN 0: Q502=+0.0", NEWLIN)

OUTPUT("FN 0: Q503=+0.0", NEWLIN)

OUTPUT("M05", NEWLIN)

OUTPUT("M127", NEWLIN)

OUTPUT("M129", NEWLIN)

OUTPUT("LBL 170", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 7.0 DATUM SHIFT", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 7.1 X+0", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 7.2 Y+0", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 7.3 Z+0", NEWLIN)

OUTPUT("PLANE RESET STAY", NEWLIN)

OUTPUT("LBL 0", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 247 DATUM SETTING Q339=+1 ; DATUM NUMBER", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.0 TOLERANCE", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.1 T0.100", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.2 HSC-MODE:1 TA0.5", NEWLIN)

編輯宏命令：LOADTL/* menu_0-generated code start，添加換刀前指令，刀具交換前需關閉切削液、主軸停轉、各坐標軸歸零，防止刀具與附件發生干涉。

IF (GLOBAL.FTOOL = -1)

OUTPUT("L ZQ503 R0 FMAX M91", NEWLIN)

OUTPUT("L XQ501 YQ502 R0 FMAX M91", NEWLIN)

OUTPUT("L A+0.0 C+0.0 FMAX", NEWLIN)

ENDIF

編輯宏命令：LOADTL/* menu_2-generated code start，添加換刀后指令，刀具交換后需開啟旋轉軸短路徑運動、添加RTCP指令、主軸正轉。

IF ((GLOBAL.FTOOL = -1) AND (GLOBAL.TOOLCHG_BLOCK=0))

OUTPUT("M126", NEWLIN)

OUTPUT("M128", NEWLIN)

OUTPUT("M03", NEWLIN)

ENDIF

編輯宏命令：FINI_CFG/*menu-generated code start，添加程序結束指令，關閉冷卻液、主軸停轉、取消傾斜功能、關閉旋轉軸短路徑運動、取消RTCP功能、各坐標軸返回參考點、程序結束。

OUTPUT("L M09", NEWLIN)

OUTPUT("L M05", NEWLIN)

OUTPUT("PLANE RESET STAY", NEWLIN)

OUTPUT("L M127", NEWLIN)

OUTPUT("L M129", NEWLIN)

OUTPUT("M140 MB MAX", NEWLIN)

OUTPUT("L ZQ503 R0 FMAX M91", NEWLIN)

OUTPUT("L XQ501 YQ502 R0 FMAX M91", NEWLIN)

OUTPUT("L A+0.0 C+0.0 FMAX", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.0 TOLERANCE", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.1", NEWLIN)

OUTPUT("M30", NEWLIN)

葉輪是驗證五軸聯動后處理文件的典型案例，葉輪模型如圖5(a)所示，為驗證后處理文件的可靠性，用UG粗加工葉輪如圖5(b)精加工葉片如圖5(c)所示，Mastercam精加工輪轂如圖5(d)所示。輸出并保存粗精加工刀位文件，UG刀位文件后綴名為.CLS，Mastercam刀位后綴名為.NCI。葉輪加工工藝參數如表3所示。

圖5 葉輪模型及加工軌跡

表3 葉輪加工工藝參數表

2 后處理文件的驗證

2.1 刀位文件轉換

在IMSpost軟件中，用開發的后處理文件對UG及Mastercam輸出的刀位文件進行轉換，如圖6(a)所示，選擇文件輸入類型，并指定保存路徑。轉換后的部分精加工部分程序如圖6(b)所示，程序初始部分、運動控制部分、程序結束部分完全符合開發要求。

圖6 IMSpost刀位文件轉換及轉換后的程序

2.2 后處理驗證

后處理文件的正確性采用虛擬仿真和實際切削驗證如圖7所示，Vericut虛擬仿真開啟碰撞檢測和過切檢查，經驗證無碰撞和過切現象，仿真結果如圖7(a)所示。

圖7 葉輪加工

U600的五軸加工中心上實際切削加工，完全滿足加工要求，實際加工如圖7(b)所示。

3 結 論

(1) 闡述了后處理文件的重要性，以雙擺臺正交五軸機床結構為研究對象，分析了各坐標軸的運動關系。

(2) 分析了刀位文件，通過數學模型計算出轉臺的旋轉角度，并以IMSpost軟件為平臺，編輯宏語言開發了五軸后處理文件。

(3) 通過驗證，將UG和Mastercam刀位文件轉換的NC代碼采用仿真和實際切削驗證，其結果與加工要求一致。

通過實際加工，開發的五軸后處理文件更好的發揮了五軸的加工優勢，開發安全有效的后處理文件解決了五軸加工中的技術瓶頸，對提高編程效率和加工可靠性有重要意義。