擺頭轉臺五軸聯動加工中心后置處理研究與實踐

佛新崗

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

近年來，伴隨著我國制造業的迅速發展，多軸聯動機床不僅在軍工企業得到普及，在中小型企業也開始普遍裝備多軸機床。針對不同的客戶需求，市場上出現了種類繁多的多軸機床，從國產的多軸機床到國外進口的高檔五軸機床，配置的數控系統[1]主要有德國的Heidenhain、Siemens、日本的Fanuc等。作為數控加工的輔助工具，CAM編程軟件也紛紛推出多軸編程模塊以適應多軸加工的需求，利用軟件的CAM功能生成加工的刀軌文件。但刀軌文件并不能直接用于機床加工，而是要經過一定的規則轉換成不同機床可以識別的特定加工程序，實現這一轉換的技術就是后置處理。因此，后置處理技術的研究就成了機床加工的核心技術。一般情況下，大多數CAM軟件都帶有三軸以及少量的多軸通用后處理格式文件，但基本上都不能直接用于后處理，需要二次開發。本文以某航空制造企業購置的德瑪吉DMU60T擺頭轉臺五軸聯動加工中心為研究對象，借助UG軟件后處理構造器開發其專用后處理文件[2]，并利用全球領先的數控加工仿真軟件VERICUT驗證后處理的正確性和可行性，進而為快速高效的使用多軸設備提供安全保障。

1 后置處理開發

1.1 后置處理開發方法與流程

用于多軸加工的常用軟件有UG、MasterCAM、Esprit、Powermill、Hypermill、Cimatron等等，無論哪一款CAM軟件，對應的后處理開發方法主要有以下幾種[3]：①直接將CAM軟件生成的刀位軌跡轉換成加工代碼，特點是靈活、方便，但工作量大；②利用類似于UG/Post Builder后處理構造器的軟件編制后處理，特點是要同時熟練掌握CAM軟件和對應的后處理模塊功能，難度較高；③購買軟件廠家開發的配套后處理，特點是價格昂貴；④使用人機交互式的專業軟件自行開發，特點是專業性太強。這四種開發方法各有優缺點，這里選擇第二種方案，以UG軟件為例，其開發流程如圖1所示。

圖1 后處理開發流程

1.2 DMG_DMU60T機床后處理開發

德瑪吉DMU60T是一款典型的擺頭轉臺五軸聯動加工中心，改造后配置數控系統為Fanuc30i。主要加工材料有硬金屬、軟金屬、合金、鋼結構、塑料、板材、橡膠、玻璃、陶瓷、石材、磁性材料、石墨等，其結構如圖2所示，實體機床如圖3所示。其主要參數有：X/Y/Z軸行程為630/560/560 mm、A軸旋轉范圍為-91°～12°、刀庫容量為24把、主軸轉速為12 000 r/min、X/Y/Z軸進給速度為20～10 000 mm/min等[4]。

圖2 機床結構

圖3 DMU60T機床

對于一擺頭一轉臺五軸聯動加工中心機床，必須先裝夾刀具、裝夾工件，確定刀具的長度和工件在機床中的位置。而后根據刀具的實際長度和工件實際位置，生成NC程序。系統不帶RTCP、RPCP功能[5-6]，更換刀具或調整工件裝夾位置后，必須重新生成NC程序。該類機床的擺臂(樞軸)一般較長，加工時盡可能選擇較短的刀柄、刀具，在編程時安全選項的設置也要合理，避免實際加工時各軸超出行程范圍。

按照圖1的設計流程開發專用后置處理流程如下：

(1)搜集機床數據。如表1所示。

表1 機床數據

(2)定制后處理。設置后處理名稱為5AXIS、單位為毫米、機床類型為5軸帶轉頭和轉臺，如圖4所示。

圖4 選擇機床

(3)設置第四軸(B軸)、第五軸(C軸)旋轉平面及樞軸距離如圖5所示。

圖5 旋轉平面

(4)在程序和刀軌標簽中選擇程序，設置程序起始序列。主要內容有：①添加程序初始化指令(G40、G17、G80、G49、G90、G21)；②添加加工時間(global mom_machine_time MOM_output_literal "(TIME :[ format "%.2f" $mom_machine_time])")。設置結果如圖6所示。

圖6 程序起始序列

(5)在程序和刀軌標簽中選擇程序，設置工序起始序列。主要內容有：①添加換刀指令；②添加加工坐標G54指令，主要是針對機床零點不在工作臺中心的機床，可以通過工件坐標系來設置工作臺中心點相對于機床零點的偏置。設置結果如圖7所示。

(6)在程序和刀軌標簽中選擇程序，設置刀徑/運動。主要內容有：打開快速移動對話框，設置GOO快速定位各軸的運動順序，如圖8所示。為避免刀具快速

圖7 工序起始序列

移動是發生刀具和工件碰撞，在刀具快速定位時，通常先旋轉B、C軸，而后是定義X、Y、Z軸定位并接近工件，避免直線軸和旋轉軸同時快速移動[7]。

圖8 快速移動設置

(7)在程序和刀軌標簽中選擇程序，設置工序結束序列。主要內容有：①添加主軸關、冷卻液關指令；②添加Z軸退刀指令(為避免在下一個操作中B、C軸旋轉時，造成刀具和工件的碰撞，在每一個操作結束時，Z軸要退回正向最遠點)；③添加BC軸回零指令。設置截圖如圖9所示。

圖9 工序結束序列

(8)在程序和刀軌標簽中選擇程序，設置程序結束序列。主要內容有：添加程序結束M30指令。

(9)保存退出。在保存目錄下會生成 3 個文件，分別是:5AXIS. def 、5AXIS. tcl、5AXIS.pui，其中.def為定義 NC 輸出格式，.pui為下次再次編輯文件，.tcl為處理事件生成器發送過來的事件，并提供處理方式，在后處理的安裝目下打開后處理配置文件template_post，添加以上生成的后處理文件。

2 產品加工

2.1 工藝設計

零件材料為A2618，毛坯為預加工件，部分零件長度、直徑尺寸已經精加工到位，無須再加工。零件選用5軸聯動數控加工中心(BC軸)，敞開式液壓殼體專用夾具裝夾，遵循先粗后精加工原則：粗加工-半精加工-精加工。零件加工程序單如表2所示。

表2 零件加工程序單

2.2 生成加工刀路

以UG NX12.0軟件為平臺，采用mill_multi-blade[8-9]模塊功能完成航空葉輪加工的刀軌設計，生成的刀軌如圖10～圖13所示。

2.3 仿真加工

使用VERICUT軟件對零件進行NC仿真加工，首先是要構建用于模擬仿真的虛擬機床。首先根據機床的實際運動結構等要求在VERICUT軟件中搭建機床框架。將在UG軟件中建好的機床主體、刀庫、操作面板、清理機構、機械手、主軸、夾具、X、Y、Z、B、C 軸等零部件模型按照機床架構依次導入到VERICUT對應的組件模型中，同時添加機床配套的數控系統。

圖10 葉輪開粗

圖11 輪轂精加工

圖12 主葉片精加工

圖13 分流葉片精加工

機床各部件設置完成后，然后對該虛擬機床進行初始化設置，在菜單“機床/控制系統→機床設定”對話框中通常根據機床的工作參數，對各軸的行程極限、初始位置、優先軸、碰撞檢查等選項進行設置。完成以上設置后，在VERICUT軟件中就建立了如圖14所示的DMU60T虛擬機床[10]。

利用前期開發的后處理文件生成航空葉輪加工G代碼程序。利用全球領先的數控加工程序驗證、機床模擬、工藝程序優化，專業的數控加工仿真軟件VERTICUT完成航空葉輪的仿真加工(刀具長度設置要和實際刀具長度一致)，結果如圖14所示，仿真過程沒有出現干涉、碰撞等問題。

2.4 實體加工

利用UG軟件完成航空葉輪的刀路規劃以及采用前期開發的專用后處理器生成NC程序仿真無誤后。為了驗證該方法的高精度和高效性，在德瑪吉DMU60T機床對航空葉輪進行了實體加工驗證，結果如圖15所示，經檢驗各項加工指標均符合設計要求。

圖14 仿真加工

圖15 實體零件

3 結 語

利用UG和VERICUT軟件開發了德瑪吉DMU60T機床配套數控系統的專用后置處理，并經過加工驗證，得出以下結論：

(1)UG軟件的CAD/CAM功能非常強大，參數化建模簡單易用，后處理開發模塊非常人性化。

(2)VERICUT軟件仿真真實度高，對于實體加工提供了極高的安全保障。

(3)開發的后置處理經過加工驗證，滿足企業生產質量要求，極大程度提高了設備的使用效率，降低了生產成本。