基于NX 的DMU 160P 五軸聯動機床后處理器開發研究

唐曉亮 常 赟 郭紅宇

（1.北京華航無線電測量研究所，北京 100013；2.蘇州麥晟達信息科技有限公司，蘇州 215000）

隨著現代設計技術和制造技術的不斷發展，如發動機葉輪和模具等產品設計越來越趨向于復雜化和集成化。復雜曲面構型和結構高度集中成為常態，會導致傳統的三軸或者四軸加工難以滿足設計需求，因此五軸聯動加工技術的應用需求越來越大。五軸聯動加工技術具有一次裝夾可連續加工多面的顯著優勢，還具有加工質量好、效率高以及刀具可達性好等特點，能夠充分避免過切、撞刀以及清角不到位等問題。但是，與傳統的三軸或四軸加工相比，五軸聯動加工應用的最大難點在CAM 編程的復雜性和后處理器的適配性兩個方面。

五軸聯動加工是在產品模型CAM 編程的基礎上實現的。但是，五軸聯動加工的CAM 編程并非簡單的X、Y和Z 這3 個方向上的直線運動軌跡，而是增加了兩個旋轉方向后的合成空間軌跡。其中，刀位和加工軸的確定需要經過多次坐標變換和空間幾何運算，同時要考慮各軸之間的協調性，以防碰撞和干涉等[1]。因此，五軸聯動加工的CAM 編程復雜性較高。因為主流的CAM 軟件如UG 軟件、CATIA 軟件以及PROE 軟件等均對五軸聯動加工的編程技術有大量研究，所以編程技術較為成熟。CAM 編程輸出為刀位軌跡（也稱刀路），但刀位軌跡不能直接用于機床的加工，因為不同的五軸聯動機床的結構和運動形式不同，所以實現刀位軌跡的機床運動軌跡也不同，必須經過后置處理將刀位軌跡數據文件轉換成指定數控機床能夠執行的數控程序（即機床NC 代碼）才可以用于具體機床的加工。五軸聯動機床具有table/table、table/head 以及head/head 等3 種結構形式，而控制系統有西門子、海德漢、發那科以及華中數控等多種品牌。因此，每個設備所支持的NC 代碼的運行規則不同。為充分發揮機床的性能和優勢，人們對實現刀位軌跡后置處理的后處理器的適配性要求較高。

1 后處理器開發流程設計

DMU 160P 五軸聯動機床后處理器的開發流程，如圖1所示。創建后處理器前，應先了解機床各個軸的運動行程和機床控制系統的G 代碼和M 代碼信息。本研究主要從DMU 160P 五軸聯動機床技術手冊獲得以上信息，并集中填寫在后處理登記表上，以便創建和編輯后處理器時能夠快速查詢核對信息。NX 后處理可以通過NX/Post Builder定義，也可以通過手工修改DEF 和TCL 文件來實現[2]。當專用后處理不能滿足要求時，需要手工修改或者創建DEF和TCL 文件。

2 后處理器開發

2.1 機床結構分析

DMU 160P 五軸聯動機床是德國德克爾馬豪公司生產的一款多功能非正交五軸聯動機床。它的控制系統采用海德漢iTNC640 系統，可以實現X 軸、Y 軸和Z 軸3 個直線軸以及B 軸和C 軸兩個旋轉軸的聯動加工。其中，B 軸的功能通過主軸的擺動運動實現，C 軸的功能通過工作臺的連續回轉運動實現，因此該機床為典型的table/head 五軸聯動結構。該結構在空間運動上B 軸和C 軸相互獨立。DMU 160P 五軸聯動機床的主要技術參數，如表1 所示。

圖1 后處理器開發流程圖

表1 DMU 160P 五軸聯動機床的主要技術參數

2.2 后處理器開發需求分析

DMU 160P五軸聯動機床是一款非正交五軸聯動機床。除常規的五軸聯動機床的后處理器開發內容外，還需要重點解決以下問題。第一，自動判斷加工工序是定軸加工（PLANE SPATIAL 功能）還是五聯動加工（M128 功能）。第二，旋轉軸最短路徑的實現（M126 功能）。第三，B 軸復合角度的計算。

2.3 后處理器開發的具體步驟

步驟1：啟動后處理和參數設置。啟動NX/Post Builder新建后處理器，在設置頁面選擇毫米、銑以及五軸帶轉臺和轉臺，并在控制器中選擇HEIDENHAIN-Heidenhain_Convers，如圖2 所示。

步驟2：首先，設置第4 軸平面法矢量，即I 為0，J 為1，K 為1，如圖3 所示；其次，設置第4 軸旋轉平面為“其他”，文字指引線為“B”；最后，設置第5 軸旋轉平面為“XY”，文字指引線為“C”，如圖4 所示。

步驟3：通過定制命令自動判斷是定軸加工還是五軸聯動加工。在工序起始序列中的初始移動和第一次移動中添加“PB_CMD_detect_tool_path_type”命令（如圖5 所示），再在初始移動中添加“M126”指令（如圖6 所示），從而自動判斷是定軸加工還是五軸聯動加工。

圖2 新建后處理器

圖3 設置第4 軸平面法矢量

圖4 設置旋轉平面和文字指引線

圖5 定制命令

圖6 添加M126 指令

步驟4：根據判斷工序的類型，輸出“PLANE SPATIAL”或者“M128”功能，如圖7 所示。

圖7 自動判斷結果輸出

步驟5：選擇刀軌中的運動進行線性移動和快速移動的設置，如圖8 所示。當定軸加工時，輸出“L”指令；當聯動加工時，輸出“LN”指令。此外，B 軸和C 軸的角度由刀軸矢量決定。

圖8 設置移動模式

步驟6：定義“LBL99”子程序，用來取消程序中已調用的其他功能命令，并使各軸移動至安全位置。在加工程序的開始序列和換刀時調用“LBL99”子程序，以保證機床安全運行，避免碰撞，如圖9 所示。

圖9 定義“LBL99”子程序

步驟7：保存生成的后處理文件，包含PUI、DEF 以及TCL 等3 個文件，其中DEF 和TCL 文件使用時需放在同一文件夾中。

3 仿真驗證

3.1 NX 生成刀軌

將開發完成的五軸后處理器導入UGNX 軟件，選取典型的葉輪模型，利用UGNX 軟件中的葉輪模塊生成加工刀位軌跡[3]，如圖10 所示。此外，通過NX 五軸后處理器生成NC 代碼。

圖10 葉輪加工刀位軌跡

3.2 VERICUT 仿真

VERICUT 軟件是美國CGTECH 公司開發的數控加工仿真系統，由NC 程序驗證模塊、機床運動仿真模塊、優化路徑模塊、多軸模塊、高級機床特征模塊以及實體比較模塊等功能模塊組成。該軟件可針對CAD/CAM 后置處理生成的NC 程序代碼進行運動學仿真，可檢查過切和欠切，并可防止機床碰撞和超行程等程序錯誤。一般情況下，五軸聯動機床的價格昂貴，直接利用機床進行程序的試切存在一定風險，尤其是發生機床碰撞等情況將造成較大的經濟損失。因此，通過VERICUT 軟件對五軸聯動加工的NC程序代碼進行仿真以驗證其正確性具有重要的實際意義。首先，在VERICUT 軟件中創建機床模型，選擇iTNC640系統為控制系統；其次，創建夾具和毛坯實體模型等，并設定加工坐標系；最后，將UGNX 后處理生成的NC 程序代碼導入進行仿真驗證[4]，如圖11 所示。運行結果未出現異常，表明開發的DMU 160P 后處理器所生成的NC 程序代碼正確。

圖11 VERICUT 軟件仿真

3.3 機床加工驗證

VERICUT 軟件對NC 程序代碼進行仿真且檢查運行結果無異常后，將NC 程序代碼導入DMU 160P 五軸聯動機床進行實際加工[5]。實際加工零件如圖12 所示，進一步驗證了五軸聯動機床后處理器生成的NC 代碼的正確性。

圖12 機床加工后零件

4 結語

基于五軸聯動機床的結構形式和控制系統之間的差異，CAM 軟件編程得到的刀位軌跡必須經過與特定機床相匹配的后置處理才能用于實際加工。本文通過分析DMU 160P五軸聯動機床的運動特性，結合產品特性確定了后處理器的開發需求，研究了基于NX 的后處理器開發過程，完成了DMU 160P 五軸聯動機床適用的后處理器的開發，并通過VERICUT 仿真和實際加工驗證了后處理器生成的NC 代碼的正確性。它不僅滿足了DMU 160P 五軸聯動機床實際加工的需求，還為其他五軸聯動機床的后處理器開發提供了借鑒。