基于UG雙轉頭五軸數控機床無RTCP后處理與仿真驗證

熊江，魏向京

（重慶三峽職業學院，重慶404155）

0 引言

五軸數控機床在數控加工領域中非常適合加工相對復雜的曲面或者多面體。在精密復雜零件加工方面，五軸加工技術具有三軸加工所不能比擬的優勢。許多先進的武器，如飛機、坦克、潛艇等關鍵部位的零件，都是高性能的數控機床制造的。發達國家對于五軸加工技術采取更多的是保密限制。然而，我國五軸機床在控制系統的核心技術上仍然處于起步和發展階段。RTCP（Rotated Tool Center Point）也就是我們常說的刀尖點跟隨功能。RTCP技術是我國五軸數控系統的短板之一。控制系統無RTCP模塊的算法，雙轉頭五軸數控機床的刀具長度變化會導致數控程序坐標值隨之變化。因此需要考慮主軸的擺長及旋轉偏差值，這就意味著無RTCP的五軸數控系統和機床在編程時必須依靠CAM和后處理技術相互配合。

后處理技術是五軸加工關鍵問題之一，UG_NX后處理構造計算與NX_CAM相結合，是轉換成數控代碼的一個關鍵的環節，其主要是將軟件NX_CAM產生的加工刀具軌跡轉換成指定機床的數控代碼。

通常每臺機器的控制系統也不完全相同，不同控制系統所要求的NC程序格式也不一樣。因此，用戶可以通過修改后處理文件中的參數來滿足機床控制系統的要求。本文將對雙轉頭五軸數控機床無RTCP刀軌進行研究，并提出一種計算固定擺長的后處理算法，通過Vericut仿真驗證其正確性。

1 五軸機床機構、運動方式及控制系統

雙轉頭五軸機床的特征是刀具主軸上具有2個線性旋轉軸，如圖1所示。刀具主軸前端的線性旋轉軸，能繞著Z線性軸回轉，通常定義為C軸，C線性旋轉軸，廠商通常設置±360°旋轉。C線性旋轉軸上還帶有可以繞著X線性軸旋轉的A軸或者繞著Y線性軸旋轉的B軸，廠商通常設置±110°旋轉。雙轉頭五軸結構的機床優點是主軸可以靈活地旋轉加工零件，可以設計行程較大的工作臺。較大的零部件、發動機氣缸、螺旋槳等零件比較適合在此類五軸數控機床上加工。

在具有RTCP的五軸聯動加工中，五軸刀路的編程可以不必在數控代碼生成之前就考慮如何在刀路中體現數控機床的旋轉擺長或者工作臺的軸心及其偏差。應用在雙轉頭形式的機床上，其原理主要是：補償的是由于工件旋轉所造成的的直線軸坐標的變化，從而保持刀具中心點和刀具與工件表面的實際接觸點不變。

不具有RTCP功能的五軸數控機床，此類機床的特征是線性旋轉軸在做旋轉運動時，線性軸X/Y/Z軸不跟隨運動，從而X/Y/Z軸的機床坐標保持不變，控制系統不計算刀具擺動的長度，刀具環繞旋轉軸（C軸或者A軸）的中心線旋轉，如圖2所示。

圖1 雙轉頭式五軸機床機構示意圖

具有RTCP功能的五軸數控機床，此類機床的控制系統計算刀具擺動的長度，旋轉軸在做旋轉運動時，線性軸X/Y/Z軸跟隨運動，從而X/Y/Z軸的機床坐標隨之變化，刀具矢量方向發生改變，刀尖位置始終保持不變，X/Y/Z軸的坐標數據變換是通過控制系統進行坐標數據補償，如圖3所示。

圖2 不帶RTCP運動方式

圖3 帶RTCP運動方式

機床控制系統采用FANUC系統。

2 后處理設置

進入機床界面設置“第四軸”、“第五軸”結構參數，如圖4所示。

對于不具有RTCP功能的五軸數控機床，假設A旋轉軸的線性中心和C旋轉軸的線性中心有偏差值，則需要測量第四軸中心到第五軸中心的偏差值。偏差值是正值或者負值，是以機床坐標系為參照，即偏差矢量與機床坐標系正方向相同，則為偏差值為正值，反之為負值。將數值填寫入相應的界面，若A軸與C軸的旋轉軸無偏置，默認為“0”，如圖5所示。

圖4 旋轉軸配置

圖5 旋轉軸偏置設置

測量出該五軸數控機床的擺長為340.1 mm，樞軸距離輸入值為340.1，如圖6所示。

圖6 旋轉軸配置

3 UG_CAM與仿真加工

葉輪零件是比較典型的自由曲面零件，五軸加工刀具軌跡通常采用球頭樣式的刀具通過側刃加工葉輪產品自由曲面，一次裝夾完成輪轂、葉片、葉根圓的加工，進而提高葉輪零件的加工精度和生產效率。葉輪CAD/CAM編程過程如圖7所示。

圖7 葉輪CAD/CAM編程過程

使用制作好的后處理轉換生成機床加工程序，將其輸入到Vericut仿真軟件中，進行仿真加工驗證，如圖8所示。

圖8 仿真加工葉輪

4 結語

對于雙轉頭無RTCP的五軸機床一旦更換了刀具或者刀具磨損，擺長發生變化則需要重新測量擺長，而測量擺長的過程相對復雜，降低了機床使用效率和企業生產率。因此，研究在無RTCP的情況下通過后處理計算固定擺長，是提高機床使用效率的重要方向。