基于HNC848B五軸數控系統的UG后處理開發與應用

張宗仁

(吉林工業職業技術學院，吉林吉林 132013)

0 前言

某數控科技股份有限公司自主研發的JT-GL8-V立式五軸加工中心配置了華中848數控系統[1]。五軸數控機床價格昂貴，在五軸加工過程中刀路軌跡非常復雜，容易發生干涉和碰撞，因此要求五軸程序有較高的安全性。為此，常借助UG等CAM軟件計算刀軌，并通過對應的后置處理生成數控加工程序，再采用VERICUT等仿真軟件建立1∶1模擬機床進行加工過程仿真，確認安全后方可進行加工[2-3]。

目前UG等CAM軟件在國內高校和工廠大范圍應用，但還沒有針對國產數控系統的后處理程序，極大地限制了國產五軸數控機床在高校和工廠的應用。本文作者利用UG軟件中Post Builder模塊，以配置HNC848B數控系統的某JT-GL8-V立式五軸加工中心后置處理開發為例，詳細闡述五軸數控機床定向加工、五軸聯動加工過程中存在的問題以及處理方案，并在VERICUT軟件中建立相應的仿真機床，通過仿真和加工實例驗證該后處理的安全性和正確性。

1 JT-GL8-V立式五軸加工中心參數及機床特點

JT-GL8-V立式五軸加工中心主要參數如表1所示[1]。其特點如下：(1)傾斜軸A軸不對稱，必須對A軸的超程問題進行處理，以避免過切和碰撞；(2)機床結構緊湊，X、Y、Z軸行程短，特別是Y軸行程和Z軸行程短，在A軸翻轉過程中容易出現機床與工件和刀具的干涉現象。

表1 JT-GL8-V立式五軸加工中心主要參數

2 3+2定向加工后處理開發

在定向加工時，一般利用G68.2建立特性坐標系，再執行G53.2指令對齊工件坐標系[4]。由于處于五軸聯動模式，機床將采取補償動作，以保持刀尖與工件的相對位置不變，如果不做相應的處理很容易發生超程和刀具干涉報警。合理的處理方式：先將刀具置于安全位置，預先將工作臺轉到合適的位置，再指定特性坐標系。這樣，執行G68.2和G53.2指令時只需設置特性坐標系，而機床并不發生實際移動，可避免超程和碰撞的發生。

由于機床旋轉軸A軸不對稱，只能在[42°，-120°]內運動，而華中數控系統利用G53.2對齊刀軸時，刀軸在XOY平面的投影處于第1、第2象限(包含X軸時)，A軸為負值；在第3、第4象限時，A軸為正值，如圖1所示。如果不做處理，當傾斜角度大于42°時，機床將發出A軸超出限位的報警，導致機床不能完成加工，此時需要將機床調換到另一面進行加工?；贖NC848B數控系統的特點，在后處理中作如下判斷：如果機床默認的角度能夠達到歐拉角指定的角度，那么按機床默認的角度運行；如果機床默認的角度不能到達歐拉角指定的角度，則通過局部坐標系指令 G52 X0 Y0 Z0 A0 C180，將系統坐標系繞Z軸旋轉180°，其他坐標點作相應處理，以滿足加工要求。

圖1 HNC848B數控系統執行G53.2指令后機床默認A軸方向示意

根據機床和數控系統的特點， 按照如圖2所示的流程編寫后處理程序。以如圖3所示的工件為例，利用UG編輯刀軌并通過該后處理程序生成數控代碼，如表2所示。

圖2 定向加工后處理流程控制

圖3 定向加工刀軌實例

表2 定向加工代碼

續表2

3 五軸聯動加工后處理開發

3.1 五軸聯動加工進刀處理

機床空間緊湊、行程有限，在五軸聯動加工時，由于初始刀具位置不確定、初始工件位置不確定，在進刀過程中，刀具和轉臺同時以快速定位的方式移動，容易產生工件與刀具的干涉，工件易與機床附件碰撞?？尚械奶幚矸绞饺缦拢合葘⒌毒吆娃D臺置于安全位置，將轉臺預轉到合適角度，刀具先沿X、Y方向平移到進刀點上方，再垂直下刀至進刀點；當刀具安全到達進刀點后，再開啟RTCP模式進行加工。具體步驟如下：

(1)沿刀軸方向的法向退刀，由于是雙轉臺機床，可以直接沿機械坐標系Z軸安全退刀，并將刀具移出工作臺，轉臺移動至安全旋轉位置，避免在旋轉過程中發生碰撞；

(2)參考進刀點刀軸方向，將轉臺提前預轉到合適位置；

(3)以進刀點為原點、刀軸方向為法向，執行G68.2指令建立特性坐標系，并對齊坐標系；由于已提前預轉，此時只需設定特性坐標系，機床本身并不運動；由于A軸的行程限制，特性坐標系的建立可參考3+2定向加工中相關處理方法；(4)刀具在特性坐標系下沿X、Y方向動作，走到進刀點上方，再通過Z方向動作，走至進刀點，避免了在RTCP狀態下走刀時發生超程和刀具干涉的問題；

(5)取消特性坐標系，取消RTCP聯動；

(6)重新開啟RTCP，繼續五軸聯動加工。

3.2 五軸聯動加工連刀處理

五軸聯動加工連刀時常伴隨著轉臺大幅度轉動，此時應作出合理的規避動作，以防止超程和碰撞。在工序內的刀軌連接，如果轉臺沒有發生轉動，可視為移刀連接，刀具可直接移刀進行加工；如果轉臺發生轉動，則需要將它處理成退刀再進刀的連接，工序之間的連接均處理成退刀再進刀的連接，此時需沿刀軸法向退刀再重新進刀。具體控制步驟如下：

(1)判斷旋轉軸角度是否發生改變，如果沒有改變則是移刀連接，直接進入下一進刀點加工;如果改變則是退刀再進刀的連接，進入下一步；

(2)取消RTCP模式，沿刀軸方向法向退刀，由于是雙轉臺機床，可以直接沿機械坐標系Z軸安全退刀，并將刀具移出工作臺，轉臺移動至安全旋轉位置，避免在旋轉過程中碰撞；

(3)按照五軸進刀方式重新進刀至下一進刀點。

3.3 A軸正向超程處理

由于機床A軸有范圍且不對稱，當傾斜角的絕對值小于42°時，機床A軸可以是正也可以是負，但是當傾斜角絕對值在42°～120°之間時，傾斜角A軸的值必須為負。在實際聯動加工過程中可能會出現機床傾斜角在正角度處聯動時突然發現了正角度的極限位置，為能夠順利到達下一點，將A軸轉到相應的負角度處。為避免A軸的正向超程問題，可以在后處理中將A軸的值限定為[-120°,0°]，這樣當A軸的值在0°處時，C軸將旋轉180°繼續加工[5-11]。這樣貌似解決了A軸正向超程的問題，但是在轉換過程中，一方面由于刀尖點處于工件加工表面，刀柄和主軸可能與工件干涉，另一方面可能會導致過切等現象出現，同時也減小了機床的加工范圍。比較合理的策略是：當發生A軸正向超程時，刀具先退刀，按五軸聯動的加工方式重新進刀加工。例如，假設當前刀位點為P0[X0Y0Z0A0C0]，其中0°

圖4 A軸正向超程退出與進刀處理示意

合理的處理步驟如下：(1)判斷是否出現了正向超程問題，如果是正向超程則先按刀軸方向退刀，距離為h1，至點P3[X3Y3Z3A3C3]，其數值計算如公式(1)所示：

(1)

(2)沿刀軸方向返回Z軸安全位置，由于是雙轉臺機床可以直接沿機械坐標系Z軸安全返回，并將刀具移出工作臺，轉臺移動至安全旋轉的位置，避免在旋轉過程中發生碰撞；

(3)計算點P0在A軸為負時對應的點為P2(X2，Y2，Z2，A2，C2)，其數值計算如公式(2)所示：

(2)

(4)以沿點P2刀軸方向距離為h2的點P4為進刀點，其坐標數值計算如公式(3)所示，按五軸進刀方式重新進刀；

(3)

(5 )開啟RTCP模式，依次走刀至P4→P1→P2，繼續進行加工。

3.4 五軸聯動程序示例

如圖5所示的刀軌，包含了上述五軸聯動加工的各種情景，通過該后處理生成的代碼如表3所示。

圖5 五軸聯動刀軌實例

表3 五軸聯動代碼示例

續表3

4 仿真與加工實例

利用VERICUT軟件，建立該JT-GL8-V立式五軸加工中心仿真模型如圖6所示[12-13]。利用該后處理生成數控程序，在模擬平臺上仿真無誤后，導入實際機床加工。仿真與加工分別如圖7—圖8所示，通過仿真與加工實踐驗證了該后處理安全可靠。

圖6 某JT-GL8-V五軸加工中心仿真模型

圖7 3+2定向加工仿真與加工實例

圖8 五軸聯動加工仿真與加工實例

5 結束語

目前國產五軸數控加工中心和五軸數控系統都不是特別完善，本文作者以配備HNC848B數控系統的某JT-GL8-V立式五軸加工中心為基礎，開發基于UG軟件的后處理程序，并基于VERICUT軟件建立該機床的仿真模型，通過模型仿真確認程序無誤再進行機床實際加工。通過2個典型實例，表明該后處理程序可有效解決3+2定向加工轉臺預轉和特性坐標系建立的問題，并可安全高效地解決五軸聯動加工過程中五軸進刀、A軸正向超程、五軸聯動連刀加工等五軸加工核心技術問題。通過仿真與實例，驗證了該后處理程序高效、安全，能夠很好地實現3+2定向加工、五軸聯動、定向鉆孔等五軸加工常見操作。該后處理程序一方面可以促進國產數控機床和數控系統在教學和生產實踐中的應用，另一方面也為其他五軸后處理開發提供一定參考。