馬扎克五軸加工中心后處理研究及驗證

段向敏，張 春，游思凱

（西南大學工程技術學院，重慶 400715）

1 引言

在制造業飛速發展的今天，不管是從零件的精度還是結構的復雜程度而言，產品都對零件提出了更高要求。復雜曲面零件應用越發廣泛，如航空航天發動機輪盤類零件、燃氣輪機葉片等，但要加工出復合要求的復雜曲面零件，五軸加工中心將是首選對象［1］。五軸數控機床對加工復雜曲面零件有著先天的優勢，可以說高檔五軸數控機床的研發及加工性能對國家的軍事裝備、航空航天器材以及精密醫療設備等有著顯著影響。

五軸數控機床引入了兩個轉動軸，其刀具空間姿態可根據條件隨意變換，所以相對于三軸機床而言更具優勢。受轉動軸影響，刀具在工件坐標系下的路徑并不能通過簡單線性轉換映射到機床坐標系里，因此會出現諸多問題［2］。例如：旋轉多解選擇問題、刀路避免奇異點問題、機床非線性誤差問題等，所以，五軸數控機床在刀路后處理方面比三軸機床復雜很多。隨著計算機技術的發展，一些高效、實用的計算機輔助制造軟件應運而生，常用的數控編程軟件有UG、Mastercam、Powermill、Hypermill 以及Cimatron等。運用這些編程軟件可以輕松編制出復雜的刀軌，然后通過后處理系統轉換為相應機床的NC代碼，提高了編程效率和準確率［3］。具體步驟是運用CAM軟件對加工零件進行三維建模，定義零件的材料、形狀等基本屬性，然后根據加工工藝得到刀軌文件（CLSF文件）［4］。該文件包含了刀具相對工件的所有走刀路勁，但是數控機床并不接受刀軌文件，因此，需要將刀軌文件根據機床特性翻譯成加工程序。

UG軟件在數控加工編程領域應用非常廣泛，不僅是因為它強大的車削、多軸銑削、線切割、車銑復合加工編程功能，還有它強大的建模能力以及擁有一個高效且實用的后處理構造器［5］。使用UG軟件加工編程，應根據工藝需要編制刀軌，然后用機床專用后處理對其進行編譯獲得加工程序，最后通過媒介把程序傳輸到機床。由于每個機床的規格、結構、指令格式等不同，所以其后處理系統也不盡相同。UG軟件提供的后處理構造器—NX∕Post可以為各種類型的數控機床提供后處理服務，包括數控車床、車削中心、加工中心、多軸加工中心、線切割機床等。NX∕Post主要是運用TCL語言編制指令，按照機床要求處理刀軌信息。其高效性表現在系統本身提供了眾多的后處理模板和TCL指令以被調用，用戶也可以根據需要修改模板，添加自己的TCL指令等構建適合機床的后處理器；其實用性表現在系統采用圖形用戶界面編制后處理，可以非常靈活地定義格式和定制各類事件處理方式。UG后處理系統的工作流程，如圖1所示。

圖1 UG后處理的工作流程圖Fig.1 The Working Process of the UG Post-Processing Flow Chart

2 馬扎克VARIAXIS j-500∕5X機床

根據旋轉軸定義，五軸機床可以有多種結構形式，如雙擺頭、雙轉臺、擺頭加轉臺等，其中擺頭是指使主軸旋轉的轉動軸，轉臺是指使工件旋轉的轉動軸。馬扎克VARIAXIS j-500∕5X機床為雙轉臺結構，如圖2所示。其主軸始終為豎直方向，所以剛性較好，能進行切削量大的高速加工；由于加工過程中轉臺需要旋轉，所以工件尺寸及重量受到限制，只適合加工小型零件。馬扎克VARIAXIS j-500∕5X機床主要參數，如表1所示。

表1 馬扎克VARIAXIS j-500/5X基本參數Tab.1 Basic Parameters of Mazak VARIAXIS j-500/5x

圖2 雙轉臺結構五軸機床Fig.2 5-Axis with Dual Rotary Tables

3 后處理制作

UG軟件中的NX∕Post Builder是一個使用方便的后處理構造器，用戶可以新建各種類型機床的后處理系統［1］。利用NX∕Post Builder構建后處理時，要根據目標機床的相關性能及要求修改參數及命令，因為每個型號的機床都有相適應后處理器，它們并不能通用［6］。NX∕Post后處理編輯界面，如圖3所示。

圖3 NX∕Post后處理編輯界面Fig.3 Editing Interface of NX∕Post

3.1 機床相關參數設定

機床類型選擇5-Axis with Dual Rotary Table，即5 軸帶雙轉臺結構形式，輸出單位為mm，選擇機床相適應的控制系統。選定機床類型后，就可以編輯機床相關參數，根據表1提供的馬扎克VARIAXIS j-500∕5X基本信息配置機床相關參數。

3.2 程序起始序列

在Program Start Sequence選項卡里面，可以定義程序開始時需要輸出的哪些程序行。單擊右側窗口中的BEGIN PGM 100$mom_out…程序行，將其修改為“BEGIN PGM$mom_output_file_basename MM”，這樣將以保存的NC文件名作為程序頭，在每一條程序前加上相關的程序名稱，便于操作人員檢查［1］。

由于該五軸機床具有RTCP（Rotational Tool Center Point）功能，即刀尖點跟隨功能，所以應該在程序起始序列添加定制命令，用途是判斷程序是否調用斜面加工功能，是否開啟RTCP功能，及坐標軸旋轉功能。新建塊PB_CMD_customize_output_mode，定制如下命令。

3.3 工序起始序列

在Operation Start Sequence選項卡中可定義從單個操作開始到刀軌運動之間的事件。在Operation start Sequence窗口頁面中，添加文本框到Start of Path 標記中，文本框中輸入“$mom_path_name”，這樣做是在每一條程序前加上相關的程序名稱，便于操作人員檢查［7］。將右側窗口中Initial Move標記下的PB_CMD_start_operation_force程序行移至Start of Path標記中，放在$mom_path_name程序行的后面；將First Move標記下的程序行刪除。在Start of Path標記中添加定制命令tool_info，用于顯示刀具信息，便于操作人員檢查，定制命令如下：

3.4 刀軌

在左側樹形結構窗口中選擇Tool Path選項卡，即可在右側窗口中可定義機床控制事件、快速移動、加工運動等。用戶可以在選項卡中設定UDE（用戶自定義事件），但是好的后處理應盡可能減少程序員在操作中設定UDE，而多在后處理中增加用戶自定義命令進行智能判斷［8］。由于機床只支持3個主平面內進行圓弧運動，在此需要一個定制命令處理線性運動和圓弧運動。單擊右側窗口中的Circular Move標記，定制如下命令：

3.5 工序結束序列

在Opertation End Sequence窗口可定義從最后退刀運動到操作結束之間的事件。在Een of Path方框后添加文本框M09、M05、M01，并強制輸出，這樣做的目的是在每一條刀軌結束時主軸停轉、冷卻液關閉，便于及時檢查工件加工質量。

3.6 程序結束序列

選擇Program End Sequence選項卡，單擊右側窗口中的END PGM 100…$mom_output 程序行，將其修改為“END PGM$mom_output_file_basename MM”。在右側窗口上方的下拉列表中選擇Custom Command添加到End of Program標記的最后面，定制如下命令，這樣做的目的是在程序結尾顯示加工時間，便于機床操作人員安排工時。

4 實驗驗證

五軸聯動加工中心在插補加工過程中，其旋轉軸和直線軸在空間中的運動是非線性的，所以機床的動態加工精度也成為衡量五軸數控機床性能的重要指標。目前，國內外機床廠商常用加工S試件的質量來研判一臺五軸加工中心的動態加工精度及綜合加工質量［9］。S試件的三維模型，如圖4所示。試件底面基準孔已忽略。

圖4 S件三維模型Fig.4 3D Model of S Part

4.1 S試件編程

本次編程運用UG10.0版本。先用定軸銑開粗；接著用五軸側銑的方式加工緣條兩側面；然后用可變輪廓銑加工頂部曲面；最后用定軸精銑底面［10］。具體工藝參數，如表2所示。工序3的后處理結果，如圖5所示。

表2 刀具與加工參數Tab.2 Machining Parameters and Tools

圖5 后處理結果Fig.5 Post-Processing Results

4.2 S試件加工

4.2.1 仿真加工

從CAE軟件導出的NC程序，一般需要經過仿真加工，檢查無誤后方可用于機床加工。本次仿真加工采用VERICUT數控仿真軟件。在仿真加工過程中，沒有發現程序有誤，且加工過程中沒有發生干涉，最后得到仿真結果，如圖6所示。

圖6 VERICUT仿真結果Fig.6 VERICUT Simulation Results

4.2.2 實際加工與檢測

加工過程及結果，如圖7所示。程序導入系統后，利用機床機械模擬功能進行檢查，并未出現程序錯誤等相關警報，說明該后處理器編譯的NC 程序適用于馬扎克VARIAXIS j-500∕5X 機床。實際加工S試件時，加工過程平順，機床沒有發生強烈振動，說明工藝參數合理且機床剛性較好。經檢測，零件表面平均粗糙度Rɑ=0.2μm，緣條厚度誤差±0.02mm，均在誤差范圍內，沒有明顯過切、欠切，符合零件要求，說明該后處理所得程序能完全展現機床良好的動態加工性能。在加工S試件中心附近過程中發現C軸瞬間轉動速度較快，容易導致微小的過切、欠切，說明該后處理在各軸速度匹配方面還有優化空間。

圖7 加工過程Fig.7 Processing Process

5 總結

五軸聯動加工中心在日常生產中使用頻率逐漸增大，由于其結構形式相對于三軸加工中心更加復雜，所以絕大多數的NC程序都是通過軟件完成。利用UG軟件提供的NX∕Post 后處理構造器，結合TCL語言，開發了適合馬扎克VARIAXIS j-500∕5X機床的后處理系統。該后處理器具有顯示程序名、刀具信息、加工時間、回零檢查等功能，有助于機床操作人員及時檢查NC程序和加工質量，有效提高加工效率和安全性。通過仿真軟件檢查了NC代碼的正確性，最后通過實際加工S試件直接驗證了加工程序的正確性和后處理器的有效性。這里不僅對多軸數控機床后處理系統構建的思路和方法有指導作用，而且對其它類型的機床后處理系統也有重要參考價值。