維納斯雕像在五軸數(shù)控加工中的實(shí)現(xiàn)

畢俊喜 祁 欣

(①內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051;②南京四開電子企業(yè)有限公司，江蘇南京210007)

數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得中國(guó)不斷的從“由中國(guó)制造”向“由中國(guó)創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變。普通的三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床已不能滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)要求，在市場(chǎng)的需求和數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展中五軸機(jī)床應(yīng)用而生。

1 維納斯模型

維納斯模型數(shù)據(jù)來源于實(shí)體模型測(cè)繪，經(jīng)過技術(shù)人員的技術(shù)處理形成三維數(shù)模(如圖1所示)及標(biāo)準(zhǔn)加工代碼。2008年4月北京舉行的中國(guó)工業(yè)博覽會(huì)上，南京四開公司展出的SKY-5L16075五軸聯(lián)動(dòng)加工中心以五軸聯(lián)動(dòng)方式加工該模型，一次裝卡完成全部加工，在現(xiàn)場(chǎng)引起轟動(dòng)。

2 維納斯模型加工工藝分析

2.1 維納斯模型圖樣分析

該維納斯的尺寸為φ250 mm×700 mm，且加工曲面是非常復(fù)雜的NURBS曲面。加工材料為代木(一種樹脂合成材料)。對(duì)圖1所示的維納斯模型進(jìn)行分析可知，在程序編制和加工代碼的生成過程中有5個(gè)難點(diǎn):①五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工中刀軸的控制;②加工非連續(xù)復(fù)雜曲面精度的保證;③驅(qū)動(dòng)曲面的制作;④固定五軸(3+2)和連續(xù)五軸(五軸聯(lián)動(dòng))加工程序的生成;⑤多軸后處理的建造。

2.2 維納斯加工裝備的選用

(1)加工機(jī)床的選用 該加工中選用的是南京四開公司自主研發(fā)和生產(chǎn)的SKY-5L16075型轉(zhuǎn)臺(tái)+擺頭式五聯(lián)動(dòng)高速加工中心。由于維納斯模型的加工曲面非常復(fù)雜，甚至還有倒扣面的加工，三軸數(shù)控機(jī)床已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足該模型的加工，而必須選用五聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床。該機(jī)床采用了高精度的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌和傳動(dòng)絲杠，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用日本三洋數(shù)字交流伺服電動(dòng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和擺動(dòng)頭采用了日研的轉(zhuǎn)臺(tái)，主軸最高轉(zhuǎn)速為24000 r/min。

(2)數(shù)控系統(tǒng)的選用 數(shù)控系統(tǒng)采用南京四開公司研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高檔網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)—SKY2006N，專門用于多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床控制。SKY2006N型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)了多軸聯(lián)動(dòng)加工的關(guān)鍵性控制技術(shù)，控制軸最多可擴(kuò)展到64個(gè);系統(tǒng)開發(fā)了3-D刀具空間補(bǔ)償功能;改進(jìn)了皮米插補(bǔ)功能和坐標(biāo)系尋位補(bǔ)償(G10)功能;擺軸長(zhǎng)度補(bǔ)償功能(在加工時(shí)設(shè)定擺軸長(zhǎng)度);實(shí)現(xiàn)5000程序段的預(yù)處理功能(前瞻控制)，滿足高速加工的前瞻控制需要;通過Windows XP Embedded系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的專用性;對(duì)軟件的界面部分進(jìn)一步人性化設(shè)計(jì)，軟件具有五軸加工模擬顯示功能;基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)(TCP/IP)的網(wǎng)絡(luò)功能，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，滿足高速加工時(shí)大程序量的快速、穩(wěn)定的傳輸。控制系統(tǒng)足夠滿足加工的要求，有力地保證了機(jī)床在運(yùn)動(dòng)中的精度控制和操作的方便性。

(3)工件的裝卡 將φ250 mm的棒料車一溝槽，用壓板把棒料固定于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，有力地保證了工件在加工過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

(4)加工刀具及刀柄的選用 根據(jù)對(duì)維納斯模型的尺寸、倒扣面的深度和加工的精度的分析，刀具選用直徑為30 mm的盤銑刀，直徑為16 mm的圓鼻刀，直徑為6 mm的球刀。刀柄選用熱膨脹結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使刀具精準(zhǔn)夾持，保證了刀具在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)平衡和回轉(zhuǎn)精度(≤0.003 mm)。有效地提高切削加工的精度和工件表面質(zhì)量，顯著改善了刀具在切削過程中的受力狀態(tài)。

2.3 維納斯模型NC程序的CAM實(shí)現(xiàn)

(1)驅(qū)動(dòng)曲面的制作 在Unigraphics軟件的多軸編程中，多軸編程是通過驅(qū)動(dòng)曲面或驅(qū)動(dòng)曲線按照一定的策略產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，然后把這些驅(qū)動(dòng)點(diǎn)按照一定的投影方法投影到被加工的工件表面，再按照某種規(guī)則來生成刀具路徑。多軸加工中，刀軸的軸線方向可以改變，即隨著加工表面法線方向的不同而作相應(yīng)改變，從而完成復(fù)雜曲面的加工。驅(qū)動(dòng)曲面的制作很有講究，直接影響了被加工曲面的質(zhì)量、精度和加工效率。驅(qū)動(dòng)曲面制作時(shí)應(yīng)從簡(jiǎn)避繁，盡量簡(jiǎn)單。

(2)數(shù)控加工程序的編制 本例模型中存在較小的加工區(qū)域，如果采用一次粗加工到位，就得使用較小直徑的刀具，這會(huì)影響到加工效率。所以先采用較大直徑的刀具進(jìn)行粗加工，再用相對(duì)較小的刀具半精加工，這樣就能保證精加工時(shí)的加工余量均勻。最后采用小刀具精加工，較小的加工余量(1 mm)和較高的加工精度，保證了維納斯的加工精度和加工質(zhì)量。

粗加工程序的編制:應(yīng)用Unigraphics加工模塊中的3+2軸(固定五軸)功能對(duì)維納斯進(jìn)行編程，讓刀具從工件的不同方向進(jìn)行加工;保證了維納斯在粗加工完成之后大面積材料已去除。加工參數(shù)如表1所示。刀具路徑如圖2所示。

表1 加工工藝規(guī)劃

半精加工程序的編制:選用Mill_multi-axis(多軸加工-連續(xù)五軸)對(duì)維納斯進(jìn)行半精加工，去除工件的殘留量，刀具路徑如圖3所示。

精加工程序的編制:為保證加工精度、加工質(zhì)量和加工效率，程序最后用4 mm球刀分別對(duì)維納斯的不同區(qū)域進(jìn)行精加工;根據(jù)維納斯加工模型的要求，合理設(shè)置驅(qū)動(dòng)曲面的驅(qū)動(dòng)方向、驅(qū)動(dòng)參數(shù)、切削方式、刀位點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、切削參數(shù)、非切削參數(shù)、機(jī)床控制(運(yùn)動(dòng)輸出)等的參數(shù)。其余參數(shù)按照SKY-5L16075型數(shù)控機(jī)床規(guī)定使用的功能指令、程序段格式及編程參數(shù)來編寫加工程序。在五軸聯(lián)動(dòng)的編程中，手工編程一般不可實(shí)現(xiàn)，通常要借助一些帶有五軸編程功能的CAD/CAM軟件來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。這里是選用了Unigraphics編程軟件的CAM部分的多軸編程模塊進(jìn)行自動(dòng)編程的。刀具路徑如圖4所示。

對(duì)于多軸程序的編制，刀軸的控制是難點(diǎn)，它直接影響到工件加工的精度、質(zhì)量和效率。本例中是通過驅(qū)動(dòng)曲面來控制刀軸的連續(xù)變化的，其刀軸在加工過程中的位置如圖5所示。

2.4 多軸后處理的構(gòu)建

(1)后置處理的作用 CAM軟件在對(duì)工件進(jìn)行刀具路徑計(jì)算時(shí)是假定工件不動(dòng)，刀具根據(jù)工件上需加工的空間點(diǎn)圍繞工件轉(zhuǎn)動(dòng)。后置處理時(shí)再將刀具路徑按照機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成符合設(shè)定機(jī)床結(jié)構(gòu)的程序代碼。

(2)后置處理的構(gòu)造 在進(jìn)行多軸程序的后置處理時(shí)，通常要構(gòu)建一個(gè)與數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)相同、符合數(shù)控系統(tǒng)指令格式和運(yùn)行特點(diǎn)的后置處理。進(jìn)入U(xiǎn)nigraphics的后置處理構(gòu)造器，按照此數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)的指令格式和運(yùn)行特點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)后置處理，構(gòu)造完成后將其保存。其后處理如圖6所示。

2.5 后置處理“刀位”程序

將自動(dòng)編程編制好的刀位程序按照指定的后處理轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床能讀取的標(biāo)準(zhǔn)G代碼。

2.6 程序校驗(yàn)

完成上面所有工序之后，對(duì)程序進(jìn)行校驗(yàn)。在Unigraphics中自建一個(gè)與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致的轉(zhuǎn)臺(tái)+擺頭式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，把維納斯模型按照實(shí)際在機(jī)床上擺放的位置做在機(jī)床里面，在軟件中進(jìn)行模擬加工。模擬實(shí)驗(yàn)完成后開始后置處理所編制的程序，部分加工程序如下所示。

N0010 M03 S12000

N0020 G54

N0030 G10 P58 H01(RH)

N0040 G0 X397.373 Y-243.445 Z58.777 B49.168 C305.924

N0050 X324.158 Y-243.444 Z-4.492

N0060 G1 X321.888 Z-6.453 F1500.

N0070 X328.32 Y-234.677 Z-6.419 B48.175 C304.379 F8000.

N0080 X331.516 Y-230.13 Z-6.402 B47.698 C303.589

N0090 X334.705 Y-225.464 Z-6.381 B47.233 C302.786

N0100 X347.23 Y-205.632 Z-6.304 B45.503 C299.451

N0110 X370.349 Y-160.24 Z-6.171 B42.684 C292.198

N0120 X388.94 Y-107.454 Z-6.065 B40.764 C284.224

N0130 X400.546 Y-48.699 Z-5.994 B39.809 C275.688

N0140 X403.267 Y13.208 Z-5.965 B39.844 C266.856

N0150 X396.491 Y74.757 Z-5.982 B40.886 C258.034

N0160 X381.628 Y130.975 Z-6.043 B42.905 C249.752

N0170 X362.615 Y176.942 Z-6.153 B45.663 C242.665

N0180 X342.245 Y213.71 Z-6.307 B48.997 C236.676

N0190 X321.853 Y243.36 Z-6.497 B52.796 C231.552

N0200 X302.024 Y267.601 Z-6.705 B57.048 C227.1

N0210 X292.433 Y278.069 Z-6.807 B59.358 C225.086

N0220 X283.096 Y287.592 Z-6.901 B61.801 C223.197

N0230 X274.046 Y296.25 Z-6.988 B64.386 C221.427

N0240 X269.687 Y300.237 Z-7.027 B65.718 C220.593

N0250 X265.518 Y303.949 Z-7.064 B67.056 C219.805

N0260 X261.524 Y307.408 Z-7.103 B68.399 C219.06

N0270 X257.699 Y310.635 Z-7.142 B69.747 C218.355

N0280 X250.553 Y316.458 Z-7.219 B72.457 C217.058

N0290 X238.141 Y325.962 Z-7.362 B77.94 C214.865

N0300 X227.971 Y333.219 Z-7.473 B83.542 C213.122

N0310 X219.763 Y338.757 Z-7.531 B89.323 C211.751

N0320 X216.356 Y340.98 Z-7.532 B92.304 C211.192

N0330 X213.404 Y342.875 Z-7.51 B95.359 C210.713

N0340 X210.934 Y344.441 Z-7.463 B98.499 C210.317

N0350 X208.998 Y345.663 Z-7.39 B101.714 C210.011

N0360 X206.984 Y346.959 Z-7.215 B108.082 C209.707

N0370 X177.878 Y-363.013 Z-7.102 B109.437 C332.439

N0380 X178.149 Y-362.844 Z-7.226 B106.224 C332.411

N0390 X179.092 Y-362.343 Z-7.329 B103.053 C332.278

N0400 X182.932 Y-360.343 Z-7.475 B96.806 C331.704

N0410 X189.213 Y-357.005 Z-7.549 B90.674 C330.737

N0420 X197.936 Y-352.16 Z-7.564 B84.613 C329.363

N0430 X209.286 Y-345.449 Z-7.534 B78.594 C327.532

N0440 X215.848 Y-341.345 Z-7.492 B75.685 C326.452

N0450 X222.913 Y-336.733 Z-7.43 B72.875 C325.271

N0460 X238.552 Y-325.762 Z-7.262 B67.527 C322.586

N0470 X256.203 Y-311.996 Z-7.057 B62.501 C319.426

N0480 X275.936 Y-294.619 Z-6.841 B57.759 C315.702

N0490 X297.877 Y-272.353 Z-6.635 B53.299 C311.265

N0500 X309.651 Y-258.858 Z-6.54 B51.187 C308.721

N0510 X321.888 Y-243.444 Z-6.453 B49.168 C305.924

N0520 X328.321 Y-234.677 Z-6.418 B48.175 C304.379

N0530 X331.516 Y-230.129 Z-6.401 B47.697 C303.589

N0540 X334.705 Y-225.463 Z-6.379 B47.233 C302.786

N0550 X341.022 Y-215.782 Z-6.338 B46.342 C301.143

N0560 X347.23 Y-205.631 Z-6.299 B45.503 C299.451

N0570 X370.348 Y-160.237 Z-6.162 B42.683 C292.198

2.7 維納斯模型的實(shí)際加工

將卡具安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，讓卡具的回轉(zhuǎn)中心和旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心一致，再把維納斯固定在卡具上。根據(jù)編程時(shí)指定的加工原點(diǎn)進(jìn)行對(duì)刀設(shè)定，在機(jī)床的操作中選用G54定位標(biāo)準(zhǔn)。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工維納斯模型的精加工片段如圖7所示。

維納斯的粗加工、半精加工、精加工按照表1中的工藝流程進(jìn)行操作，在這臺(tái)單擺頭單轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床上加工的維納斯，加工精度能達(dá)到0.01 mm，在加工過程中，擺動(dòng)軸可以在-120°～+120°范圍內(nèi)連續(xù)擺動(dòng)加工，回轉(zhuǎn)軸在0°～360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，加上3個(gè)直線軸的配合，刀具可以加工一些倒扣的曲面，而且刀具在加工過程中避免了刀尖點(diǎn)零線速度的切削。這也是五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的優(yōu)勢(shì)之一。

3 結(jié)語

通過測(cè)繪，應(yīng)用UG軟件構(gòu)建了復(fù)雜的維納斯模型，經(jīng)數(shù)控工藝規(guī)劃以及特殊的后處理程序的處理，并充分利用轉(zhuǎn)臺(tái)+擺頭式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工維納斯雕像的模型，提供了復(fù)雜曲面高精度加工的新思路。

1 張磊.UG NX4后處理技術(shù)培訓(xùn)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

2 楊有君.數(shù)控技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

3 洪如瑾.UG NX5設(shè)計(jì)基礎(chǔ)培訓(xùn)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

4 楊勝群.UG NX4數(shù)控加工實(shí)用教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

5 http://www.skycnc.com