AC回轉(zhuǎn)工作臺(tái)式五軸機(jī)床后置處理器研究與實(shí)現(xiàn)

宋世柳，梁蔓安，唐清春，黎家宏

（廣西工學(xué)院 重型車輛零部件先進(jìn)設(shè)計(jì)制造教育部工程研究中心，柳州 545006）

0 引言

后置處理是在CAM功能完成刀位文件生成的前置處理基礎(chǔ)上，依據(jù)特定機(jī)床結(jié)構(gòu)生成特定數(shù)控系統(tǒng)所能夠識(shí)別的數(shù)控代碼的過(guò)程,是數(shù)控自動(dòng)編程過(guò)程中一個(gè)重要組成部分。五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床由于在三平移自由度的基礎(chǔ)上加入了回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或擺動(dòng)主軸，機(jī)床結(jié)構(gòu)變化多樣，運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)變換算法也不盡相同，CAM模塊難以實(shí)現(xiàn)各類機(jī)床結(jié)構(gòu)的后置處理功能。此外各類數(shù)控系統(tǒng)中的某些特殊功能所對(duì)應(yīng)的G、M代碼的意義和格式也存在差異。開(kāi)發(fā)與機(jī)床結(jié)構(gòu)和配套系統(tǒng)相適應(yīng)的后置處理軟件是五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床國(guó)產(chǎn)化的迫切需求。本文在UG輸出的刀位文件基礎(chǔ)上，針對(duì)配以SIEMENS 840D系統(tǒng)、軸線垂直相交的AC回轉(zhuǎn)工作臺(tái)式數(shù)控機(jī)床的后置處理進(jìn)行了研究和實(shí)現(xiàn)。

1 機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)變換

UG前置處理輸出的刀位文件主要描繪的加工走刀軌跡，是一系列由刀心坐標(biāo)Pw(x,y,z)和刀軸矢量Uw(i,j,k)聯(lián)合描述的刀具位姿的集合，是建立在工件坐標(biāo)系上的。而數(shù)控系統(tǒng)能夠識(shí)別的NC代碼則是建立在機(jī)床坐標(biāo)系上。因此，后置處理最重要的任務(wù)是根據(jù)具體機(jī)床結(jié)構(gòu)，通過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)變換，將刀具位姿轉(zhuǎn)換成為機(jī)床坐標(biāo)系下由五個(gè)相互獨(dú)立驅(qū)動(dòng)軸控制的平移坐標(biāo)Pm(X,Y,Z)和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)Um(A,C)，并根據(jù)上下文中的APT語(yǔ)法格式，選擇合適的插補(bǔ)方式構(gòu)成這些坐標(biāo)間的運(yùn)動(dòng)進(jìn)給指令。

圖1 機(jī)床結(jié)構(gòu)

圖2 坐標(biāo)關(guān)系

軸線垂直相交的AC回轉(zhuǎn)工作臺(tái)式數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在直角三坐標(biāo)平移自由度的基礎(chǔ)上，工件可以通過(guò)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)A或C分別繞X軸或Z軸自由獨(dú)立旋轉(zhuǎn)A角或C角；兩旋轉(zhuǎn)軸線垂直相交。機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的變換求解如圖2所示，回轉(zhuǎn)類零件的工件坐標(biāo)系OwXwYwZw原點(diǎn)通常取在自身回轉(zhuǎn)軸線上，并且裝夾于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)C上，與機(jī)床坐標(biāo)系OmXmYmZm原點(diǎn)的位置關(guān)系是主軸Z方向d距離的平移。首先進(jìn)行坐標(biāo)平移變換TZ,使工件坐標(biāo)系原點(diǎn)與機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合；由于機(jī)床結(jié)構(gòu)限制了加工時(shí)刀具軸線必須平行于機(jī)床Z軸，所以機(jī)床需要分別驅(qū)動(dòng)A、C兩回轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)A、C角度，以滿足工件坐標(biāo)系下的刀軸矢量Uw要求。對(duì)應(yīng)的是要求工件坐標(biāo)系再進(jìn)行RC和RA坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換。A、C角度與Uw的關(guān)系如圖3所示。回轉(zhuǎn)臺(tái)C首先旋轉(zhuǎn)角度C，使刀軸矢量繞Z軸轉(zhuǎn)到Y(jié)Z平面內(nèi)，再利用回轉(zhuǎn)臺(tái)A旋轉(zhuǎn)角度A，使刀軸矢量繞X軸最終轉(zhuǎn)至與Z軸正方向一致。

圖3 A、C角度與Uw的關(guān)系

由上述的坐標(biāo)平移和坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，可知機(jī)床坐標(biāo)系下的平移坐標(biāo)Pm與工件坐標(biāo)系下的刀心坐標(biāo)Pw的變換關(guān)系：

其中：

將刀位文件中的Pw、Uw依次通過(guò)上述坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)Pm、Um，并結(jié)合上下文中的RAPID、CIRCLE等關(guān)鍵字，即可生成NC代碼中主要的運(yùn)動(dòng)位置控制類指令。如下段刀位文件：

SPINDL/RPM, 2500, CLW

RAPID

GOTO/64.9943, -74.8217, -83.2519, 0.2074234,0.1841824, 0.9607562

FEDRAT/200.0000

GOTO/80.7726, -71.9147, -71.6944, 0.2235172,0.1467847, 0.9635841

后置處理得到的NC代碼如下：

S2500 M03

GOO X-99.103 Y-19.282 Z70.677 A0.281 C2.297

G01 X-104.449 Y-43.516 Z51.950 A0.271 C2.152 F200.00

2 鉆削循環(huán)后置處理

出于方便編程和工藝功能多樣性的原因，各數(shù)控系統(tǒng)提供了大量未做統(tǒng)一規(guī)定的功能代碼；數(shù)控機(jī)床廠家也會(huì)根據(jù)具體需要自行定制功能代碼。例如常用循環(huán)加工，在FANUC Oi Mate和SIEMENS 840D系統(tǒng)中的代碼就不盡相同，并且其后的加工參數(shù)也會(huì)由于工藝的變化而存在較大差異。因此針對(duì)這些非標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控功能代碼，在后置處理中需要將刀位文件中的相應(yīng)偽碼轉(zhuǎn)換成為系統(tǒng)能夠識(shí)別的NC程序。

通常數(shù)控系統(tǒng)將孔系的鉆攻鏜循環(huán)加工實(shí)現(xiàn)于一類鉆削工藝子程序中，并將不同孔系的復(fù)雜鉆削加工過(guò)程簡(jiǎn)化為子程序參數(shù)設(shè)置[2]。例如具有退刀排屑功能的深孔鉆削循環(huán)工藝過(guò)程如圖4所示。與其相對(duì)應(yīng)的在UG前置處理輸出的鉆削循環(huán)部分刀位文件APT格式如下：

CYCLE/DRILL,DEEP,STEP[,data[,data…]],DWELL

[,data],RAPTO[,data],FEDTO[,data],RTRCTO[,data], MMPM[,data],OPTION GOTO ……CYCLE/OFF

圖4 帶退刀排屑功能的深孔鉆削工藝

表1列出了實(shí)現(xiàn)這一鉆削循環(huán)加工對(duì)應(yīng)的840D系統(tǒng)CYCLE83指令和Oi MA系統(tǒng)G83指令的參數(shù)及對(duì)應(yīng)的工藝要求和APT關(guān)鍵詞。

表1 深孔鉆削循環(huán)指令參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)于SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床，后置處理程序順序讀取刀位文件時(shí)，在CYCLE/DRILL，DEEP關(guān)鍵字處，需要選擇CYCLE83指令，并依據(jù)上述各工藝參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成指令參數(shù)的變換。結(jié)果如下：

UG刀位文件：

CYCLE/DRILL,DEEP,STEP,40.000,35.000,30.000,D WELL,1.00 0,RAPTO,5.000,FEDTO,-105.000,RTR CTO,10.000,MMPM,200.000,OPTION

GOTO 150.000,35.000,140.000,0.000,0.000,1.000

GOTO -150.000, 35.000,140.000,0.000,0.000,1.000

CYCLE/OFF

相應(yīng)后置處理結(jié)果：

G00 X150.000 Y35.000 Z150.000 F200.000

CYCLE83(150.000,140.000,5.000,,105.000,,40.000,

5.000,1.000,,1,1)

G00 X-150.000 Y35.000 Z150.000 F200.000

CYCLE83(150.000,140.000,5.000,,105.000,,40.000,5.000,1.000,,1,1)

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)AC回轉(zhuǎn)工作臺(tái)式數(shù)控機(jī)床的后置處理中主要的運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)變換進(jìn)行了研究，給出了坐標(biāo)變換求解方法；并對(duì)840D、Oi Mate數(shù)控系統(tǒng)中的某類非標(biāo)準(zhǔn)功能代碼的轉(zhuǎn)換進(jìn)行了論述。最后在以UG前置處理輸出的刀位文件基礎(chǔ)上，使用Visual C++對(duì)上述后置處理功能進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。在具有此類機(jī)床結(jié)構(gòu)的BV-100數(shù)控機(jī)床上加工某葉輪樣件驗(yàn)證了后置處理算法的正確性，如圖5所示。開(kāi)發(fā)的后置處理軟件具有較好的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。

圖5 葉輪樣件的加工

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