沿刀軸Z向控制方式搖臂銑加裝C軸后的擴(kuò)展應(yīng)用

張緒祥，劉旭華，詹華西

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430073)

小企業(yè)基于低成本投入的考量，為在一定程度上實(shí)現(xiàn)五軸加工的工藝拓展，在對(duì)三軸數(shù)控?fù)u臂銑床進(jìn)行加裝轉(zhuǎn)臺(tái)C 軸的四軸改造后，擬利用其主軸搖臂擺角的功能，實(shí)現(xiàn)固定傾角擺頭+擺臺(tái)五軸組合模式的加工。由于該搖臂銑的Z 向運(yùn)動(dòng)是沿主軸套筒伸縮控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，需要對(duì)其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的算法進(jìn)行研究，期望據(jù)此合理設(shè)置CAM 軟件的后處理參數(shù)并實(shí)施算法修正，以確保該機(jī)床數(shù)控加工自動(dòng)編程的順利實(shí)現(xiàn)。

1 搖臂銑加裝C 軸后的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及工藝適應(yīng)性

在數(shù)控銑床的工作臺(tái)上加裝一C 軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行四軸改造后，利用C 軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可消除由插補(bǔ)逼近計(jì)算而引起的加工原理誤差，不僅能實(shí)現(xiàn)均布孔系的精確定位，同時(shí)也能大大提高銑削內(nèi)外柱面輪廓的質(zhì)量。數(shù)控?fù)u臂銑床的主軸可人工手動(dòng)擺轉(zhuǎn)并鎖定在某一角度，視其結(jié)構(gòu)狀況可有繞Y 軸或X 軸擺轉(zhuǎn)兩種，相當(dāng)于一固定傾角的B 軸或A 軸。其Z 軸運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)也可分為兩種，一種是Z 向?yàn)楣ぷ髋_(tái)升降或主軸部件沿立柱升降的形式，其Z 軸始終垂直于XY平面; 另一種是Z 向在主軸套筒內(nèi)沿刀軸方向運(yùn)動(dòng)，隨主軸座擺轉(zhuǎn)而變化，如圖1 所示。

圖1 沿刀軸Z 向伸縮的搖臂銑

搖臂銑加裝回轉(zhuǎn)C 軸后，相當(dāng)于一擺頭(固定傾角) +擺臺(tái)(任意角度) 的五軸機(jī)床，這一組合運(yùn)動(dòng)形式既可利用平底銑刀的底刃實(shí)現(xiàn)與刀軸垂直的斜平面銑削，也可利用平底銑刀的側(cè)刃實(shí)現(xiàn)固定傾角的錐臺(tái)類側(cè)壁曲面的銑削加工，在銑削加工質(zhì)量和加工效率方面都體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。然而，由于搖臂銑加裝C 軸的機(jī)床形式，其主軸擺轉(zhuǎn)的角度不能自動(dòng)控制，所以它不能完全適合真正的擺頭+擺臺(tái)五軸控制的所有加工方法，可實(shí)現(xiàn)的加工工藝范圍存在一定的局限性。

2 主軸傾角固定的多軸加工刀路及坐標(biāo)算法處理

2.1 適應(yīng)搖臂銑固定主軸傾角的五軸加工刀路特點(diǎn)

針對(duì)該搖臂銑加裝C 軸的機(jī)床形式，它要求五軸刀路中主軸擺角相對(duì)固定，只能在運(yùn)動(dòng)初期和運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生主軸固定擺角的運(yùn)動(dòng)，切削運(yùn)動(dòng)中不能再出現(xiàn)主軸的擺角變化，由此方可保證其他各軸坐標(biāo)到位的準(zhǔn)確性，同時(shí)也便于去除程序頭尾部分的B 軸運(yùn)動(dòng)指令。

在MasterCAM 中，以加工圖2 (a) 所示簡(jiǎn)單錐臺(tái)零件為例，采用高級(jí)多軸模板中的壁邊或電極五軸等刀路方法，以平行于側(cè)壁曲面并定義刀軸為固定10°傾角的設(shè)置，即可得到圖2 (b) 所示刀路。其刀路特點(diǎn)是: 平底銑刀作B 軸10°的擺角后先走到錐頂圓周一側(cè)，Z 向下行后逐步引入至加工區(qū)，在始終保持固定傾角的狀態(tài)下，由C 軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)側(cè)壁表面的加工，如此分層依次切削，直至全部側(cè)壁加工完成，最后引出、離開(kāi)加工區(qū)后Z 向提刀，刀軸再擺轉(zhuǎn)復(fù)位至正常角度。這一刀路無(wú)論從刀路法向矢量、仿真運(yùn)動(dòng)效果還是NC 程序格局等諸多方面分析，都是適合搖臂銑固定主軸傾角加裝C 軸后的首選方式之一。

圖2 簡(jiǎn)單錐臺(tái)零件的五軸刀路

2.2 搖臂擺頭模式下編程坐標(biāo)的算法規(guī)則

主軸擺角對(duì)編程坐標(biāo)計(jì)算的影響視擺角方式而不同，A 軸擺角時(shí)影響Y、Z 坐標(biāo)，B 軸擺角時(shí)影響X、Z 坐標(biāo)，其算法依照擺轉(zhuǎn)樞軸點(diǎn)到刀位點(diǎn)的擺長(zhǎng)距離L 而變化，且隨著Z 軸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式不同而遵循不同的算法規(guī)則。

如圖3 所示，若以上表面回轉(zhuǎn)中心為編程零點(diǎn)并按0 傾角狀態(tài)對(duì)刀找正，刀具中心走到錐面+X 一側(cè)的某一位置。對(duì)于Z 軸是垂直升降運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式的機(jī)床，如圖3 (b) 所示，其B 軸擺角時(shí)X、Z 坐標(biāo)的算法如下:

圖3 搖臂擺頭模式下坐標(biāo)算法

而對(duì)Z 軸運(yùn)動(dòng)是在主軸套筒內(nèi)做伸縮運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式，其Z 軸運(yùn)動(dòng)方向受主軸擺角方位的影響，它始終是與刀具主軸軸線方向平行的，因此其X、Z向坐標(biāo)的算法需要合理修正。如圖3 (c) 所示，此時(shí)X、Z 坐標(biāo)應(yīng)在上述基礎(chǔ)上做如下進(jìn)一步處理:

Z' = Z/cosβ =［Za－ L × (1－ cosβ) ］cosβ //沿刀軸Z 向下刀的修正

X = Xa－Lsinβ－X' = Xa－Lsinβ－Z'sinβ //X 方向需消減同步位移

2.3 沿刀軸Z 向控制方式后處理算法的調(diào)整

針對(duì)MasterCAM 中擺頭+ 擺臺(tái)五軸后處理參數(shù)設(shè)置的研究已有相關(guān)的資料介紹，在此不再贅述。對(duì)于Z 軸垂直升降運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式的機(jī)床，只要在后處理中正確設(shè)置擺長(zhǎng)距離L 并激活偏置算法，即可由系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)坐標(biāo)算法的轉(zhuǎn)換。而對(duì)于Z 軸隨主軸擺轉(zhuǎn)后沿套筒軸向做伸縮運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，可通過(guò)對(duì)雜項(xiàng)變量的第1 個(gè)整型變量(mi1) 進(jìn)行標(biāo)記(如設(shè)為5 時(shí)代表Z 軸為平行刀軸運(yùn)動(dòng)) ，然后可在后處理文檔的pbld 函數(shù)中添加如下坐標(biāo)修正的處理內(nèi)容。

基此，當(dāng)需要按Z 軸沿刀軸方向運(yùn)動(dòng)模式做搖臂銑加C 軸控制的加工時(shí)，可先設(shè)置雜項(xiàng)整型變量mi1 中數(shù)據(jù)為5，然后再進(jìn)行NC 程序的輸出。

3 沿刀軸Z 向控制模式搖臂銑的五軸加工仿真驗(yàn)證

按照以上處理方法，對(duì)圖2 所示錐臺(tái)側(cè)壁曲面用MasterCAM X3 構(gòu)建五軸刀路，并按修正算法實(shí)施了后處理的調(diào)整。在VERICUT 中，以基本三軸銑床模型為基礎(chǔ)，按第一家族Y→X→C→附件夾具→毛坯的邏輯關(guān)系添加C 軸轉(zhuǎn)臺(tái)，第二家族則按B→Z→主軸→刀具的邏輯關(guān)系構(gòu)建，確保Z 運(yùn)動(dòng)沿刀軸方向進(jìn)行，能隨著B 軸擺轉(zhuǎn)而變化，整個(gè)機(jī)床模型的邏輯關(guān)系如圖4 (a) 所示。根據(jù)圖4 (a) 的邏輯及其位置關(guān)系可以搭建出如圖4 (b) 所示的機(jī)床模型，并可算出毛坯上表面至樞軸點(diǎn)的擺長(zhǎng)距離為700－254－110 =336 mm，則在MasterCAM 后處理時(shí)應(yīng)按此擺長(zhǎng)設(shè)置然后輸出NC 程序供VERICUT 調(diào)用。

機(jī)床仿真時(shí)，坐標(biāo)系構(gòu)建的對(duì)刀關(guān)系從組件B原點(diǎn)(樞軸點(diǎn)) 到毛坯頂面中心進(jìn)行構(gòu)建，如圖4(b) 所示，其仿真效果與期望的加工結(jié)果有很好的一致性，且其B 軸只在整個(gè)運(yùn)動(dòng)的起始與結(jié)束時(shí)才有擺轉(zhuǎn)的動(dòng)作。但是，若置雜項(xiàng)變量mi1≠5，即按Z向垂直運(yùn)動(dòng)控制方式輸出NC 程序，則在該機(jī)床模型中只能得到如圖4 (c) 所示的仿真效果。此時(shí)由于未按修正算法處理X、Z 坐標(biāo)，因此除在第一高度層中刀具與毛坯有一定程度的切削外，后續(xù)運(yùn)動(dòng)中刀具幾乎都難以接觸到毛坯，且換層時(shí)可以看到明顯的臺(tái)肩，說(shuō)明在改變Z 深度時(shí)X 軸也實(shí)施了未消減的同步位移。另外，作者對(duì)橢圓錐臺(tái)側(cè)壁曲面也按上述方法進(jìn)行了刀路設(shè)計(jì)及VERICUT 的仿真檢查，實(shí)施算法修正前后所輸出的NC 程序其仿真效果明顯不同。只要按前述算法對(duì)X、Z 坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正，在該沿刀軸Z 向控制模式的多軸機(jī)床模型下均可獲得期望的加工仿真結(jié)果，這都較好地驗(yàn)證了作者針對(duì)搖臂銑沿刀軸Z 向控制模式的多軸刀路及其坐標(biāo)算法修正是合理可行的。

圖4 沿刀軸Z 向控制模式的多軸機(jī)床模型及加工仿真

4 結(jié)束語(yǔ)

搖臂銑加裝C 軸后相當(dāng)于主軸固定擺角+轉(zhuǎn)臺(tái)C的五軸模式，盡管它只是一個(gè)四軸控制機(jī)床，但可充分利用CAM 的特定五軸刀路方法編制出僅在程序頭尾出現(xiàn)主軸固定擺角的NC 程序，實(shí)現(xiàn)錐臺(tái)類側(cè)壁曲面的加工，這在一定程度上拓展了搖臂銑的工藝范圍。文中主要針對(duì)搖臂銑中Z 向在主軸套筒內(nèi)沿刀軸方向做伸縮控制的結(jié)構(gòu)模式，從坐標(biāo)算法規(guī)則及其后處理的算法調(diào)整等方面進(jìn)行了分析和探索，并以圓柱錐臺(tái)及橢圓錐臺(tái)為例，通過(guò)VERICUT 多軸仿真軟件對(duì)CAM 自動(dòng)編程的處理結(jié)果實(shí)施了仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，這種處理方法具有較好的可行性。

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