五軸數(shù)控拋光機(jī)CAM技術(shù)

中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 王 旭

五軸數(shù)控拋光機(jī)CAM技術(shù)綜述

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)不僅代表著一個(gè)機(jī)械制造企業(yè)的發(fā)展水平，更代表著一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造工業(yè)的發(fā)展水平[1]。在先進(jìn)機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域中，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)是其中的重要組成部分，也是重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一，同時(shí)也是加工技術(shù)中難度最大的。對(duì)于性能要求高、復(fù)雜的幾何外形而言，利用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床不僅可以保證加工的質(zhì)量，還可以提高生產(chǎn)效率[2]。

通過(guò)研究，將五軸數(shù)控CAM技術(shù)應(yīng)用到汽車(chē)鋁合金輪轂拋光加工工藝中，并研發(fā)設(shè)計(jì)、制造出針對(duì)汽車(chē)鋁合金輪轂拋光加工的五軸數(shù)控機(jī)床。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)汽車(chē)輪轂的企業(yè)較多，但是還沒(méi)有先進(jìn)可靠的輪轂數(shù)控拋光設(shè)備，各大輪轂生產(chǎn)廠家不得不引進(jìn)價(jià)格昂貴的多軸數(shù)控拋光機(jī)床和專(zhuān)用數(shù)控拋光加工軟件。從鋁合金輪轂成形工藝方法來(lái)講，關(guān)鍵工序包括鑄造或者鍛造成形、旋壓成形、機(jī)械加工、表面拋光等。該技術(shù)的研發(fā)可以滿足國(guó)內(nèi)鋁合金輪轂拋光加工技術(shù)的需要，對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化輪轂拋光加工具有重要意義。

隨著國(guó)內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，多軸數(shù)控加工設(shè)備也在不斷完善。兩軸半、三軸的加工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了較先進(jìn)的水平，國(guó)內(nèi)也可以制造出這樣的加工設(shè)備，并且在機(jī)械加工領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，而多軸數(shù)控加工技術(shù)還處于提高階段，重點(diǎn)研究的內(nèi)容包括加工工藝方法和機(jī)床后置處理技術(shù)，對(duì)于多軸數(shù)控設(shè)備而言需要多元化應(yīng)用?；谖遢S數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)輪轂多軸拋光加工是在技術(shù)上和應(yīng)用上的一種創(chuàng)新，擴(kuò)展了五軸數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍。對(duì)于目前輪轂拋光加工這項(xiàng)技術(shù)來(lái)講，還是完全依靠人工手動(dòng)拋光、人工利用機(jī)器半自動(dòng)化拋光加工，這不僅需要大量的人力、物力，同時(shí)降低了生產(chǎn)效率，拋光加工質(zhì)量難以保證，對(duì)于外形尺寸較大的輪轂而言還需要多人配合完成，因此，鋁合金輪轂拋光加工利用五軸數(shù)控拋光機(jī)床來(lái)實(shí)現(xiàn)是十分必要的。

在五軸數(shù)控拋光機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中，重點(diǎn)研究的內(nèi)容包括機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)特性。結(jié)構(gòu)形式主要包括拋光機(jī)床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、拋光刀具設(shè)計(jì)、裝夾工作臺(tái)設(shè)計(jì)等；拋光機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性是在傳統(tǒng)的3個(gè)聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)軸X、Y、Z的基礎(chǔ)上增加了刀具繞Y軸旋轉(zhuǎn)和工作臺(tái)繞Z軸旋轉(zhuǎn)。加工過(guò)程中，機(jī)床主軸和工作臺(tái)5個(gè)坐標(biāo)軸同時(shí)做線性插補(bǔ)，使刀具按要求的空間軌跡運(yùn)動(dòng)，能保持最佳的加工狀態(tài)并有效避免刀具干涉。輪轂表面的拋光加工技術(shù)不同于普通的數(shù)控銑削加工，主要是在刀具設(shè)計(jì)上發(fā)生改變，如在五軸數(shù)控拋光機(jī)床刀具選擇上利用布輪。布輪的外形結(jié)構(gòu)可以改變，如通過(guò)主軸的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)布輪也作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)布輪外輪廓與輪轂表面相接觸時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生高速摩擦，使得輪轂表面連續(xù)不斷地進(jìn)行打磨，再加上拋光液的作用，就可以使得輪轂表面具有很好的光澤效果。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程需要NC程序控制。利用五軸數(shù)控拋光機(jī)床來(lái)完成加工是一項(xiàng)新型的加工方法，與傳統(tǒng)的拋光加工技術(shù)相比，它具有生產(chǎn)效率高、節(jié)省能源、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)。由于拋光布輪具有柔軟性，接觸時(shí)具有收縮性，加工時(shí)安全性較高，容易實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)拋光，可以獲得較高的表面質(zhì)量。

實(shí)現(xiàn)五軸數(shù)控拋光CAM技術(shù)，并且得到準(zhǔn)確的機(jī)床加工程序需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）幾何建模。利用建模軟件完成三維的鋁合金輪轂創(chuàng)建，建模軟件常用的包括CATIA、UG、Pro/Engineer等。

（2）制定加工工藝方案。在數(shù)控加工技術(shù)中，加工工藝起著關(guān)鍵作用，合理的加工工藝可以提高工件的加工質(zhì)量，還可以提高生產(chǎn)效率[3]。鋁合金輪轂拋光加工工藝的選擇主要包括加工路線、選擇刀具、控制刀軸方式、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度等。

（3）刀具軌跡生成。根據(jù)加工工藝要求生成合理的刀具加工軌跡，滿足無(wú)干涉、無(wú)碰撞、節(jié)省刀具運(yùn)行時(shí)間、提高加工效率的要求。對(duì)于鋁合金輪轂曲面模型而言，需要利用CAM編程軟件實(shí)現(xiàn)刀具軌跡生成，并且得到刀位數(shù)據(jù)文件。

（4）加工軌跡仿真。在CAM編程軟件中生成刀具加工軌跡以后，要針對(duì)實(shí)體進(jìn)行刀具加工軌跡確認(rèn)，驗(yàn)證刀位數(shù)據(jù)對(duì)于通過(guò)后置處理轉(zhuǎn)換的數(shù)控加工程序是十分必要的，特別是在多軸加工編程中，其作用更為明顯。這樣可以有效地避免加工程序在加工過(guò)程中有可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)切與碰撞等問(wèn)題[3-5]。

（5）后置處理。拋光機(jī)床后置處理程序是根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)變換特點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算得到的后置處理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，將在刀具軌跡生成過(guò)程中所產(chǎn)生的刀位數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成拋光機(jī)床的數(shù)控加工程序。準(zhǔn)確的后置處理可以保證加工程序的準(zhǔn)確性，提高加工效率，保證加工質(zhì)量，還可以提高機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中的可靠性能[6]。五軸數(shù)控拋光機(jī)床后置處理程序具有唯一性。

（6）NC程序仿真。為保證實(shí)際加工過(guò)程的穩(wěn)定性、安全性，需要對(duì)后置處理轉(zhuǎn)換得到的G代碼指令進(jìn)行驗(yàn)證，在Vericut數(shù)控仿真軟件中建立實(shí)際加工環(huán)境，模擬實(shí)際加工過(guò)程。

鋁合金輪轂表面的拋光加工技術(shù)在輪轂生產(chǎn)中越來(lái)越重要，利用數(shù)控加工代替人工手動(dòng)操作只是轉(zhuǎn)變的開(kāi)始，將來(lái)要建立數(shù)字化、智能化的拋光生產(chǎn)線，建立數(shù)字化在線檢測(cè)技術(shù)，在不同機(jī)床之間還要建立智能化機(jī)器手搬運(yùn)。因此，將五軸數(shù)控加工理論應(yīng)用到鋁合金輪轂拋光加工中，對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)控拋光加工具有重要意義。

五軸數(shù)控拋光機(jī)床

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控拋光機(jī)床合理地實(shí)現(xiàn)了多軸加工的理念，在傳統(tǒng)的三軸基礎(chǔ)上增加了刀具擺動(dòng)與工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，即刀具繞著Y軸擺動(dòng)，工作臺(tái)繞著Z軸旋轉(zhuǎn)。

（1）拋光機(jī)床坐標(biāo)系。對(duì)于數(shù)控拋光機(jī)床而言，先要確定Z軸，然后再確定X軸和Y軸，最后確定其他旋轉(zhuǎn)軸。機(jī)床某一軸的運(yùn)動(dòng)正方向，是指增大工件和刀具之間距離的方向。X、Y、Z軸按照右手直角笛卡兒坐標(biāo)系判斷，B、C旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的正方向按照右手螺旋法則判斷。數(shù)控拋光機(jī)床坐標(biāo)系定義方向如圖1所示。

圖1 拋光機(jī)床坐標(biāo)系

圖2 刀具坐標(biāo)系

（2）刀具坐標(biāo)系。與刀具固連的坐標(biāo)系為刀具坐標(biāo)系，刀具坐標(biāo)原點(diǎn)定義在刀尖點(diǎn)上，刀具坐標(biāo)系的方向要與機(jī)床坐標(biāo)系的方向保持一致。對(duì)于數(shù)控拋光機(jī)而言，刀具坐標(biāo)系定義在布輪端面的中心位置，方向與拋光機(jī)機(jī)床坐標(biāo)方向一致，如圖2所示。

（3）機(jī)床結(jié)構(gòu)信息。通過(guò)拋光機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖可以了解到機(jī)床的整體，包括輪轂裝夾工作臺(tái)，夾緊裝置，X、Y、Z移動(dòng)坐標(biāo)軸，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，還有伺服電機(jī)，滾軸絲杠，直線導(dǎo)軌等。機(jī)床基本信息見(jiàn)表1。

與普通的五軸數(shù)控機(jī)床相比，拋光機(jī)床在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)和刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上發(fā)生了改變。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)是承載輪轂的重要組成部分，由于要考慮輪轂外形尺寸和重量，工作臺(tái)在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為圓形，在工作臺(tái)上對(duì)稱(chēng)分布夾具的安裝位置。為適應(yīng)較大尺寸輪轂的裝夾，夾具前后位置應(yīng)可調(diào)。同時(shí)，在滿足承載力的前提下應(yīng)適當(dāng)減少工作臺(tái)的重量。刀具運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)伺服電機(jī)控制，刀具在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為對(duì)稱(chēng)形式，布輪的大小可以改變。拋光機(jī)床刀具結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（4）輪轂?zāi)Ｐ团c裝夾利用建模軟件創(chuàng)建三維的鋁合金輪轂?zāi)Ｐ?，選擇的鋁合金輪轂?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。

輪轂安裝在工作臺(tái)上的原則是：首先要保證工作臺(tái)中心孔軸線與輪轂軸線重合，其次要保證輪轂所在的位置與數(shù)控編程軟件中設(shè)定的加工坐標(biāo)位置一致。輪轂在工作臺(tái)上裝夾如圖5所示。

（5）前置處理與后置處理。利用數(shù)控加工軟件對(duì)輪轂?zāi)Ｐ捅砻嫔蓲伖饧庸ぼ壽E，這一過(guò)程稱(chēng)為前置處理。在整個(gè)前置處理過(guò)程中，得到了刀具相對(duì)于輪轂表面的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且產(chǎn)生刀位文件（CLFS），它描述了刀具運(yùn)動(dòng)時(shí)的坐標(biāo)位置和刀軸矢量方向。前置處理產(chǎn)生的刀位運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)是原始程序，是假想工件靜止不動(dòng)，刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)參數(shù)，并沒(méi)有考慮到機(jī)床的結(jié)構(gòu)特性。因此，需要將前置處理中產(chǎn)生的刀位數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)化成拋光機(jī)床所能識(shí)別的NC數(shù)控程序，這一過(guò)程稱(chēng)為后置處理。以輪轂?zāi)Ｐ椭休喚壩恢脼槔M(jìn)行拋光加工，前置處理所產(chǎn)生的加工軌跡如圖6所示。

表1 機(jī)床信息

圖4 輪轂?zāi)Ｐ?/p>

圖5 輪轂裝夾圖

圖6 加工軌跡

圖7 后處理界面

圖8 實(shí)際加工

后置處理技術(shù)對(duì)于數(shù)控程序的轉(zhuǎn)換起著十分關(guān)鍵的作用，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)控拋光加工的重要環(huán)節(jié)，其主要功能是將刀具在工件坐標(biāo)中的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機(jī)床坐標(biāo)系中的值。因此，首先要分析拋光機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)特性，確定工件坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后通過(guò)空間矩陣算法求解出后置處理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式[6-8]，最終得到可以執(zhí)行的后置處理轉(zhuǎn)換界面。輪轂?zāi)Ｐ椭休喚墥伖饧庸ず笾锰幚磙D(zhuǎn)換如圖7所示。

（6）將后置處理轉(zhuǎn)換得到的NC程序?qū)霋伖鈾C(jī)床中，完成實(shí)際加工前的常規(guī)準(zhǔn)備以后開(kāi)始執(zhí)行數(shù)控程序。輪轂?zāi)Ｐ椭休喚壩恢脪伖饧庸み^(guò)程如圖8所示。

經(jīng)研究，將五軸數(shù)控理論應(yīng)用到輪轂拋光機(jī)床中，對(duì)實(shí)現(xiàn)鋁合金輪轂數(shù)控拋光加工具有重要意義，對(duì)改變輪轂拋光加工工藝方法也是一種創(chuàng)新。同時(shí)，將五軸數(shù)控拋光機(jī)床應(yīng)用到實(shí)際輪轂生產(chǎn)中，可以擴(kuò)展五軸數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用范圍，也可以為企業(yè)的發(fā)展帶來(lái)改變。

結(jié)束語(yǔ)

2014年10月10日中德簽署了《中德合作行動(dòng)綱要》，同時(shí)我國(guó)結(jié)合德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)工業(yè)制造復(fù)興計(jì)劃也制訂了《中國(guó)制造2025》規(guī)劃，這意味著我國(guó)要在工業(yè)化和信息化同步發(fā)展的戰(zhàn)略中更快地促進(jìn)兩者融合，最終早日實(shí)現(xiàn)智能化制造。因此，利用五軸數(shù)控技術(shù)對(duì)輪轂表面進(jìn)行拋光加工就是一種新工藝方法的變革，也是按照智能化制造要求的一種轉(zhuǎn)變。同時(shí)，將數(shù)控拋光加工應(yīng)用到輪轂生產(chǎn)中，改變了現(xiàn)有企業(yè)的生產(chǎn)模式，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了成本消耗，提高了勞動(dòng)安全指數(shù)。通過(guò)對(duì)五軸數(shù)控拋光機(jī)床的實(shí)際應(yīng)用加以探討，對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化輪轂拋光加工具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 全榮.五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù).長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,1995:6-10.

[2] 周濟(jì),周艷紅.數(shù)控加工技術(shù).北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002:8-10.

[3] 劉雄偉.數(shù)控加工理論與編程技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:10-16.

[4] 王愛(ài)玲,李夢(mèng)群,馮裕強(qiáng).數(shù)控加工理論與實(shí)用技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:80-82.

[5] 周艷紅,周濟(jì).五坐標(biāo)數(shù)控加工的理論誤差分析與控制.機(jī)械工程學(xué)報(bào),1999,35(5):54-57.

[6] 馮顯英,葛榮雨.五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床后置處理算法的研究.工具技術(shù),2006,40(4):44-46.

[7] 龐繼偉.五軸數(shù)控銑削加工后置處理及加工編程研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué), 2007.

[8] 明興祖,數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)中后置處理的實(shí)現(xiàn).組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2002(1):29-31.