基于PM－post的五軸數(shù)控銑床選項(xiàng)文件定制方法的研究

劉 江 郭志平 楊 濤 崔朝霞 程海鷹

(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)

對(duì)于葉輪、葉片等復(fù)雜曲面零件加工來說，需使用五軸數(shù)控銑床進(jìn)行加工，操作者手動(dòng)編程非常困難，必須要借助CAM軟件產(chǎn)生刀位文件，然后利用后處理軟件和機(jī)床選項(xiàng)文件將其處理成機(jī)床可以識(shí)別的數(shù)控程序。不同的CAM軟件所使用的后處理軟件也不同，如UG 使用的后處理器為 UG － post［1］［2］;Pro/E 的后處理器為 Gpost［3］;Powermill使用的為 DUST － post和 PM－post。機(jī)床選項(xiàng)文件是根據(jù)特定的數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床而編制的用于規(guī)定NC代碼輸出指令及其格式的文件，通常也叫后處理文件［4］。針對(duì)不同的數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，需要不同的機(jī)床選項(xiàng)文件與之對(duì)應(yīng)，所以定制適合五軸加工的機(jī)床選項(xiàng)文件就尤為重要。

與其他UG、Pro/e等軟件相比，PowerMill是世界上著名的功能強(qiáng)大、加工策略豐富的數(shù)控銑削CAM軟件，同時(shí)也是增長(zhǎng)率最快的數(shù)控銑削加工軟件［5］，其具有易學(xué)易用、計(jì)算速度更快、優(yōu)化刀具路徑、支持高速加工和多軸加工、加工模擬先進(jìn)以及無過切與碰撞等特點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外許多知名企業(yè)的青睞。早期的PowerMill后處理程序 DUCTpost是基于純文本文檔［6］，用戶修改選項(xiàng)文件較困難、可讀性差、調(diào)試難度大。PM－post是Delcam公司按照windows操作風(fēng)格和界面開發(fā)的一款集工件路徑后處理、機(jī)床選項(xiàng)文件(即后處理文件)定制和修改的軟件，由后處理器、機(jī)床選項(xiàng)文件編輯器和控制臺(tái)三部分組成，與DUCTpost相比，具有界面友好、理解容易、易于操作、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以得到越來越多人的使用。

本文以德國(guó)德瑪吉公司生產(chǎn)的型號(hào)為DMU mono-BLOCK 100五軸聯(lián)動(dòng)萬(wàn)能銑削中心為例(數(shù)控系統(tǒng)采用的是海德漢iTNC530)，研究基于后處理軟件PM－post的五軸數(shù)控銑床選項(xiàng)文件的定制方法。

1 五軸數(shù)控銑床及海德漢iTNC530介紹

1.1 DMUmonoBLOCK100五軸銑床介紹

德國(guó)德瑪吉公司生產(chǎn)的型號(hào)為DMUmonoBLOCK100萬(wàn)能銑削中心由3根線性進(jìn)給軸、2個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸組成，可以實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工。3根線性進(jìn)給軸為X軸、Y軸、Z軸，2根旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸為可繞Z軸旋轉(zhuǎn)360°的C軸和可繞Y軸擺動(dòng)的B軸，B軸的擺動(dòng)角度為－30°～120°，5根進(jìn)給軸按照笛卡爾坐標(biāo)系布置，機(jī)床模型見圖1。該設(shè)備選用的數(shù)控系統(tǒng)為海德漢的iTNC530數(shù)控系統(tǒng)，屬高檔數(shù)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)加工工件的3D演示及加工碰撞檢測(cè)功能，可視化的對(duì)話編程實(shí)現(xiàn)了程序的快速編制，每個(gè)循環(huán)與機(jī)械加工的工步相對(duì)應(yīng)，具有編程簡(jiǎn)單、直觀，加工調(diào)試修改方便等特點(diǎn)［7］。但在編制五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床用機(jī)床選項(xiàng)文件時(shí)，由于海德漢的iTNC530數(shù)控系統(tǒng)與通用的DIN－ISO標(biāo)準(zhǔn)代碼完全不同，所以首先要熟悉其程序結(jié)構(gòu)和刀具路徑功能代碼。

1.2 iTNC530數(shù)控系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行五軸銑削加工時(shí)，iTNC530數(shù)控系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如下所示:

1.3 iTNC530五軸加工刀具路徑功能與輔助功能

進(jìn)行五軸加工時(shí)，主要有“3+2”定位加工和五軸聯(lián)動(dòng)加工兩種方式?！?+2”五軸定位加工是利用旋轉(zhuǎn)軸B與旋轉(zhuǎn)軸C實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，用來加工在空間上成一定角度的斜孔或凸凹輪廓，iTNC530數(shù)控系統(tǒng)利用坐標(biāo)系變換循環(huán)Cycle19和坐標(biāo)系平移循環(huán)Cycle7配合來實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。五軸聯(lián)動(dòng)加工需要用到直線路徑功能L、圓弧路徑功能CR、輔助功能M126和M128。直線路徑功能L最多可控制5軸，在多于3軸時(shí)進(jìn)給軸坐標(biāo)值都需要由后置處理軟件來產(chǎn)生;圓弧路徑功能CR只適合在坐標(biāo)平面內(nèi)產(chǎn)生，空間圓弧一般由直線插補(bǔ)來逼近;M126為旋轉(zhuǎn)軸短路徑運(yùn)動(dòng)，用M127取消M126，可提高工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)效率;M128為調(diào)用刀具中心管理功能，用M129取消M128，此功能對(duì)五軸加工尤為重要，可防止發(fā)生碰撞。

2 PM－post的參數(shù)設(shè)置方法

在PM－post軟件中，提供了常見的數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床選項(xiàng)文件，海德漢數(shù)控系統(tǒng)也在其列，但只支持三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床，對(duì)于定制5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的機(jī)床選項(xiàng)文件來說，可以在三軸的機(jī)床選項(xiàng)文件之上結(jié)合機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改即可。

2.1 PM－post機(jī)床參數(shù)的設(shè)置

在設(shè)置機(jī)床參數(shù)時(shí)，需掌握機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軸數(shù)、運(yùn)動(dòng)軸的空間位置關(guān)系、運(yùn)動(dòng)軸名稱、各軸的運(yùn)動(dòng)行程及機(jī)械坐標(biāo)系位置等信息。

啟動(dòng)PM－post軟件后，選擇File＞Open＞Option File，選擇機(jī)床選項(xiàng)文件Heidenhain530.pmopt，打開海德漢數(shù)控系統(tǒng)的j機(jī)床選項(xiàng)文件，單擊“編輯”選項(xiàng)卡，由后處理管理器切換到選項(xiàng)文件編輯管理器，點(diǎn)擊一級(jí)樹枝Settings，進(jìn)入機(jī)床選項(xiàng)文件的基本設(shè)置。對(duì)于定制五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床選項(xiàng)文件來說，需要設(shè)置五軸數(shù)控銑床的坐標(biāo)系變換、機(jī)床進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)及多軸的配置方式，對(duì)應(yīng)于Settings樹枝下的Corrdinates Control、Machine Kinematics 和 Multi－Axis Configuration。

單擊Corrdinates Control樹枝，打開選項(xiàng)卡，如圖2。為了使機(jī)床選配文件同時(shí)支持“3+2”定位加工和5軸加工，需將坐標(biāo)系自動(dòng)控制開關(guān)打開，并在Profile選項(xiàng)中選擇“Multi－Axis machine with RTCP and 3+2 support”。對(duì)于海德漢 iTNC530數(shù)控系統(tǒng)來說，“3+2”定位加工需要坐標(biāo)系變換，而五軸加工時(shí)，坐標(biāo)系變換會(huì)影響刀尖管理功能(RTCP)，加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生碰撞風(fēng)險(xiǎn)。所以在“3+2”定位加工時(shí)，在Pre－Set中選擇“Pre － Set 3:Workplane:On，RTCP:Off，Tool length Comp:Off”，即打開坐標(biāo)變換功能，關(guān)閉刀尖中心管理功能;在5軸加工時(shí)，在Pre－Set中選擇“Pre－Set 2:Workplane:Off，RTCP:On，Tool length Comp:Off”，打開刀尖中心管理功能，關(guān)閉坐標(biāo)變換功能。

單擊Machine Kinematics樹枝，打開選項(xiàng)卡，根據(jù)德瑪吉monoBLOCK100的機(jī)床結(jié)構(gòu)，動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)該選5－Axis Table Head，或加載已經(jīng)建好的機(jī)床模型導(dǎo)入。選擇5－Axis Table Head后，選項(xiàng)卡中出現(xiàn)5根進(jìn)給軸的參數(shù)表，將其更改為X、Y、Z、B、C進(jìn)給軸;查閱德瑪吉monoBLOCK100的機(jī)床參數(shù)MP910－MP922得到 X、Y、Z、B、C 軸的行程、參考點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，填入選項(xiàng)卡。進(jìn)給軸B的設(shè)置參數(shù)如圖3所示。

當(dāng)機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型選擇為多軸時(shí)，多軸功能配置被激活，單擊Multi－Axis Configuration樹枝，打開選項(xiàng)卡，為了滿足工件的公差要求，應(yīng)選擇線性多軸運(yùn)動(dòng)為“Yes”，保證每根進(jìn)給軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)步距合理;對(duì)于Special Mutl－Axis Feed Rate選項(xiàng)，主要是控制當(dāng)?shù)毒吲c工件的接觸點(diǎn)不是刀位點(diǎn)時(shí)，加工的進(jìn)給速度和切削速度與刀位點(diǎn)加工是不同的，為了減小這種加工狀況下的表面粗糙值，可選擇Constant Surface Speed選項(xiàng)。其余選項(xiàng)可按照默認(rèn)選項(xiàng)進(jìn)行。

對(duì)應(yīng)于Initialisation樹枝下，是設(shè)置后處理開始時(shí)的初始參數(shù)，如冷卻方式、運(yùn)動(dòng)模式等。其中刀具中心管理功能(RTCP Mode)和坐標(biāo)系變換功能(Workplane transformation)在啟動(dòng)時(shí)需要關(guān)閉，以免在處理時(shí)出現(xiàn)問題。

2.2 命令樹枝的設(shè)置

命令(Command)樹枝下的內(nèi)容是制定滿足數(shù)控程序的關(guān)鍵部分，PM－post后處理器利用參數(shù)變量將刀位文件中的坐標(biāo)值、進(jìn)給速度轉(zhuǎn)換為NC程序的坐標(biāo)值;利用字符串給出程序號(hào)、坐標(biāo)值、進(jìn)給速度等。利用現(xiàn)用的三軸數(shù)控銑床的機(jī)床選配文件，將其更改為適合五軸的海德漢iTNC530數(shù)控系統(tǒng)，需要調(diào)整如下語(yǔ)句。

2.2.1 修改直線插補(bǔ)的參數(shù)

雙擊Command樹枝下的Moves樹枝，然后點(diǎn)擊Move linear樹枝，將其展開，按圖4設(shè)置直線插補(bǔ)參數(shù)。對(duì)于五軸加工，直線插補(bǔ)需要增加旋轉(zhuǎn)軸B、C。單擊Cutter Compensation Mode，將插入位置定位在參數(shù)Cutter Compensation Mode前，參數(shù)Z之后，單擊瀑布菜單Select Parameter，選擇參數(shù)Machine B，然后點(diǎn)擊增加參數(shù)按鈕將旋轉(zhuǎn)軸B插入到程序語(yǔ)句當(dāng)中，而插入的只有B軸的旋轉(zhuǎn)角度值，坐標(biāo)值代號(hào)“B”需要通過編輯參數(shù)Machine B的屬性，增加前綴“B”來實(shí)現(xiàn)。用類似的方法可以將旋轉(zhuǎn)軸C插入到程序語(yǔ)句中。

2.2.2 修改多軸加工模式

多軸模式的作用是在PM－post處理刀位文件時(shí)，刀位文件中包含“3+2”定位加工和五軸加工時(shí)需要調(diào)用的程序指令。雙擊Command樹枝下的Multi－Axis Mode樹枝，將其展開。在Multi－Axis Mode樹枝下需設(shè)置Set Multi－Axis On(多軸功能打開)和Set Workplane On(坐標(biāo)系變換打開)。在Set Multi－Axis On(多軸功能打開)樹枝下，增加文本字符串，如圖5所示。在程序預(yù)覽窗口顯示:

在Set Workplane On(坐標(biāo)系變換打開)樹枝下，在坐標(biāo)系變換之前需先取消刀尖管理功能和前面的坐標(biāo)系變換功能。按照?qǐng)D6設(shè)置完程序塊，在程序預(yù)覽窗口，程序顯示如下:

3 加工驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于PM－post建立的海德漢iTNC530數(shù)控系統(tǒng)五軸機(jī)床選項(xiàng)文件的正確性，選用圖7所示葉輪作為加工零件進(jìn)行加工。

在PowerMill軟件中設(shè)置刀路，進(jìn)行加工仿真，檢查沒有碰撞和過切后，輸出刀位文件，文件名為Fine.cut。在PM－post中打開Fine.cut，選擇編制好的機(jī)床選配文件DMUmonoBLOCK100.pmopt，后處理得到NC程序Fine_DMUmonoBLOCK100.h。為保證加工過程的連續(xù)性、加工過程不打刀，選用尼龍作為毛坯材料，在車床上將葉輪外輪廓與中心孔加工完成，然后利用德國(guó)德瑪吉公司生產(chǎn)的型號(hào)為DMUmonoBLOCK100萬(wàn)能銑削中心進(jìn)行加工，加工后的成品如圖8所示。經(jīng)檢測(cè)表面光滑、無過切，尺寸合格，定制的機(jī)床選項(xiàng)文件可成功地應(yīng)用到五軸銑削加工。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以海德漢iTNC530數(shù)控系統(tǒng)為例，得出了基于PM－post后處理器的五軸數(shù)控銑削加工中心機(jī)床選項(xiàng)文件(后處理文件)的定制方法及與五軸銑削加工相關(guān)參數(shù)的設(shè)置方法，并通過加工進(jìn)行了驗(yàn)證。

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