基于MasterCAM雙擺臺五軸后處理的定制及仿真驗證

郝巧梅 江 潔

(①鄂爾多斯職業(yè)學院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000;②武漢職業(yè)技術(shù)學院，湖北 武漢 430074)

雙擺臺五軸機床是五軸加工中應用較為普及的一種結(jié)構(gòu)類型，通常有BC和AC兩種配置形式。使用MasterCAM Xn設計五軸加工刀路后，雖然可借助其內(nèi)嵌的刀路仿真或機床仿真模塊檢查刀路效果，但這種檢查是在沒有生成NC程序的狀況下進行的，可以說它與實際機床系統(tǒng)中的應用還存在一定的距離。在其默認的后置處理樣例中已經(jīng)有針對FANUC系統(tǒng)BC結(jié)構(gòu)形式的PST檔［1］，但由于五軸加工涉及的空間概念復雜，由自動編程獲得的程序坐標數(shù)據(jù)難以直觀地進行判斷，因而對其后置得到的程序是否合理可用往往沒有信心，若自用的機床為AC結(jié)構(gòu)形式，要定制修改后置文檔并進行評判更難以把握。本文從簡單五軸鉆孔節(jié)點坐標的手工計算著手，結(jié)合MasterCAM Xn版雙擺臺五軸加工后處理的定制修改，比對程序數(shù)據(jù)，并借助VERICUT仿真驗證探討其合理性。

1 雙擺臺五軸鉆孔節(jié)點坐標的手工計算

如圖1所示為一箱體工件的工程圖樣，其上φ50mm、φ20mm、φ18mm三個孔需要通過五軸控制機床來加工。工件在五軸AC雙擺臺上裝夾如圖2所示，裝夾定位時使工件坐標系原點與工作臺回轉(zhuǎn)中心重合，即工件底面中心在C軸回轉(zhuǎn)軸線上。

五軸鉆孔加工時，如果以A軸擺轉(zhuǎn)90°，先加工φ50的孔后，再使C轉(zhuǎn)臺逆時針轉(zhuǎn)動60°加工φ20mm的孔;提刀安全退出并使A、C返回零位后，再以C轉(zhuǎn)臺順時針旋轉(zhuǎn)45°，A軸向上擺轉(zhuǎn)60°后加工 φ18mm的孔。各孔位坐標關(guān)系計算如下:

(1)加工 φ50mm 的孔時，A=90°，C=0°，X=0;Y、Z坐標可按圖3所示幾何關(guān)系計算得出。Y=100+125+165=390，Z=165+100 －125=140。

(2)加工 φ20mm 的孔時，A=90°，C= －60°，但相對回轉(zhuǎn)中心的坐標原點在X方向有一定的偏置，該偏置值可由圖4所示幾何關(guān)系，利用三角函數(shù)進行計算。

在圖4所示直角三角形OAB中，斜邊OB=100，∠AOB=60°，AB=100 ×sin60°=86.603。則轉(zhuǎn)臺逆時針轉(zhuǎn)動60°后φ20mm孔的X坐標值為:X=86.603－62.5=24.103。Y坐標與φ50mm孔相同，即Y=390。而Z坐標的計算必須先由圖4計算出OD線長。

(3)從圖1中知，在A、C軸為0時，φ18mm孔的中心點坐標為(81.25，－81.25，184.69)。從圖2知，工件坐標系的原點(工作臺面中心)離A軸的距離為Y=165，Z=125。當按工作臺 C軸順時針旋轉(zhuǎn)45°，A軸向上旋轉(zhuǎn)60°后加工該孔時，其孔中心點的坐標可按圖5的幾何關(guān)系計算。

表1 雙擺頭C+A五軸主要參數(shù)設置及含義解析

則回轉(zhuǎn)后φ18mm孔中心點D'的坐標為:

2 雙擺臺五軸后置的參數(shù)定制與修改

MasterCAM Xn版PST文檔的五軸參數(shù)主要集中在5 Axis Rotary Settings區(qū)段中設置［2］，包括旋轉(zhuǎn)軸代碼、各軸零位及正方向、擺臺五軸類型設置、軸間偏置數(shù)據(jù)設置等參數(shù)。以Generic FANUC 5X Mill.pst后置處理文檔為藍本，按前述C+A模式對雙擺臺五軸進行主要設置參數(shù)的修改，見表1所示。

3 雙擺臺五軸鉆孔自動編程的坐標數(shù)據(jù)比對

在MasterCAM Xn版中，對圖1所示工件建模并按點鉆－2mm深、提刀R面高于孔口表面10mm設計五軸鉆孔加工的刀路，使用以上定制修改確立的后處理檔，可自動編制得到如下NC程序:

通過對該程序識讀解析，并與前述手工節(jié)點計算的結(jié)果進行比較，不難看出，自動編程的NC程序中各孔中心的五軸坐標數(shù)據(jù)與手工節(jié)點計算結(jié)果完全一致。更改鉆孔深度數(shù)據(jù)時，其孔位的X、Y坐標不變，僅Z深度變化，更改偏置距離時將會引起X、Y、Z數(shù)據(jù)的變化但A、C角度不變，更改A、C零位及旋向時各軸數(shù)據(jù)都會產(chǎn)生變化。由此可初步判定，以上雙擺臺五軸后處理參數(shù)的定制修改是合理可行的。

4 VERICUT的仿真驗證

為驗證程序與數(shù)控系統(tǒng)的適應性，我們借助VERICUT軟件，以doosan_vmd600.mch為五軸機床模型，選用FANUC31i數(shù)控系統(tǒng)，第一家族按X→Z→主軸→刀具的邏輯關(guān)系，第二家族按Y→A→C→附件夾具→毛坯的邏輯關(guān)系構(gòu)成AC雙軸擺臺式五軸機床，并以Y165、Z－125調(diào)整AC擺臺的軸間偏置，整個機床模型的邏輯關(guān)系如圖6所示。接著添加鉆頭刀具并導入上述NC程序，調(diào)入用MasterCAM實體建模后轉(zhuǎn)換生成的STL毛坯模型，然后執(zhí)行機床加工仿真，即可以得到期望的加工效果。若更改調(diào)整MasterCAM后置中Y、Z偏置數(shù)據(jù)后重新生成NC程序，并在VERICUT中對AC的軸間偏置做相應調(diào)整，同樣可得到期望的加工結(jié)果，由此進一步驗證了前述定制修改雙擺臺后處理參數(shù)的合理可行性。

5 結(jié)語

對CAM軟件而言，在未輸出程序之前的五軸加工刀路設計與采用何種機床無關(guān)，通過其內(nèi)嵌的仿真驗證能一定程度檢查走刀路線的合理性，但其與機床系統(tǒng)及其五軸結(jié)構(gòu)模式是否匹配，仍存在很大程度的不確定性，這與后置設置合理與否是分不開的。對一個成熟的CAM軟件而言，其五軸坐標數(shù)據(jù)的算法本身應該是可信的，后置中也通常提供有適應各類機床結(jié)構(gòu)模式的相關(guān)參數(shù)項設置供用戶修改。只是由于五軸坐標數(shù)據(jù)涉及的空間概念讓編程者無法直觀快捷地對NC程序進行判定，因此對后置設置的修改結(jié)果信心不足，從而在很大程度上制約了五軸技術(shù)的應用。本文所介紹的簡單的五軸鉆孔案例，對具有常規(guī)編程基礎的用戶來說，從計算其孔位節(jié)點坐標著手不難手工編制出其加工用NC程序，在此基礎上再進行CAM五軸后置的定制修改，對修改后所輸出的程序中關(guān)鍵坐標數(shù)據(jù)比對一下即可判定其合理性。對于成熟的CAM軟件而言，只要五軸鉆孔自動編制的程序得以驗證通過，其他基本線圓插補、合理設計下的曲面銑削等程序數(shù)據(jù)均應無原則性錯誤，甚至都不需要借助VERICUT多軸仿真軟件來驗證。至于因刀路設計的不合理導致干涉碰撞的產(chǎn)生，應該說與后處理機床配置方案修改的合理性無關(guān)，刀路設計的合理性及干涉碰撞可能性的判定，則必須借助像VERICUT這種面向程序的多軸仿真軟件做進一步的驗證［3］。

［1］孟凡秋.MasterCAM后處理數(shù)控加工程序的修改［J］.模具制造，2007(4):11－12.

［2］唐進元，尹風.基于MasterCAM的三大類型五軸機床后處理程序編制方法［J］.制造技術(shù)與機床，2010(8):32－38.

［3］胡寧國.VERICUT仿真加工軟件對制造業(yè)的重要作用［J］.航空制造技術(shù)，2004(2):101.