艙體非連續(xù)內(nèi)型面數(shù)控銑削后置處理及其仿真驗(yàn)證

張維軒 黎朝暉 成群林 張小龍 金永喬 沈義平

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艙體非連續(xù)內(nèi)型面數(shù)控銑削后置處理及其仿真驗(yàn)證

張維軒 黎朝暉 成群林 張小龍 金永喬 沈義平

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

為了實(shí)現(xiàn)艙體非連續(xù)內(nèi)型面結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化加工，提高艙體加工效率和加工精度，研究了非標(biāo)準(zhǔn)后置處理的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，設(shè)計(jì)了基于非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控銑削專用機(jī)床的后置處理系統(tǒng)并編輯了NC程序。仿真加工以驗(yàn)證后置處理系統(tǒng)的正確性與高效性，并針對機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和刀具干涉問題，對NC程序進(jìn)行修改完善。經(jīng)過對NC程序的修正，最終仿真結(jié)果表明NC程序有效可靠，使艙體數(shù)控銑削加工得以實(shí)現(xiàn)。

艙體內(nèi)型面；后置處理；仿真驗(yàn)證

1 引言

非連續(xù)內(nèi)型面結(jié)構(gòu)具有減輕艙體重量，降低生產(chǎn)成本的作用，此類結(jié)構(gòu)在多種武器型號鎂鋁合金鑄造艙體中十分常見，某型號艙體內(nèi)型面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 艙體內(nèi)型面結(jié)構(gòu)

針對加工此類結(jié)構(gòu)的非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控銑削專用機(jī)床，需要對非標(biāo)準(zhǔn)后置處理系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。數(shù)控銑削專用機(jī)床為四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床（軸和軸），十字滑臺實(shí)現(xiàn)軸的直線運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主軸上安裝的角度頭用于將刀具旋轉(zhuǎn)90°，方便加工艙體內(nèi)型面。

通用后置處理系統(tǒng)沒有考慮對刀軸方向角度轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)，無法適用于非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控機(jī)床。作為CAD/CAM系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)之間的橋梁，非標(biāo)準(zhǔn)后置處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分必要，NC程序編輯的質(zhì)量對于提高加工效率和加工精度也有著重要意義。

2 非標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換算法

機(jī)床坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換是后置處理的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，是聯(lián)系刀具坐標(biāo)系和艙體坐標(biāo)系的理論依據(jù)，目的是將刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機(jī)床軸運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)[1，2]。根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控銑削專機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立三維坐標(biāo)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 三維坐標(biāo)系統(tǒng)

設(shè)坐標(biāo)系1111是艙體坐標(biāo)系，原點(diǎn)1在艙體非夾持面中心處，艙體軸線方向?yàn)檩S，刀軸方向?yàn)檩S，根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系規(guī)則，軸方向隨之確定，艙體坐標(biāo)系是前置處理所得刀位信息的基準(zhǔn)坐標(biāo)系；設(shè)坐標(biāo)系2222是刀具坐標(biāo)系，原點(diǎn)2在刀頭處，軸方向與艙體坐標(biāo)系一致；設(shè)坐標(biāo)系3333是床體坐標(biāo)系，原點(diǎn)3在三爪卡盤中心處，軸方向與艙體坐標(biāo)系一致，軸是繞軸旋轉(zhuǎn)的軸。

根據(jù)此數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈如圖3所示，在刀具坐標(biāo)系中，刀軸矢量為[0 0 -1]，刀頭位置為[0 0 0]；在床體坐標(biāo)系中，艙體坐標(biāo)系僅存在軸方向的相對運(yùn)動(dòng)，刀具坐標(biāo)系僅存在方向的相對運(yùn)動(dòng)；因此在艙體坐標(biāo)系中，刀具坐標(biāo)系既存在方向的平移運(yùn)動(dòng)，又存在軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在前置處理的刀位信息中，可以得到刀具在艙體坐標(biāo)系中的刀軸矢量和刀頭位置等信息，通過后置處理得到使艙體、刀具坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)的NC代碼。在分析運(yùn)動(dòng)關(guān)系時(shí)，將相對運(yùn)動(dòng)分解為平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，可得坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖4所示。

圖3 機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈

圖4 坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)關(guān)系

刀具坐標(biāo)系2222相對于艙體坐標(biāo)系1111繞軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)至2′2′2′2′，旋轉(zhuǎn)角為；在床體坐標(biāo)系中，刀具坐標(biāo)系原點(diǎn)和艙體坐標(biāo)系原點(diǎn)的重合點(diǎn)坐標(biāo)為O(, 0, 0)，其中是艙體的軸向長度。根據(jù)前置處理得到在艙體坐標(biāo)系中的刀軸矢量，經(jīng)過機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換可得：

3 后置處理過程

后置處理是將數(shù)控機(jī)床無法直接識別的刀位信息轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床可以直接識別的NC程序的過程。后置處理過程主要包括刀位信息的生成、后置處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和NC程序的編輯與校驗(yàn)等[3]，其中NC程序的編輯是后置處理的核心部分。

通過后置處理系統(tǒng)，將前置處理的刀位信息轉(zhuǎn)換成NC代碼的流程如圖5所示。后置處理系統(tǒng)按行讀取、識別刀位信息數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)床特點(diǎn)進(jìn)行軸運(yùn)動(dòng)與坐標(biāo)變換，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，最終生成NC程序[1]。

圖5 后置處理流程

Pro/E軟件的制造模塊的主要功能包括：建立制造文件與模型、制造設(shè)置、加工方法設(shè)置、刀具軌跡設(shè)計(jì)、加工仿真、后置處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與創(chuàng)建、NC程序編輯與生成等。此艙體非連續(xù)內(nèi)型面的銑削走刀路徑單側(cè)包括4個(gè)非連續(xù)圓形內(nèi)型面，如圖6所示。

圖6 走刀路徑

后置處理系統(tǒng)的功能是處理由前置處理生成的刀位信息，并將其刀具軌跡轉(zhuǎn)換成可以直接被機(jī)床識別的NC代碼。由于每個(gè)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)不同，所識別的NC代碼格式也有差異，因此所需的后置處理系統(tǒng)也不盡相同，需要針對非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床設(shè)計(jì)專用的后置處理系統(tǒng)，進(jìn)而編輯專用的NC程序。對Pro/E后置處理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括機(jī)床設(shè)置、代碼格式設(shè)置等，并生成NC程序，根據(jù)實(shí)際加工情況對NC程序進(jìn)行修改。

常用G代碼指令如表1所示。

表1 常用G代碼

指令G0G1G2（G3）G4G14 內(nèi)容快速走刀直線插補(bǔ)順（逆）時(shí)針圓弧插補(bǔ)暫停指令重復(fù)運(yùn)行一段指令 指令G53～G59G90（G91）G92（G93）G94M3（M4） 內(nèi)容可設(shè)定的工件坐標(biāo)系絕對值（增量值）編程絕對（增量）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換端面切削循環(huán)主軸順（逆）時(shí)針旋轉(zhuǎn) 指令M5M6M8（M9）M10（M11）S 內(nèi)容主軸停自動(dòng)換刀冷卻液開（關(guān)）氣動(dòng)夾緊（松開）主軸轉(zhuǎn)速

根據(jù)表中指令和后置處理系統(tǒng)的設(shè)定對NC程序進(jìn)行修改，NC程序主要包括程序開端、程序主體和程序結(jié)尾[4]，具體程序內(nèi)容如下：

a. 程序開端

%PM

O 0001

N1 G17 M23；刀具補(bǔ)償在-平面，倒角開

N2 M11；主軸點(diǎn)動(dòng)開

N3 G70；精加工

N4 G90；絕對值編程

N5 G55 T1 M6；定義坐標(biāo)系，選擇1號刀具，刀具交換

N6 S1500 M3；主軸轉(zhuǎn)速1500r/min，主軸正轉(zhuǎn)

b. 程序主體

··· ···

N343 X15.8475 Z-6.4884 A-26.509 F200.

N344 X15.8527 Z-6.492 A-26.733 F200.

N345 X15.8575 Z-6.5009 A-26.942 F200.

N346 X15.8626 Z-6.5184 A-27.168 F200.

N347 X15.8666 Z-6.5417 A-27.342 F200.

··· ···

c. 程序結(jié)尾

N888 M5；主軸停止

4 后置處理的仿真驗(yàn)證

使用VERICUT軟件驗(yàn)證后置處理的正確性，可以有效解決加工干涉、誤差補(bǔ)償?shù)葐栴}。VERICUT軟件包括機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真模塊、刀具路徑仿真模塊、NC程序驗(yàn)證模塊等，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床構(gòu)建、刀位信息仿真和后置處理程序仿真等功能[5]。

在VERICUT平臺上構(gòu)建專用數(shù)控機(jī)床，構(gòu)建內(nèi)容包括各坐標(biāo)系的確定以及床體、軸、軸、主軸、刀具等部件的模型，并設(shè)置控制系統(tǒng)為西門子840D控制系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 數(shù)控機(jī)床仿真模型

安裝夾具和艙體工件、載入和設(shè)置NC程序后，進(jìn)行仿真演示。仿真時(shí)出現(xiàn)了坐標(biāo)系不正確、加工報(bào)錯(cuò)等問題，如圖8所示。

對NC程序和機(jī)床環(huán)境進(jìn)行了修正，最終得到可行的NC程序，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

從后置處理數(shù)學(xué)基礎(chǔ)入手，深入研究了非標(biāo)準(zhǔn)后置處理坐標(biāo)系變換的算法，設(shè)計(jì)了合理的艙體內(nèi)型面走刀路徑并獲得了刀位信息。通過設(shè)計(jì)合適的后置處理系統(tǒng)，將刀位信息轉(zhuǎn)換成了NC程序。使用VERICUT軟件對NC程序進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)，進(jìn)而修正并得到完善的NC程序。

1 呂鳳民. 后置處理算法及基于UG/Open GRIP下的程序開發(fā)[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2005，3

2 富宏亞. 七自由度纖維鋪放機(jī)后置處理算法及比較[J]. 兵工學(xué)報(bào)，2010(6)：842～848

3 曾愛華. 數(shù)控加工系統(tǒng)中通用后置處理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，1996(1)：26～29

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

5 劉東曉. 基于VERICUT的數(shù)控加工仿真驗(yàn)證[J]. 新技術(shù)新工藝，2015(12)：97～100

Post-processing with Simulation Validation of NC Milling for Discontinuous Internal Surface of Cabin

Zhang Weixuan Li Zhaohui Cheng Qunlin Zhang Xiaolong Jin Yongqiao Shen Yiping

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

To realize automatic processing of discontinuous internal surface of cabin and to increase processing efficiency and working accuracy, an atypical coordinate transformation algorithm of post-processing has been researched, post-processing system based on atypical NC milling machine has been designed and NC program has been written. Simulating manufacturing has been finished to verify validity and high efficiency of post-processing system, also as for machine structure characteristics and cutter interference problem, NC program has been completed. Through amending NC program, the final simulation result shows that NC program is efficient and makes NC milling processing come true.

cabin internal surface；post-processing；simulation validation

張維軒（1992），碩士，航空宇航科學(xué)與技術(shù)專業(yè)；研究方向：數(shù)控技術(shù)。

2017-04-13