非正交五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床后置處理技術(shù)研究與應(yīng)用

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(1.貴州航天控制技術(shù)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550009； 2.貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550009)

0 引言

數(shù)控加工技術(shù)主要涉及數(shù)控編程技術(shù)、后置處理技術(shù)和數(shù)控裝備技術(shù)。其中，數(shù)控編程技術(shù)是數(shù)控加工技術(shù)的軟件基礎(chǔ)，數(shù)控裝備則是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的硬件基礎(chǔ)，后置處理技術(shù)則是連接數(shù)控編程技術(shù)和數(shù)控裝備的橋梁[1]。

隨著數(shù)控裝備的結(jié)構(gòu)形式日益復(fù)雜化、多樣化。計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)技術(shù)也隨之日臻完善。其中，西門子公司的UG NX軟件是目前主流的計(jì)算機(jī)輔助CAD/CAM/CAE集成設(shè)計(jì)軟件之一，利用UG NX/CAM編制數(shù)控加工程序，數(shù)控編程的基本過(guò)程如圖1[2]。

圖1 數(shù)控編程的基本過(guò)程

數(shù)控編程產(chǎn)生的刀位軌跡源文件是通用標(biāo)準(zhǔn)文件，不能直接應(yīng)用于機(jī)床加工。需要通過(guò)機(jī)床專用的后置處理器對(duì)源文件進(jìn)行解釋和編譯，生成機(jī)床能夠執(zhí)行的NC程序。

因此，后置處理是數(shù)控加工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它的任務(wù)是將CAM軟件生成的加工刀位軌跡文件轉(zhuǎn)換成特定機(jī)床可接受的數(shù)控代碼文件。針對(duì)不同的數(shù)控機(jī)床，根據(jù)其空間結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的不同，對(duì)其數(shù)控程序要求的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式、加工代碼格式、輔助命令等使用不同，因此要針對(duì)不同的機(jī)床生成不同的后置處理生成器。

某外貿(mào)技轉(zhuǎn)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)履約時(shí)，需要使用對(duì)方非正交五軸加工中心德瑪吉DMU50E機(jī)床，為保證項(xiàng)目正常開展，需要對(duì)該機(jī)床配置特殊的UG五軸聯(lián)動(dòng)加工后置處理程序。通過(guò)分析機(jī)床結(jié)構(gòu)及相關(guān)機(jī)床參數(shù)，建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型及算法，應(yīng)用UG后置處理器設(shè)置機(jī)床后置處理程序，使用VERICUT軟件仿真生成的NC程序并驗(yàn)證后置的正確性，最終應(yīng)用于產(chǎn)品零件的加工。

1 非正交五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)變換

1.1 DMU50E機(jī)床結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖2 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)坐標(biāo)關(guān)系

德瑪吉DMU50E是非正交五軸聯(lián)動(dòng)雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的機(jī)床，機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)包括X、Y、Z三個(gè)直線軸和B、C兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，其中與Z軸成45°夾角的B軸為第四軸，C軸為繞Z軸旋轉(zhuǎn)的第五軸。機(jī)床B軸與Z軸交點(diǎn)與機(jī)床原點(diǎn)之間的距離H是機(jī)床的一個(gè)重要參數(shù)，其具體參數(shù)在機(jī)床出廠時(shí)已經(jīng)內(nèi)置機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，其參與機(jī)床系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換，如圖2。

制作后置處理所需的機(jī)床基本參數(shù)如表1。

表1 德瑪吉DMU50E機(jī)床信息表

1.2 機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)算法分析

使用CAM軟件編制五軸數(shù)控程序時(shí)，其生成的加工刀位文件由在工件坐標(biāo)系下的X、Y、Z和刀軸矢量i，j，k組成。后置處理主要目的是將刀位文件通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求解，生成機(jī)床識(shí)別的旋轉(zhuǎn)角度和經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)后的X、Y、Z值。

假定工件坐標(biāo)系Ox′y′z′與機(jī)床坐標(biāo)系Oxyz平行，且在機(jī)床坐標(biāo)系Oxyz中的坐標(biāo)為(x0，y0，z0)。在工件坐標(biāo)系中，設(shè)定任意點(diǎn)的刀具中心位置即刀位點(diǎn)為(x1，y1，z1)，刀軸矢量為單位向量n，n=bxi+byj+bzk。通過(guò)計(jì)算，確定刀位點(diǎn)(x1，y1，z1)在機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中X、Y、Z、B、C的值[3]。

1.2.1 機(jī)床B、C軸旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算

由于x，y，z向的運(yùn)動(dòng)不影響刀軸矢量，可將刀軸矢量OP的起點(diǎn)平移至機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)。因?yàn)閷?shí)際加工時(shí)刀軸Z固定，因此問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為刀軸矢量OP如何轉(zhuǎn)化成OP0。如圖3所示，根據(jù)幾何關(guān)系，矢量OP可繞Z軸旋轉(zhuǎn)至R點(diǎn)，然后繞B軸旋轉(zhuǎn)可與OP0重合。根據(jù)圖3中向量關(guān)系可推導(dǎo)出：

圖3 刀軸矢量旋轉(zhuǎn)示意圖

(1)

(2)

由方程式(1)和(2)可得：

cosB=2bz-1

可計(jì)算出機(jī)床的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)為：

B=arccos(2bz-1)

(3)

(4)

其中，C′為向量OP與X軸的夾角，根據(jù)向量OP所在象限的不同：

1.2.2 直角坐標(biāo)計(jì)算

還需計(jì)算工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后的刀位點(diǎn)為(x1，y1，z1)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X，Y，Z)。在五軸機(jī)床德瑪吉DMU50E的西門子Sinumerik 840D控制系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)之后，可保持刀具刀心點(diǎn)相對(duì)于工件的位置，即RTCP功能，并提供實(shí)現(xiàn)該功能的轉(zhuǎn)換TRAORI代碼。而通過(guò)后置處理的是經(jīng)過(guò)B、C軸旋轉(zhuǎn)的加工坐標(biāo)系下的X1，Y1，Z1坐標(biāo)值，而最終由機(jī)床控制系統(tǒng)來(lái)計(jì)算出經(jīng)過(guò)B、C軸旋轉(zhuǎn)之后的在機(jī)床坐標(biāo)系的X、Y、Z坐標(biāo)值。實(shí)際上只需進(jìn)行如下空間變換。

a)零件繞傾斜軸旋轉(zhuǎn)B角，變換矩陣為：

(5)

b)零件繞Z軸旋轉(zhuǎn)C角，變換矩陣為：

(6)

因此，后置處理生成的刀位點(diǎn)的齊次坐標(biāo)[X1，Y1，Z1，1]表達(dá)式為：

[X1，Y1，Z1，1]=[x1，y1，z1，1]E1E2

(7)

2 機(jī)床五軸后置處理程序

NX自帶了后處理工具—NX/Post，利用它可以將NX CAM中生成的零件加工刀軌作為輸入，輸出符合機(jī)床控制系統(tǒng)要求的NC代碼。Post Builder提供了一個(gè)圖形界面用于編制后處理，其可以定義NC輸出文件中不同的程序行格式和行中的單字格式，定制程序頭、操作起始位置、操作結(jié)束位置、程序尾、換刀事件和循環(huán)事件等，也可以通過(guò)Tcl語(yǔ)言將所需的特殊程序段寫入后置處理中。通過(guò)NX/Post建立起機(jī)床控制系統(tǒng)相關(guān)的事件處理文件和事件定義文件，然后通過(guò)NX整合在一起，完成各種結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床的后處理[4]。

2.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)置

不同的機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)不同，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型不同。NX/Post提供了三軸銑及車銑、四軸帶輪盤及轉(zhuǎn)頭、五軸帶雙轉(zhuǎn)頭、五軸帶雙轉(zhuǎn)盤、五軸帶轉(zhuǎn)頭和轉(zhuǎn)盤等幾種銑加工機(jī)床模型，基本覆蓋了現(xiàn)有機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式，避免后處理制作人員對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行重復(fù)定義。根據(jù)DMU50E機(jī)床斜置雙轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)，選擇五軸帶雙轉(zhuǎn)盤的運(yùn)動(dòng)模式。

圖4 機(jī)床結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

NX/Post提供了大部分如Sinumerik 840D、Fanuc 30i、heidenhain_Conversational等主流控制系統(tǒng)版本，如果機(jī)床系統(tǒng)比較特殊，可根據(jù)相似系統(tǒng)進(jìn)行自定義。根據(jù)DMU50E機(jī)床說(shuō)明書，選擇控制系統(tǒng)為Sinumerik 840D。輸出單位設(shè)置為millimeters。相關(guān)設(shè)置如圖4。

2.2 機(jī)床行程等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

圖5 機(jī)床行程相關(guān)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)后置處理要求，還需要對(duì)機(jī)床的行程進(jìn)行設(shè)置，并設(shè)置為需要輸出圓，線性運(yùn)動(dòng)最小分辨率0.001 mm，最大快速移動(dòng)為30000 mm/min等，如圖5。

2.3 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床重要參數(shù)的設(shè)置

因DMU50E五軸機(jī)床非正交的特殊結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與常見正交雙轉(zhuǎn)臺(tái)不同，所以后置中第四軸和第五軸設(shè)置就比較特殊。因后置處理模板中已經(jīng)對(duì)雙轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行了有效的定義，所以只是需要對(duì)第四軸和第五軸的平面法向矢量根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新定義，使后置處理中的運(yùn)動(dòng)學(xué)變換公式與前面推導(dǎo)的一致。

第四軸B軸的常規(guī)參數(shù)設(shè)置旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分辨率為0.001，軸旋轉(zhuǎn)為法向，軸角度范圍為0°～185°，旋轉(zhuǎn)平面中的第四軸平面法矢I=0，J=-1，K=1，如圖6。第五軸C軸的常規(guī)參數(shù)設(shè)置旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分辨率為0.001，軸旋轉(zhuǎn)為法向，軸角度范圍為0°～360°，旋轉(zhuǎn)平面中的第四軸平面法矢I=0，J=0，K=-1，如圖7。

圖6 第四軸參數(shù)設(shè)置 圖7 第五軸參數(shù)設(shè)置

通過(guò)上述設(shè)置后，后置處理生成的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型與我們實(shí)際推算的數(shù)學(xué)模型一致，并可以通過(guò)VERICUT仿真和實(shí)際加工進(jìn)行驗(yàn)證。

2.4 后置處理程序相關(guān)的定制

在配置后置處理時(shí)，可以添加相應(yīng)功能的后置處理模塊。以下面四項(xiàng)為例，可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)后置進(jìn)行修改及添加，使生成的NC程序達(dá)到加工要求。

①在程序起始序列中，需要添加程序名，程序保存路徑及程序組名，如圖8。

②設(shè)置NC程序自動(dòng)換刀，給出刀具基本信息，便于機(jī)床操作員檢查實(shí)際刀具參數(shù)與程序的一致性，如圖9。

圖8 程序起始部分 圖9 刀具信息設(shè)置代碼

③在程序結(jié)束序列設(shè)置冷卻液關(guān)閉、Z軸回零、X /Y軸回零、B/C軸回零及程序結(jié)束代碼，如圖10；并能顯示加工時(shí)間，如圖11。

圖10 程序結(jié)束序列代碼 圖11 加工時(shí)間代碼

在制作后處理程序時(shí)，根據(jù)實(shí)際加工程序需要，增減相應(yīng)的程序模塊，盡量將已知的各種特殊情況考慮在后置程序之中。使用過(guò)程中遇到后置問(wèn)題，就要對(duì)后置要不斷地修改、完善，并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證充分，保證生成的加工程序安全。

3 五軸后置處理程序的驗(yàn)證

制作五軸機(jī)床DMU50E后置處理程序后，需要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。以前常見的驗(yàn)證方法是將通過(guò)后置處理生成的NC程序輸入機(jī)床進(jìn)行實(shí)際加工驗(yàn)證，但是該種方法風(fēng)險(xiǎn)很大，容易因后置錯(cuò)誤導(dǎo)致零件過(guò)切、機(jī)床碰撞等嚴(yán)重問(wèn)題。

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，能夠模擬機(jī)床幾何加工仿真的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并商業(yè)化應(yīng)用。我們采用具有建立機(jī)床關(guān)系模型和多系統(tǒng)后置處理的并能優(yōu)化加工程序的VERICUT軟件作為數(shù)控機(jī)床加工仿真的軟件平臺(tái)。VERICUT機(jī)床仿真能真實(shí)再現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行NC程序的正確性、合理性檢測(cè)，并能檢測(cè)機(jī)床運(yùn)動(dòng)方式，尤其是多軸機(jī)床的空間運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性檢測(cè)。

圖12 VERICUT仿真驗(yàn)證加工程序

應(yīng)用VERICUT軟件，可以根據(jù)實(shí)際DMU50E數(shù)控機(jī)床實(shí)體尺寸建造各部件三維機(jī)床模型，然后建立起機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸組件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最后選取與機(jī)床一樣的VERICUT提供的Sinumerik 840D控制系統(tǒng)，建立起五軸數(shù)控加工中心DMU50E仿真環(huán)境，如圖12。將需要仿真的零件模型及后處理生成的NC程序?qū)敕抡姝h(huán)境中，即可測(cè)試后置生成的NC程序。

4 五軸后置處理程序的實(shí)際應(yīng)用

某外貿(mào)技轉(zhuǎn)項(xiàng)目中，通過(guò)對(duì)非正交五軸加工中心德瑪吉DMU50E機(jī)床制作后置處理程序，并使用VERICUT軟件仿真生成的NC程序并驗(yàn)證后置的正確性，如圖13。最終應(yīng)用該后置生成的NC程序，在DMU50E機(jī)床上加工出殼體零件的相關(guān)內(nèi)容，并檢驗(yàn)合格。

圖13 殼體后置生成的NC程序

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)非正交五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)的分析，推導(dǎo)出該機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，并應(yīng)用UG/POST后置處理器制作出該機(jī)床的五軸后置處理程序，然后應(yīng)用VERICUT軟件對(duì)后置處理程序進(jìn)行驗(yàn)證，最終應(yīng)用于實(shí)際加工中。后置處理作為數(shù)控加工的核心環(huán)節(jié)，決定了CAM軟件的應(yīng)用效果和復(fù)雜零件加工的質(zhì)量、效率等。該后置算法推導(dǎo)及后置處理程序的制作，對(duì)同類型設(shè)備和其它五軸的后置處理程序開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。