雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機床設(shè)置與加工仿真

周 宇

（阜新高等?？茖W校，阜新 123000）

0 引言

五軸聯(lián)動機床，是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復(fù)雜曲面的加工設(shè)備，對一個國家的航空、航天、軍事、科技、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等等行業(yè)有著舉足輕重的影響力。近年來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，五軸聯(lián)動機床不僅在軍工、航空航天等領(lǐng)域得到普及，在中小型企業(yè)也開始普遍裝備五軸機床。五軸機床可分為雙轉(zhuǎn)臺、單轉(zhuǎn)臺單擺頭、雙擺頭三種基本類型，每臺機床的后處理都需要單獨配置。文章通過對AC軸雙轉(zhuǎn)臺機床的運動結(jié)構(gòu)的分析，歸納了該類型機床后置處理設(shè)置的一般流程。

同時作為數(shù)控加工的重要的輔助工具，CAM編程軟件及數(shù)控加工仿真軟件也正在普及和發(fā)展，文章以實際加工為例，應(yīng)用相關(guān)數(shù)控仿真與編程軟件對五軸機床加工的整個操作流程進行虛擬操作與仿真加工。

1 雙轉(zhuǎn)臺機床的坐標系統(tǒng)

1.1 機床原點與機床中心

雙轉(zhuǎn)臺五軸機床的機床零點又稱機床零點，對于經(jīng)濟型五軸機床，一般設(shè)置在進給行程范圍的終點，它是機床上一個固定點，一般由制造廠家確定，是機床調(diào)試和加工的基準點。而機床中心為為回轉(zhuǎn)工作臺表面中心點，是為了確定工件與機床位置關(guān)系而設(shè)定的點，在進行對刀時通常將工件坐標系建立在機床中心點上[1]，如圖1所示。

圖1 機床中心與機床原點

1.2 旋轉(zhuǎn)軸

雙轉(zhuǎn)臺五軸機床的旋轉(zhuǎn)軸分依賴軸和非依賴軸。當另一個旋轉(zhuǎn)軸運動時，不影響這個軸的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)平面，則該軸為非依賴軸。當另一個旋轉(zhuǎn)軸運動時，這個旋轉(zhuǎn)軸改變了旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)平面，則該軸為依賴軸。非依賴軸稱第四軸，依賴軸為第五軸，如圖2所示。

正交五軸機床的兩個旋轉(zhuǎn)軸是相互垂直且相交的，但是實際上兩軸并不完全相交，而是存在一定的偏置，一是由于機床的運動機構(gòu)經(jīng)長時間的使用產(chǎn)生磨損，兩個旋轉(zhuǎn)軸會產(chǎn)生相對偏移而不完全相交，二是有些機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計會使兩軸存在一定偏置，例如偏置工作臺結(jié)構(gòu)。

1.3 旋轉(zhuǎn)軸中心

旋轉(zhuǎn)軸中心是為了方便衡量旋轉(zhuǎn)軸的位置，而在旋轉(zhuǎn)軸上建立的點。

雙轉(zhuǎn)臺機床第四軸中心為第五軸沿著坐標軸方向向第四軸的投影的交點，第五軸中心為回轉(zhuǎn)臺表面與第五軸的交點，與機床中心重合，如圖2所示。

圖2 AC雙轉(zhuǎn)臺機床基本運動結(jié)構(gòu)

2 旋轉(zhuǎn)軸中心與機床中心偏置測定[2]

對于選用非RPCP功能[3]數(shù)控系統(tǒng)的機床，需要確定旋轉(zhuǎn)軸中心與機床中心的偏置，以便為編制CAM軟件的后處理提供參數(shù)，AC雙轉(zhuǎn)臺機床需測量工作臺偏移Y'和擺長Z'，如圖2所示。

先將工作臺調(diào)整為水平，并分別旋轉(zhuǎn)A軸+90°和-90°，使用檢測棒測量兩個方位下轉(zhuǎn)臺側(cè)面最高點的高度差，其值一半為Y'，如圖3所示。同樣，測量兩個方位工作臺表面距離，其值一半為擺長Z'，如圖4所示。

圖3 雙轉(zhuǎn)臺機床工作臺偏置測量

圖4 雙轉(zhuǎn)臺機床運擺長測量

3 基于UG/Post Builder的后處理設(shè)置

使用UG NX后處理工具中的Post Builder（后處理建造器），可以按照需要定義不同結(jié)構(gòu)類型和不同控制系統(tǒng)的機床所適用的后處理。

3.1 創(chuàng)建機床

新建一個新的后處理，并選擇輸出單位、機床類型、控制器等參數(shù)，如圖5(a)所示。一般情況下，對于大多數(shù)機床，輸出單位設(shè)置為Millimeters，機床類型為雙轉(zhuǎn)臺式，控制器選擇Generic（通用），如圖5(a)所示，設(shè)置完成后進入下一步設(shè)置。

機床創(chuàng)建完成后，共有5頁主要參數(shù)需要設(shè)置，分別是：Machine Tool（機床）、Program and Tool Path（程序和刀軌）、NC Date Definition（NC數(shù)據(jù)格式）、Output Setting（輸出設(shè)定）、Files Preview（文件預(yù)覽）。其中Machine Tool（機床）定義了機床的結(jié)構(gòu)，機床各個軸的運動關(guān)系，確定了機床的運動學，保證輸出NC程序加工產(chǎn)品的準確性是這個后處理內(nèi)容的核心，是最重要的參數(shù)。機床參數(shù)設(shè)置包括通用參數(shù)、第四軸、第五軸參數(shù)[4]。

3.2 通用參數(shù)設(shè)置

在Machine Tool頁面下點擊樹狀結(jié)構(gòu)區(qū)中“General Parameters”，右邊參數(shù)區(qū)顯示了該機床的通用參數(shù)，這些參數(shù)包含了機床的基本信息，圓弧刀軌輸出、直線軸行程限制、機床回零位置等?？筛鶕?jù)選用機床情況設(shè)定好這些參數(shù)，如圖5(b)所示。

圖5 后處理設(shè)置

3.3 旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置

點擊樹狀結(jié)構(gòu)區(qū)中的“Fourth Axis”或“Fifth Axis”，右邊參數(shù)區(qū)顯示多軸參數(shù)，第四軸和第五軸參數(shù)的內(nèi)容大多數(shù)是一致的，主要設(shè)置第四軸和第五軸的類型及行程范圍，如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)軸類型設(shè)置

3.4 機床中心到第四軸中心偏置

對于選用非RPCP功能數(shù)控系統(tǒng)的機床，需要測定機床中心、第四軸中、第五軸之間的偏置該偏置為矢量[5]，以機床坐標系為參照，起點為機床零點，指向終點第四軸中心。該矢量可分解在坐標軸上，分別為：X Offset、Y Offset、Z Offset，如圖7所示。

偏置大小為測量得到的旋轉(zhuǎn)軸偏置，偏置的正負以機床坐標系為參照，即偏置矢量與坐標軸正方向相同時為正，反之為負，如圖8所示，然后將數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)的后處理中，如圖9所示。

3.5 第四軸中心到第五軸中心偏置

設(shè)置第四軸到第五軸偏置。該參數(shù)也為矢量，第四軸為起點，第五軸為終點，設(shè)置方法與上例相同，如圖8所示。設(shè)置完相關(guān)參數(shù)后保存即可。

圖7 機床中心與第四軸偏置

圖8 第四軸與第五軸偏置

圖9 后處理旋轉(zhuǎn)軸偏置設(shè)置

3.6 控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)包括：Program and Tool Path（程序和刀軌）、NC Date Definition（NC數(shù)據(jù)格式）、Output Setting（輸出設(shè)定）、Files Preview（文件預(yù)覽）。這些參數(shù)主要由機床使用的控制系統(tǒng)決定，它們的作用是保證輸出NC程序中G代碼的格式符合機床控制系統(tǒng)的兼容性要求。

由于Controller（控制器）一般選用的Generic（通用的），生成的NC程序是符合國際標準的，完成了機床參數(shù)的設(shè)定，建造這個后處理的最重要工作就已經(jīng)完成了。使用這個后處理生成的NC程序，已經(jīng)基本符合機床的使用要求，只是有可能在G代碼的格式上與機床控制系統(tǒng)的要求不完全吻合，還需要對生成NC程序的開頭、結(jié)尾、暫停、自動換刀部分進行手動修改，使之完全符合機床控制系統(tǒng)的要求。要想后處理生成的程序完全符合機床控制系統(tǒng)的要求，而不需要進行任何人工的修改，直接使用，可以進行控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置[6]。

4 對刀

五軸機床對刀的操作過程與三軸機床不同，三軸機床一般都是先裝夾好工件，再去進行對刀操作。五軸機床有時要先進行部分對刀操作，然后在裝夾工件。工件裝夾完成后的位置還需按照對刀的要求進行校正或測量工件基準點與工件坐標系原點的位置。同時還需要校正兩個旋轉(zhuǎn)軸的零點位置[6]。

對A軸。調(diào)整轉(zhuǎn)臺為水平時為A軸零位。

對C軸。通常在需要進行多軸加工的工件上取一基準邊，把這個基準邊與X（或Y）軸成一特定角度或平行時的C軸位置作為C軸的零位。

對XYZ軸。一般把工件原點設(shè)置在機床中心，即工作臺表面中心處。

5 五軸加工中心加工仿真實例

利用宇龍多軸數(shù)控仿真軟件[7]，使用AC雙轉(zhuǎn)臺機床對頭像模型進行虛擬仿真加工。

5.1 工藝分析

根據(jù)模型形狀，選用圓柱體形狀的毛坯。先使用立銑刀對毛坯圓柱側(cè)面兩個方向進行粗加工，然后使用球刀進行整體的五軸聯(lián)動精加工。

5.2 導(dǎo)入機床與采集參數(shù)

在仿真軟件中建立西門子系統(tǒng)的AC軸雙轉(zhuǎn)臺機床，如圖10所示。并根據(jù)軟件提供的機床參數(shù)圖搜集機床基本參數(shù)，如表1所示。

2015年版《中國藥典》（一部）中含毒性飲片成方制劑的歸納與分析 ………………………………………… 李春曉等（3）：337

圖10 建立機床

表1 機床基本參數(shù)

5.3 機床對刀[8]

先將旋轉(zhuǎn)工作臺調(diào)整水平，將此時A軸的機床坐標值輸入到G54和G55中。由于毛坯為圓柱形，可將任意位置的C軸設(shè)為零點。

創(chuàng)建立銑刀和的球頭刀，分別進行對刀至機床中心處，并將兩把刀的X、Y、Z機床坐標值輸入到G54和G55中，如圖11所示。

圖11 工件坐標系設(shè)置

5.4 毛坯的安裝與位置測量

使用夾具將毛坯垂直的裝夾在工作臺上,位置盡量靠近工作臺中心，以縮小加工范圍。將立銑刀對至毛坯的特征點（毛坯上表面中心），并記錄此位置在G54下的坐標值，從而確定該點在與工件坐標系的位置關(guān)系，如圖12(a)所示。

5.5 CAM軟件編程

首先設(shè)置加工坐標系。編程時設(shè)置的加工坐標系即為實際的工件坐標系。因此，UG NX中的加工坐標系與毛坯特征點的位置關(guān)系要與實際工件坐標系與毛坯特征點的位置關(guān)系保持一致[9]，如圖12所示。

圖12 工件安裝與定位

創(chuàng)建工序。根據(jù)加工方案，首先采用定位五軸“3+2”[10]的方式，對毛坯的左右兩側(cè)進行型腔銑粗加工，再采用可變輪廓銑對其進行精加工[11]，如圖13所示。

圖13 UG加工刀具軌跡

5.6 建立后處理及仿真加工

建立雙轉(zhuǎn)臺機床后處理，輸出單位設(shè)置為毫米，控制器選擇通用，依據(jù)搜集到的機床參數(shù)設(shè)置后處理中的機床參數(shù)。其中旋轉(zhuǎn)軸偏置設(shè)置如下：

第四軸中心到第五軸中心偏置。矢量X Offset與x軸正方向相反，設(shè)置為-2.232；矢量Z Offset與z軸正方向相反，設(shè)置為-50，如圖14(b)所示。設(shè)置完畢后可進行機床結(jié)構(gòu)預(yù)覽，如圖15所示。

圖14 第四軸中心、第五軸中心、機床中心偏置設(shè)置

圖15 機床預(yù)覽

利用制作的后處理生成數(shù)控程序，將其輸入到仿真軟件中，進行模擬加工，如圖16所示。

圖16 頭像仿真加工

6 結(jié)論

文章分析了雙轉(zhuǎn)臺五軸機床的基本結(jié)構(gòu)，提出了旋轉(zhuǎn)軸中心和機床中心概念，并建立了機床中心、第四軸中心、第五軸中心三者的空間位置關(guān)系，更加直觀地反應(yīng)了機床的基本運動結(jié)構(gòu)。

介紹了雙轉(zhuǎn)臺五軸機床旋轉(zhuǎn)軸中心和機床中心偏差的檢測方法。結(jié)合檢測數(shù)據(jù)，利用UG NX后處理軟件編制與機床匹配的后處理，實現(xiàn)了計算機軟件編程與特定機床實現(xiàn)對接。

結(jié)合加工實例，介紹了雙轉(zhuǎn)臺五軸機床操作的整個流程，包括工藝分析、機床操作、UG NX編程編制、后處理設(shè)置直至最后數(shù)控加工。其中，應(yīng)用宇龍數(shù)控加工仿真軟件模擬了機床檢測、對刀、工件安裝等機床操作，最后進行虛擬加工仿真。為實際操作機床提供了依據(jù)，驗證了機床設(shè)置操作以及程序編制的正確性，為實際操作該類型五軸機床提供了依據(jù)，達到了減少出錯率，提高生產(chǎn)效率的目的。