基于五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床后處理的開發(fā)與驗(yàn)證

孫耀恒,王科健

(白銀礦冶職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 白銀 730900)

0 引 言

五軸數(shù)控加工具有高速、高效、高精、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、汽車、精密模具等精密加工中[1]。目前，五軸數(shù)控機(jī)床的用戶越來越多，國產(chǎn)的五軸控制系統(tǒng)與國外的控制系統(tǒng)差距越來越小，尤其是企業(yè)和高校也投入了五軸數(shù)控設(shè)備，五軸數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)繁多，機(jī)床結(jié)構(gòu)也存在著差異。[2]與之配套的CAM軟件也很多，由于軟件和硬件之間的差異性，影響著五軸加工的范圍。要解決上述的問題，必須進(jìn)行深入的研究五軸后處理。[3]

五軸數(shù)控機(jī)床有配套的CAM軟件才能助力五軸數(shù)控機(jī)床作用發(fā)揮，但CAM軟件后處理文件嚴(yán)重制約著五軸機(jī)床的功能，后處理文件需通過軟件供應(yīng)商專門化定制方可使用，價(jià)格昂貴[4]。針對上述問題，以IMSpost為平臺(tái)，開發(fā)萬能后處理文件，將UG、Mastercam刀位文轉(zhuǎn)換為五軸NC代碼，以FEELER U600五軸機(jī)床為例進(jìn)行切削驗(yàn)證，驗(yàn)證后處理文件的正確性和可靠性。

1 后處理文件的開發(fā)

1.1 刀位文件數(shù)學(xué)分析

在UG軟件中輸出.CLS刀位文件，刀位文件包含了刀具數(shù)據(jù)、切削參數(shù)、各軸坐標(biāo)點(diǎn)等信息。如圖1所示，刀位文件中有6個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，三個(gè)線性點(diǎn)坐標(biāo)和三個(gè)刀軸向量值，如果三個(gè)向量值不為零時(shí)，說明刀軸發(fā)生了傾斜，需要多軸加工。

圖1 刀位數(shù)據(jù)文件

實(shí)際加工中刀軸始終垂直于水平面，依靠轉(zhuǎn)臺(tái)的翻轉(zhuǎn)和工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)加工。根據(jù)三個(gè)刀軸向量值，計(jì)算出A、C軸旋轉(zhuǎn)角度，如圖2所示，三個(gè)向量值分別是I0.7173189,J0.4630699,K0.5205957。通過這三個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算出A=58.628，C=57.155。

進(jìn)一步分析得出：將刀軸的三個(gè)向量值轉(zhuǎn)換為A、C軸的旋轉(zhuǎn)角度即可。五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 A、C軸旋轉(zhuǎn)角度分析

機(jī)床A軸正向行程僅有40°，避免A軸超程將C軸旋轉(zhuǎn)180°，使A向負(fù)方向翻轉(zhuǎn)，即：A=0-A，刀軸在第一象限C=360-C，第二象限C=0-C，第三象限C=180-C，第四象限C=180+C。通過數(shù)學(xué)方法得到了五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控加工程序如表1所示。

圖3 雙擺臺(tái)五軸機(jī)床機(jī)構(gòu)

表1 刀位數(shù)據(jù)對應(yīng)的NC代碼

由于五軸聯(lián)動(dòng)的刀位文件點(diǎn)數(shù)據(jù)龐大，需第三方的軟件轉(zhuǎn)換處理[5]。IMSpost軟件可識(shí)別多種CAM軟件的刀位文件，通過數(shù)據(jù)計(jì)算并轉(zhuǎn)換，將刀位文件轉(zhuǎn)換為五軸NC代碼，通過模擬驗(yàn)證即可實(shí)際切削加工。

1.2 后處理文件的開發(fā)

開發(fā)專屬后處理文件需熟知機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)[5]。FEELER U600為雙擺臺(tái)正交結(jié)構(gòu)五軸機(jī)床，配有海德漢iTNC530系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)除裝夾面以外所有面的加工，完成高精度零部件加工，機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 FEELER U600五軸加工中心主要技術(shù)參數(shù)

該控制系統(tǒng)具有RTCP功能，開發(fā)后處理文件，需從“程序開始部分、運(yùn)動(dòng)控制部分、程序結(jié)束部分”三部分為切入點(diǎn)，編輯宏命令，添加符合海德漢iTNC530的程序代碼。關(guān)鍵是開啟RTCP功能，具體操作如圖4所示選擇“宏管理器”，搜索“RTCP”宏指令并編輯，“ SYSTEM.COORD_RTCP = 1”為開啟RTCP功能，“SYSTEM.COORD_RTCP = 0”為關(guān)閉RTCP功能。

圖4 IMSpost宏指令編輯

編輯宏命令：RTCP/* SYSTEM.COOD_RTCP=0

IF(MODE.RTCP<>"OFF")

OUTPUT(MODE.RTCP.OFF,NEWLIN)

_FORCE_REGISTER = 1

ENDIF

SYSTEM.COORD_RTCP = 1

SYSTEM.CIRCTYPE = GLOBAL.CIRCTYPE_SAV

ENDCASE

編輯宏命令：INIT_CFG/* menu-generated code start，添加程序開始指令，取消RTCP功能、取消傾斜功能、取消坐標(biāo)系平移、激活加工坐標(biāo)系、啟用高速高精加工模式。

OUTPUT("FN 0: Q501=+0.0", NEWLIN)

OUTPUT("FN 0: Q502=+0.0", NEWLIN)

OUTPUT("FN 0: Q503=+0.0", NEWLIN)

OUTPUT("M05", NEWLIN)

OUTPUT("M127", NEWLIN)

OUTPUT("M129", NEWLIN)

OUTPUT("LBL 170", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 7.0 DATUM SHIFT", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 7.1 X+0", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 7.2 Y+0", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 7.3 Z+0", NEWLIN)

OUTPUT("PLANE RESET STAY", NEWLIN)

OUTPUT("LBL 0", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 247 DATUM SETTING Q339=+1 ; DATUM NUMBER", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.0 TOLERANCE", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.1 T0.100", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.2 HSC-MODE:1 TA0.5", NEWLIN)

編輯宏命令：LOADTL/* menu_0-generated code start，添加換刀前指令，刀具交換前需關(guān)閉切削液、主軸停轉(zhuǎn)、各坐標(biāo)軸歸零，防止刀具與附件發(fā)生干涉。

IF (GLOBAL.FTOOL = -1)

OUTPUT("L ZQ503 R0 FMAX M91", NEWLIN)

OUTPUT("L XQ501 YQ502 R0 FMAX M91", NEWLIN)

OUTPUT("L A+0.0 C+0.0 FMAX", NEWLIN)

ENDIF

編輯宏命令：LOADTL/* menu_2-generated code start，添加換刀后指令，刀具交換后需開啟旋轉(zhuǎn)軸短路徑運(yùn)動(dòng)、添加RTCP指令、主軸正轉(zhuǎn)。

IF ((GLOBAL.FTOOL = -1) AND (GLOBAL.TOOLCHG_BLOCK=0))

OUTPUT("M126", NEWLIN)

OUTPUT("M128", NEWLIN)

OUTPUT("M03", NEWLIN)

ENDIF

編輯宏命令：FINI_CFG/*menu-generated code start，添加程序結(jié)束指令，關(guān)閉冷卻液、主軸停轉(zhuǎn)、取消傾斜功能、關(guān)閉旋轉(zhuǎn)軸短路徑運(yùn)動(dòng)、取消RTCP功能、各坐標(biāo)軸返回參考點(diǎn)、程序結(jié)束。

OUTPUT("L M09", NEWLIN)

OUTPUT("L M05", NEWLIN)

OUTPUT("PLANE RESET STAY", NEWLIN)

OUTPUT("L M127", NEWLIN)

OUTPUT("L M129", NEWLIN)

OUTPUT("M140 MB MAX", NEWLIN)

OUTPUT("L ZQ503 R0 FMAX M91", NEWLIN)

OUTPUT("L XQ501 YQ502 R0 FMAX M91", NEWLIN)

OUTPUT("L A+0.0 C+0.0 FMAX", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.0 TOLERANCE", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.1", NEWLIN)

OUTPUT("M30", NEWLIN)

葉輪是驗(yàn)證五軸聯(lián)動(dòng)后處理文件的典型案例，葉輪模型如圖5(a)所示，為驗(yàn)證后處理文件的可靠性，用UG粗加工葉輪如圖5(b)精加工葉片如圖5(c)所示，Mastercam精加工輪轂如圖5(d)所示。輸出并保存粗精加工刀位文件，UG刀位文件后綴名為.CLS，Mastercam刀位后綴名為.NCI。葉輪加工工藝參數(shù)如表3所示。

圖5 葉輪模型及加工軌跡

表3 葉輪加工工藝參數(shù)表

2 后處理文件的驗(yàn)證

2.1 刀位文件轉(zhuǎn)換

在IMSpost軟件中，用開發(fā)的后處理文件對UG及Mastercam輸出的刀位文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖6(a)所示，選擇文件輸入類型，并指定保存路徑。轉(zhuǎn)換后的部分精加工部分程序如圖6(b)所示，程序初始部分、運(yùn)動(dòng)控制部分、程序結(jié)束部分完全符合開發(fā)要求。

圖6 IMSpost刀位文件轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換后的程序

2.2 后處理驗(yàn)證

后處理文件的正確性采用虛擬仿真和實(shí)際切削驗(yàn)證如圖7所示，Vericut虛擬仿真開啟碰撞檢測和過切檢查，經(jīng)驗(yàn)證無碰撞和過切現(xiàn)象，仿真結(jié)果如圖7(a)所示。

圖7 葉輪加工

U600的五軸加工中心上實(shí)際切削加工，完全滿足加工要求，實(shí)際加工如圖7(b)所示。

3 結(jié) 論

(1) 闡述了后處理文件的重要性，以雙擺臺(tái)正交五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)為研究對象，分析了各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

(2) 分析了刀位文件，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算出轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度，并以IMSpost軟件為平臺(tái)，編輯宏語言開發(fā)了五軸后處理文件。

(3) 通過驗(yàn)證，將UG和Mastercam刀位文件轉(zhuǎn)換的NC代碼采用仿真和實(shí)際切削驗(yàn)證，其結(jié)果與加工要求一致。

通過實(shí)際加工，開發(fā)的五軸后處理文件更好的發(fā)揮了五軸的加工優(yōu)勢，開發(fā)安全有效的后處理文件解決了五軸加工中的技術(shù)瓶頸，對提高編程效率和加工可靠性有重要意義。