雙擺五軸機(jī)床極軸處理分析

蘇慶雙 歐玉俊

（中國商飛上海飛機(jī)制造有限公司 上海 201306）

1 C軸回轉(zhuǎn)以及重新定位過程

如圖1所示，典型型腔零部件結(jié)構(gòu)是一帶有20°拔模角度的型腔零件，在進(jìn)行型腔內(nèi)部側(cè)面加工時(shí)，需要涉及到B軸的正負(fù)擺角以及C軸在整個(gè)360°范圍內(nèi)的四個(gè)典型位置的角度，對(duì)于C±200°的機(jī)床來說，典型位置的角度為0°、±90°、±180°；而B軸則只有±20°兩種情況。

圖1 典型拔模型腔零件

在C軸超程處理以及C軸重新定位的過程中，機(jī)床會(huì)執(zhí)行一系列類似于宏程序一樣的運(yùn)動(dòng)，以便C軸可以繼續(xù)完成后續(xù)程序段的切削運(yùn)動(dòng)，一般是刀具沿著當(dāng)前切削點(diǎn)法向矢量退刀所指定的距離（如圖 2所示，從P1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P2），之后沿著 Z軸方向運(yùn)動(dòng)到所指定的安全平面（圖2中從P2點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P3點(diǎn)），在所指定的安全平面位置，C軸完成回轉(zhuǎn)、重新定位，B軸完成相應(yīng)的角度重新定位，之后刀具再沿著 P3→P2→P1→切削點(diǎn)的逆運(yùn)動(dòng)繼續(xù)執(zhí)行切削運(yùn)動(dòng)。

圖2 C軸回轉(zhuǎn)、重新定位運(yùn)動(dòng)示意圖

對(duì)于刀軸非垂直于零件表面法向位置的回轉(zhuǎn)，P1→P2則是當(dāng)前的刀軸方向，回轉(zhuǎn)重新定位之后，P2→P1→切削點(diǎn)的逆運(yùn)動(dòng)仍然是刀軸方向,距離|P1P2|則均為沿著刀軸方向的空間距離。

在所指定的安全平面上，C軸完成回轉(zhuǎn)以及重新定位，B軸按照三角函數(shù)匹配出相應(yīng)的擺角，在這個(gè)過程中，C軸角度至關(guān)重要，C軸的取值可以按照行程范圍內(nèi)的正、負(fù)極限位置取值也可以按照C軸靠近 0°位置取值，上述三個(gè)位置則涉及到極軸的幾種處理模式，在具體工況下，選擇特定的處理模式，編制出最好的數(shù)控程序。

2 C軸回轉(zhuǎn)、重新定位的幾種選擇

2.1 C軸角度順序編譯

后置軟件則根據(jù)CAM軟件所生成的APT文件逐行計(jì)算C軸角度并生成相應(yīng)的NC文件，這種編譯不會(huì)考慮并規(guī)避后續(xù)程序所出現(xiàn)的C軸超程及其所帶來的C軸回轉(zhuǎn)、重新定位問題。

換言之，C軸的下一次擺角會(huì)在上一擺角角度下做出繼續(xù)運(yùn)算。

2.2 C軸角度優(yōu)化編譯

在這種模式下，后置軟件則會(huì)分析兩個(gè)G00快速定位之間的程序段，在程序段的開始位置進(jìn)行C軸重新定位處理，盡可能減少程序段內(nèi)的C軸回轉(zhuǎn)。

需要特別指出的是，這種模式下，C軸盡可能規(guī)避了機(jī)床在加工進(jìn)給過程中的C軸回轉(zhuǎn)處理，避免了重新切削所帶來的接刀問題以及額外的空刀路問題。

C軸在按照這種模式處理的情況下，在算法上需要對(duì)CAM軟件所生的APT語言進(jìn)行必要的區(qū)域分割、在實(shí)際機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中，除了切削進(jìn)給之外，其他過渡刀路均是機(jī)床自行執(zhí)行G00運(yùn)動(dòng)，因此在2個(gè)G00之間進(jìn)行程序段的分割則是最佳選擇，所生成的重新定位運(yùn)動(dòng)均在G00過程執(zhí)行，使得加工程序效率最大化。

因此RAPID指令往往是程序編譯分割的標(biāo)識(shí)，如圖3所示。

圖3 APT語言分割標(biāo)識(shí)

2.3 C軸優(yōu)先原則（B或A軸單向原則）

C軸優(yōu)先原則則是在特殊機(jī)床結(jié)構(gòu)下，B軸（或者A軸）只能單向旋轉(zhuǎn)（多數(shù)情況下也可以小角度反方向旋轉(zhuǎn)），反向大角度旋轉(zhuǎn)，主軸尾部區(qū)域產(chǎn)生干涉，這種情況下，則需要對(duì)C軸擺角進(jìn)行干預(yù)控制進(jìn)而限制B軸（或者A軸）只單向擺角，即只有兩種形式，即只選擇C軸正向或者只選擇C軸負(fù)向，在C軸選擇不同的情況下，B軸（或者A軸）則正好匹配出相反的角度，最典型的例子則是偏心雙擺頭五軸，如圖4所示。

圖4 偏心雙擺五軸及其切削

2.4 人為強(qiáng)行定位干預(yù)策略

利用 ISO4343的后處理代碼 ROTATE或者M(jìn)OVETO指令，在程序內(nèi)加上一定預(yù)旋轉(zhuǎn)角度，預(yù)旋轉(zhuǎn)角度則會(huì)后續(xù)C軸角度值，進(jìn)而消除或者減少切削過程中的C軸回轉(zhuǎn)。

這種情況下，對(duì)編程人員有著比較高的要求，需要對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)模式等有著清晰的認(rèn)知。

3 典型型腔零部件分析

如之前所述，機(jī)床C軸行程為±200°，B軸行程為±110°，所選擇的典型零件的編程選擇順銑加工，其刀路如下（紅色為G00運(yùn)動(dòng)、黃色為進(jìn)刀運(yùn)動(dòng)、綠色為切削加工運(yùn)動(dòng)、藍(lán)色為退刀運(yùn)動(dòng)），內(nèi)側(cè)面分別為側(cè)面1至側(cè)面4，進(jìn)刀位置位于側(cè)面1的中間位置，退刀位置亦為側(cè)面1的中間位置，如圖5所示。

圖5 刀路示意圖

3.1 C軸順序編譯處理

在進(jìn)行APT語言處理時(shí)，在C軸順序編譯模式下，所生成的角度如表1所示。位置3與位置4之間的C軸超程回轉(zhuǎn)位置則位于3與側(cè)面4拐角位置，如圖6所示。

表1 C軸順序編譯模式下生成的角度表

圖6 回轉(zhuǎn)位置示意圖

經(jīng)處理后，所生成的程序段如圖7所示。

圖7 回轉(zhuǎn)程序段

經(jīng)上面的處理分析可知，從側(cè)面3到側(cè)面4切削的過程中，C軸理論上將從180°運(yùn)動(dòng)到270°，由于機(jī)床 C軸行程只有±200°，因此，在C順序處理模式下，從側(cè)面3到側(cè)面4切削的過程中將產(chǎn)生C軸的回轉(zhuǎn)及重新定位，且整個(gè)程序則產(chǎn)生一次C軸回轉(zhuǎn)。

3.2 C軸角度優(yōu)化編譯處理

這種模式下，程序員需要對(duì)編程過程進(jìn)行必要的細(xì)節(jié)處理，在程序段的初始以及結(jié)束為止加上或者設(shè)置必要的 G00運(yùn)動(dòng)（或者插入必要的 RAPID后處理語言），在具有多個(gè)程序段區(qū)域（以 RAPID為分割區(qū)域標(biāo)識(shí)），在一個(gè)程序段結(jié)束后，后處理會(huì)進(jìn)行下一個(gè)程序段C軸擺角的判斷，并預(yù)先對(duì)C軸進(jìn)行必要的處理以便下一程序段C軸回轉(zhuǎn)數(shù)量的最小化。

經(jīng)處理后，所生成的角度如表2所示。

表2 C軸、B軸位置角度表

所生成的程序段如圖8所示。

圖8 C軸優(yōu)化處理的NC代碼

上述兩種模式下，C軸角度優(yōu)化編譯處理直接消除了整個(gè)切削過程的C軸超程處理，顯然第二種程序優(yōu)于第一種程序。

同時(shí)在這種處理模式下，可以對(duì)C軸進(jìn)行必要的預(yù)旋轉(zhuǎn)處理或者靠近C0°位置處理。

靠近C0°位置處理則代表每一次C軸回轉(zhuǎn)，C軸重新定位所選擇的角度值優(yōu)先選擇靠近 0°位置的角度值。預(yù)旋轉(zhuǎn)NC代碼如圖9所示。

圖9 預(yù)旋轉(zhuǎn)NC代碼

3.3 C軸優(yōu)先原則（B或A軸單向原則）

在這種情況下，所生成的NC代碼里面，B軸代碼則只有一個(gè)正值，在B值鎖定的情況下去匹配計(jì)算C值，但是這種情況下，是否產(chǎn)生回轉(zhuǎn)則至于C軸匹配出的角度值是否超程有關(guān)，B軸只允許正向旋轉(zhuǎn)情況下，所生成的NC代碼如圖10所示。

圖10 C軸優(yōu)先策略（B軸正向策略）

B軸只允許負(fù)向旋轉(zhuǎn)情況下，所生成的NC代碼如圖11所示。

圖11 C軸優(yōu)先策略（B軸負(fù)向策略）

3.4 人為強(qiáng)行定位干預(yù)策略

ISO4343標(biāo)準(zhǔn)定義了諸多后處理指令功能代碼，利用這些代碼的輸出可以對(duì)機(jī)床做出比較精細(xì)、準(zhǔn)確的控制，在五軸編程領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。

如前面所述，在一個(gè)程序段內(nèi)（RAPID代碼標(biāo)識(shí)）加入ROTATE，則可以讓機(jī)床在切削運(yùn)動(dòng)開始之前預(yù)旋轉(zhuǎn)一定的角度，這個(gè)預(yù)旋轉(zhuǎn)角度值則影響后續(xù)C軸的角度取值。ROTATE指令代碼為模態(tài)代碼，其指令格式為 ROTATE/CAXIS,Angel,其中Angel為旋轉(zhuǎn)角度數(shù)值，關(guān)閉ROTATE指令的代碼格式則為 ROTATE/OFF，需要特別說明的是，ROTATE指令生效必須在刀軸為（0,0,1）時(shí)才可以。

以CATIA CAM模塊為例，在進(jìn)退刀通過添加相關(guān)ROTATE指令即可。所生成的NC代碼如圖12所示。

圖12 ROTATE指令干預(yù)后的代碼

而未利用ROTATE指令人工干預(yù)所生成的NC代碼如圖13所示（順序編譯）。

圖13 未使用ROTATE指令干預(yù)的代碼

由上面的兩種代碼可知，利用ROTATE指令可以干預(yù)NC代碼的生成形式，進(jìn)而影響C軸的取值。因此，在一些情況下，亦可以利用上述方式對(duì)五軸切削運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效的控制。

上面幾種模式均是基于C軸超程的策略，C軸產(chǎn)生回轉(zhuǎn)、重新定位的另一種狀況則是相鄰插補(bǔ)點(diǎn)刀軸擺動(dòng)過大，在精加工切削時(shí)，擺動(dòng)過大會(huì)在零件表面產(chǎn)生切削凹痕影響零件質(zhì)量。因此在切削刀路中，如果產(chǎn)生擺動(dòng)過大情況，機(jī)床仍將按照?qǐng)D 2所示運(yùn)動(dòng)形式在安全平面上進(jìn)行重新定位，進(jìn)而繼續(xù)加工，在靠近工件的過程中，機(jī)床執(zhí)行的是進(jìn)刀進(jìn)給值。

4 結(jié)語

針對(duì)雙擺頭五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，通過實(shí)例分析多種運(yùn)動(dòng)處理模式，對(duì)五軸機(jī)床在多種工況的切削代碼選擇有了更加清晰直觀的認(rèn)知，可以更好地理解雙擺五軸機(jī)床技術(shù)，通過選擇合適的數(shù)據(jù)處理，使得數(shù)控程序可以更好的得到控制，對(duì)于提高加工效率與產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的意義。