數(shù)控后處理技術在數(shù)控分度盤中的應用*

李 鑌，馬樹雄，巫瑩柱，余振誠

(1. 五邑大學 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術綜合訓練中心，廣東 江門 529000；2. 五邑大學 紡織材料與工程學院，廣東 江門 529000；3. 五邑大學 190704班，廣東 江門 529000)

0 引言

四軸立式數(shù)控加工中心配備數(shù)控分度盤，可以實現(xiàn)連續(xù)的回轉(zhuǎn)加工，也可以回轉(zhuǎn)至特定角度進行定軸加工。蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)的數(shù)控分度盤由于蝸輪的材質(zhì)較軟，在進行定軸加工時，需要使用油壓或者氣壓鎖緊蝸輪，以便保護蝸輪不受切削力的沖擊，提高設備的使用壽命。以常見的數(shù)控系統(tǒng)Fanuc為例，鎖緊分度盤的指令是M10，松開分度盤的指令是M11。市場上常用的CAM軟件(包括Mastercam、 UGNX、 Powermill、 Hypermill等)，自帶的后處理，都沒有自動輸出M10以及M11的指令。以往需要后處理生成G代碼后，人工去添加，容易出錯，效率低。本文以UGNX的后處理模塊Postbuilder為例[1]，提出在軟件后處理模塊添加特定設計的邏輯判斷語句的方法，通過判斷分度盤當前角度與下一個角度相等與否，以便數(shù)控軟件能根據(jù)工件加工角度的變化，在分度盤需要回轉(zhuǎn)時自動輸出M11，需要鎖緊時自動輸出M10，提高數(shù)控編程的效率，減少程序出錯的概率。

1 數(shù)控分度盤定軸加工工作原理

四軸立式數(shù)控加工中心上安裝有數(shù)控分度盤，它為機床提供了回轉(zhuǎn)坐標，使加工復雜曲面變?yōu)榭赡?，擴大了機床的加工范圍。數(shù)控分度盤工作原理如圖1所示。

1-工作臺；2-蝸輪；3-蝸桿；4-夾緊片；5-活塞；6-鋼球；7-彈簧；8-液壓缸圖1 數(shù)控分度盤結(jié)構(gòu)示意

數(shù)控分度盤使用伺服電機或者電液脈沖馬達驅(qū)動，經(jīng)過齒輪副帶動蝸桿3，蝸輪2轉(zhuǎn)動，帶動工作臺1回轉(zhuǎn)。當需要工作臺靜止，進行定軸加工時，夾緊液壓缸8上腔通入液壓油，使活塞5向下運動，推動鋼球6向下，推動夾緊片4夾緊蝸輪2，此時，可以在蝸輪被鎖緊狀態(tài)下進行定軸加工。

當工作臺需要回轉(zhuǎn)時，夾緊液壓缸8上腔的液壓油回流油箱，彈簧7使鋼球6向上，夾緊片4松開蝸輪。此時蝸輪沒有夾緊的狀態(tài)，依靠蝸桿與蝸輪的自鎖也可以進行定軸加工，但這是一種不推薦使用的方式，因蝸輪的材質(zhì)是錫青銅或者黃銅，蝸桿的材質(zhì)是硬化鋼，使用這種方式，容易磨損蝸輪，增大蝸桿與蝸輪的間隙，影響加工精度。

分度盤還有其他鎖緊方式，比如氣壓碟剎，剎車齒輪鎖緊等，目的都是在定軸加工時，保護蝸輪，提高精度。

2 飛機發(fā)動機葉片使用數(shù)控分度盤進行加工的原因分析

圖2中，飛機發(fā)動機上的葉片，需要使用安裝有數(shù)控分度盤的四軸數(shù)控加工中心，分別就4個方向進行定軸加工，包含粗加工、精加工、清角加工等共計30多個加工工序[2]。在方向一進行定軸加工時，需要鎖緊分度盤；由方向一回轉(zhuǎn)到方向二的過程中需要松開分度盤，到達了方向二時，需要鎖緊分度盤再次進行定軸加工。其他方向同理，都需要松開、鎖緊指令交替使用。30多個工序，60多次松開與鎖緊。

圖2 葉輪加工方向說明

在葉片切削過程中，通過測力計測量，切削力10～50 kg，工件形成的力臂在100 mm左右，切削扭矩小于或等于5 N·m，根據(jù)廠家提供的參數(shù)，數(shù)控分度盤在鎖緊狀態(tài)鎖緊扭矩是500 N·m，可以滿足該產(chǎn)品的加工要求。

切削過程中，刀具震動通過工件會傳遞到分度盤，進一步傳遞到蝸輪，如果不使用鎖緊方式去進行定軸加工，容易造成分度盤蝸輪的損壞。

為了提高工作效率，減少出錯的機會，需要開發(fā)專用的機床后處理技術，其應能夠根據(jù)刀具路徑的軌跡自動識別葉輪(圖3)是需要鎖緊分度盤進行定軸加工，同時輸出鎖緊分度盤的指令；還是放松分度盤，以便工件回轉(zhuǎn)到特定的角度，同時輸出放松分度盤的指令。

圖3 葉輪毛坯

3 Postbuilder自動判斷輸出鎖緊與松開分度盤指令的方法與原理

UGNX的后處理模塊是Postbuilder[3]，其使用TCL(Tool command language)語言作為其命令編程語言，結(jié)合Postbuilder自帶的MOM(Manufacturing Output Manager)變量，可以實現(xiàn)豐富的機床運動動作的定義。

用UGNX軟件設定刀路軌跡后，可以輸出刀軌文件，里面包含了刀具刀尖點的數(shù)據(jù)，后處理的過程就是把刀尖點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機床工作臺的運動動作，實現(xiàn)數(shù)控加工[4]。

為了實現(xiàn)后處理中能自動輸出分度盤鎖緊指令的功能，需要在Postbuilder中開發(fā)合適的邏輯判斷語句，通過讀取當前分度盤的角度，以及預讀下一步分度盤的角度，判斷兩者是否相等，來決定輸出M10或者M11，實現(xiàn)分度盤的鎖緊或者放松。其判斷流程如圖4所示，四軸立式數(shù)控加工中心以分度盤的旋轉(zhuǎn)軸定義為第4軸，如果該分度盤的軸線與X軸平行，定義為A軸；與Y軸平行，定義為B軸，本案例把第4軸定義為A軸。

圖4 后處理Postbuilder判斷輸出M10或者M11的邏輯

以下是使用TCL語言編寫的邏輯判斷的關鍵語句：

① global mom_nxt_pos mom_pos

② set current [format %.3f $mom_pos(3)]

③ set next [format %.3f $mom_nxt_pos(3)]

④ if {$current==$next} {

⑤ MOM_do_template "A_axis_clamp"

⑥ } else {

⑦ MOM_do_template "A_axis_upclamp"

⑧ }

語句原理解釋： 在第①語句中，調(diào)用mom_pos mom_nxt_pos作為全局變量，mom_pos(3)，表示的是當前的第4軸(A軸)的角度數(shù)據(jù)；$mom_pos(3)，表示調(diào)取當前的第4軸(A軸)的角度數(shù)據(jù)；而這個角度數(shù)據(jù)，只需要取小數(shù)點后3位，因而使用format %.3f，接著把此小數(shù)，使用set命令設置到當前，使用字符current表示當前。同樣把下一步的第4軸(A軸)的角度數(shù)據(jù)設置到下一個，使用字符next表示下一個。mom_nxt_pos(3)，表示的是下一個第4軸(A軸)的角度數(shù)據(jù)，這句話的意思是把當前第4軸(A軸)的角度數(shù)據(jù)賦值給current，同時把第4軸的下一個角度數(shù)據(jù)賦值給next，這是第②、第③句語句的作用。在第④～⑧句語句中，使用If條件語句進行邏輯判斷，當current等于next，也就是當前的第4軸的角度數(shù)據(jù)等于第四軸的下一個角度數(shù)據(jù)，則輸出M10，如圖5所示，第12～13句程序的角度相等，都是0，分度盤不需要旋轉(zhuǎn)，應該執(zhí)行分度盤鎖緊動作，在第6句程序，提前輸出了M10指令，實現(xiàn)了分度盤的鎖緊，數(shù)控機床可以進行定軸加工。如果current不等于next，也就是當前的第4軸的角度數(shù)據(jù)不等于第4軸的下一個角度數(shù)據(jù)，則輸出M11，如圖6所示，第13～14句程序的角度不相等，第13句程序中，第4軸的角度數(shù)值是300°；第14句程序中，第4軸的角度值是297度°，需要執(zhí)行分度盤松開動作；在第6句程序，提前輸出了M11指令，實現(xiàn)了分度盤的松開動作，數(shù)控機床有可能是在執(zhí)行聯(lián)動加工，也有可能是第4軸(A軸)需要回轉(zhuǎn)。

圖5 定軸加工NC程序

圖6 變軸加工NC程序

完整的實現(xiàn)UGNX數(shù)控軟件自動輸出鎖緊、松開指令，還需要在Postbuilder中熟練使用TCL編程語言調(diào)用一些系統(tǒng)的變量，初始化一些數(shù)值。

4 結(jié)語

一般編程工程師在使用CAM編程軟件時，主要工作是將加工零件在CAM環(huán)境中生成加工刀路軌跡，再使用后置處理模塊設定數(shù)控機床能識別的G代碼。由于工作母機數(shù)控機床有很多類型，每種數(shù)控機床有不同的硬件配置，比如三軸數(shù)控加工中心配備數(shù)控分度盤，就是四軸數(shù)控加工中心，該分度盤既可以安裝在工作臺左邊又可以安裝在右邊，還有不同結(jié)構(gòu)的五軸加工中心等。另外，每臺機床的控制系統(tǒng)也不完全相同，比如Fanuc， Siemens， Hass等等，因而CAM編程軟件生成的G代碼，并不適用于所有機床，不同數(shù)控機床，就需要配備不同的后處理文件。這就要求開發(fā)者熟悉硬件結(jié)構(gòu)以及后處理軟件的開發(fā)語言，本文提供了實現(xiàn)分度盤自動鎖緊松開的后處理技術開發(fā)的關鍵語句、方法以及原理，經(jīng)過實踐應用可以大大提高工作效率，節(jié)約用工成本。