基于PowerMill 的北京精雕五軸機(jī)藝術(shù)精雕的研究與實(shí)踐

戴少鵬

（中國美術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)和設(shè)備管理中心，浙江 杭州 310024）

1 實(shí)驗(yàn)室中北京精雕五軸機(jī)的現(xiàn)狀及存在的問題

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是用于加工復(fù)雜曲面的高精密度機(jī)床，這對(duì)一個(gè)國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)有著舉足輕重的影響力。

在藝術(shù)院校里藝術(shù)創(chuàng)作、設(shè)計(jì)和教學(xué)中常常有大量的復(fù)雜造型需要通過精雕來成型，如果設(shè)計(jì)造型的細(xì)節(jié)分布在多個(gè)角度，往往需要通過五軸機(jī)才能完成。五軸機(jī)編程技術(shù)含量高、編程難度大，如果考慮不周或編程不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致有缺陷的刀路程序在五軸機(jī)精雕執(zhí)行時(shí)出現(xiàn)撞刀甚至撞機(jī)，造成嚴(yán)重?fù)p失，基于編程的難度及可能出現(xiàn)的后果常常使得實(shí)驗(yàn)人員保持審慎的態(tài)度。

北京精雕是國內(nèi)頂尖的精雕機(jī)生產(chǎn)廠家，在國內(nèi)企業(yè)及高校有很高的保有量，北京精雕自己開發(fā)精雕編程軟件，分免費(fèi)版和多軸版，免費(fèi)版可以編三軸刀路，但五軸刀路必須用多軸版來編程，且只有插上唯一的USB 加密狗才能打開軟件進(jìn)行編程，這意味著只能有一人可以進(jìn)行編程，在客觀上造成其他專業(yè)人員難以有學(xué)習(xí)編程的機(jī)會(huì)。

編制五軸刀路程序必須要考慮刀具的刀長、擺臺(tái)在旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)時(shí)與主軸是否存在干涉及刀路之間的轉(zhuǎn)換等，相比三軸刀路需要考慮更多的安全因素，五軸刀路編程及五軸機(jī)上精雕相比三軸精雕要花費(fèi)更多的時(shí)間與精力，而精雕實(shí)驗(yàn)室設(shè)備多人員少，導(dǎo)致使用率不高，也影響了藝術(shù)創(chuàng)作和設(shè)計(jì)中復(fù)雜造型成型的可實(shí)現(xiàn)性，使得造型上往往受到技術(shù)的限制。

本研究通過查閱資料，自行編寫AC 搖籃式五軸精雕機(jī)相適應(yīng)的后處理就可以讓PowerMill 編程的刀路用于北京精雕五軸機(jī)，但五軸機(jī)資料很少，有很多技術(shù)難度，需要不斷去摸索。

2 北京精雕JD45 系統(tǒng)五軸精雕技術(shù)要點(diǎn)

2.1 JDSoft SurfMill 刀路編程

要讓機(jī)器實(shí)現(xiàn)精雕，需要在電腦上用精雕軟件對(duì)數(shù)字三維模型進(jìn)行刀路編程，觀察模擬刀路是否順暢及有無干涉，如果和預(yù)先設(shè)計(jì)的一樣就可以把刀路程序通過精雕機(jī)來進(jìn)行雕刻。一般情況下北京精雕五軸刀路編程用廠家提供的自主研發(fā)的軟件JDSoft SurfMill 并插上唯一的USB 加密狗進(jìn)行編程，輸出ENG 格式刀路文件，ENG 文件不能被記事本之類的軟件打開，對(duì)于初學(xué)者來說不用去了解文件里的代碼指令等，入門操作更容易。其他廠家的精雕機(jī)有些采用了通用的程序代碼，對(duì)此需要了解并熟悉程序代碼，通過閱讀程序代碼就能知道每一行代碼的作用、清楚精雕機(jī)在做什么。

2.2 AC 搖籃式五軸機(jī)的路徑轉(zhuǎn)換

最為常見的精雕三軸機(jī)只有長寬高三個(gè)空間維度，不需要考慮刀具的擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，只要把編程時(shí)設(shè)置的加工坐標(biāo)系、原點(diǎn)及精雕機(jī)器上工件材料毛坯的工件原點(diǎn)保持一致就可以正常工作。

精雕五軸機(jī)中刀軸矢量根據(jù)曲面表面的形狀擺動(dòng)[1]，除長寬高三個(gè)維度外增加了擺動(dòng)角度和旋轉(zhuǎn)角度，變成了五個(gè)維度，空間的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超三軸。AC 搖籃式五軸精雕機(jī)采用了雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，A軸為擺動(dòng)軸，繞X 軸擺動(dòng)，C 軸為旋轉(zhuǎn)軸，A 擺動(dòng)軸軸線和C 旋轉(zhuǎn)軸軸線的交點(diǎn)作為轉(zhuǎn)臺(tái)中心[2]，并以轉(zhuǎn)臺(tái)中心作為原點(diǎn)建立機(jī)床坐標(biāo)系，從刀具路徑計(jì)算的角度看,以原點(diǎn)作為基準(zhǔn)去計(jì)算刀尖某一點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)值、擺動(dòng)角度及旋轉(zhuǎn)角度，計(jì)算難度就會(huì)降低很多。

轉(zhuǎn)臺(tái)中心是擺動(dòng)軸軸線和轉(zhuǎn)動(dòng)軸軸線的交點(diǎn)，通過刀尖難以準(zhǔn)確獲取其坐標(biāo)位置，裝上工件毛坯后轉(zhuǎn)臺(tái)中心在毛坯的下面，更加無法通過對(duì)刀來取得其坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)。在轉(zhuǎn)臺(tái)中心上方的毛坯頂部是最容易對(duì)刀的地方，從可操作性的角度出發(fā)一般會(huì)選擇容易對(duì)刀的毛坯頂部位置作為后處理編程加工原點(diǎn)。

AC 搖籃式五軸精雕機(jī)采用以轉(zhuǎn)臺(tái)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)系，因此必須在五軸精雕機(jī)上通過多軸路徑轉(zhuǎn)換器將刀具路徑編程時(shí)后處理設(shè)置的加工坐標(biāo)原點(diǎn)轉(zhuǎn)換到五軸精雕機(jī)上的機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)，即轉(zhuǎn)臺(tái)中心。多軸路徑轉(zhuǎn)換器根據(jù)實(shí)際測得工件毛坯上加工原點(diǎn)X、Y、Z 值和轉(zhuǎn)臺(tái)中心的坐標(biāo)差值計(jì)算出原點(diǎn)偏移值，然后通過“根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)中心轉(zhuǎn)換路徑”將后處理中采用編程原點(diǎn)的刀具路徑轉(zhuǎn)換成以轉(zhuǎn)臺(tái)中心為加工原點(diǎn)的真正執(zhí)行刀路，刀路上的坐標(biāo)值通過轉(zhuǎn)換計(jì)算出新的機(jī)器執(zhí)行的坐標(biāo)值，完成了編程刀具路徑到AC 搖籃式五軸精雕機(jī)上極為重要的刀路轉(zhuǎn)換。

經(jīng)過路徑轉(zhuǎn)換后的工件坐標(biāo)不再是對(duì)刀測得的值，要改成轉(zhuǎn)臺(tái)中心的坐標(biāo)值，對(duì)刀測得的值加上原點(diǎn)偏移值就是轉(zhuǎn)臺(tái)中心的坐標(biāo)值，直接按計(jì)算原點(diǎn)X、Y、Z 就會(huì)自動(dòng)計(jì)算填入，不用手動(dòng)輸入；五軸機(jī)工作原點(diǎn)還包括擺動(dòng)角A 和轉(zhuǎn)動(dòng)角C，按加工毛坯固定后對(duì)刀時(shí)的值，不需要也不能轉(zhuǎn)換擺動(dòng)角和轉(zhuǎn)動(dòng)角。

從電腦刀路編程到精雕機(jī)器上執(zhí)行實(shí)際上進(jìn)行了二次變換，工件基準(zhǔn)原點(diǎn)的變化引起刀路X、Y、Z、A、C 五個(gè)軸向值的改變。第一次在多軸路徑轉(zhuǎn)換器中把刀路編程的加工原點(diǎn)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)臺(tái)中心，導(dǎo)致機(jī)器執(zhí)行刀路的X、Y、Z 坐標(biāo)值及擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)角度都進(jìn)行了改變；第二次在主界面中把刀路編程時(shí)的工件原點(diǎn)通過計(jì)算轉(zhuǎn)成轉(zhuǎn)臺(tái)中心，因?yàn)榇藭r(shí)刀路已經(jīng)轉(zhuǎn)換過，刀路的坐標(biāo)原點(diǎn)已是轉(zhuǎn)臺(tái)中心，工件在擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)時(shí)加工原點(diǎn)坐標(biāo)從非中心位置轉(zhuǎn)換到中心位置，五個(gè)軸向值計(jì)算難度降低。

2.3 三軸刀路

用JDSoft SurfMill 免費(fèi)版進(jìn)行編程的三軸刀具路徑在五軸精雕機(jī)上也能使用，同樣需要把后處理設(shè)置的編程原點(diǎn)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)臺(tái)中心，通過多軸路徑轉(zhuǎn)換器把以編程中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的三軸刀具路徑轉(zhuǎn)化成以轉(zhuǎn)臺(tái)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的五軸刀具路徑，用計(jì)算出的轉(zhuǎn)臺(tái)中心坐標(biāo)值作為工件原點(diǎn)。由于多軸路徑轉(zhuǎn)換的存在，AC 搖籃五軸機(jī)有一定的獨(dú)立性，且有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.4 銑面

如果是單純的銑面，不是一個(gè)刀路文件，就不能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這時(shí)其工作原點(diǎn)就是對(duì)刀所得，不能用多軸路徑轉(zhuǎn)換器計(jì)算得到工作原點(diǎn)，因?yàn)橛?jì)算所得的工作原點(diǎn)在轉(zhuǎn)臺(tái)中心，往往在工件毛坯下方，如果不注意就會(huì)引起嚴(yán)重扎刀甚至撞機(jī)。

3 在AC 搖籃式JD45 系統(tǒng)五軸機(jī)上使用PowerMill 編程的刀路

3.1 PowerMill 具備豐富的五軸加工策略及完善的加工仿真

PowerMill 功能強(qiáng)大，提供豐富的加工策略，也是主要的刀路編程軟件之一。用戶可以選擇最優(yōu)的加工方案，從而提高加工效率，減少手工修整，快速產(chǎn)生粗、精加工路徑，對(duì)二三軸、多軸的數(shù)控加工以及對(duì)刀柄刀夾完整的干涉檢查與排除，完善加工實(shí)體仿真，讓用戶在加工前了解整個(gè)加工過程及加工結(jié)果，有效地提高加工的安全性。

PowerMill 通用性好，五軸編程資料也很豐富，在網(wǎng)絡(luò)上可以找到各種講解視頻，讓學(xué)習(xí)變得相對(duì)容易。

在刀路編程中，根據(jù)工件的材料、模型和毛坯確定選用何種刀具、刀具長度，選擇二軸、三軸、四軸或五軸加工策略。在二軸、三軸加工策略中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，開始和結(jié)束點(diǎn)、切入切出連接、進(jìn)給和轉(zhuǎn)速等，計(jì)算后觀察生成的刀路有沒有問題，可以通過多次調(diào)整各種參數(shù)來產(chǎn)生合理、均勻光順的刀具路徑。

五軸路徑由于增加了轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)二個(gè)軸向，需要?jiǎng)?chuàng)建并選用不同方位的用戶坐標(biāo)系，刀軸不一定像三軸那樣垂直，往往要考慮刀軸矢量控制方法，計(jì)算出的五軸刀路有可能引起刀具擺動(dòng)比較大或跳刀等，不像三軸刀路的刀具始終垂直在毛坯上方可以清楚預(yù)見刀的軌跡，在選五軸策略時(shí)一般要求選用的刀具還應(yīng)該設(shè)置和實(shí)際使用一致的刀柄和夾持，通過刀路仿真觀察刀路是否順暢、有無干涉，確保安全以避免造成重大損失。

3.2 JDSoft SurfMill 五軸刀具路徑的解析

JDSoft SurfMill 內(nèi)置多種數(shù)控系統(tǒng)的后處理，選擇不同數(shù)控系統(tǒng)的刀路文件只能在相應(yīng)系統(tǒng)的精雕機(jī)器上使用，不同版本之間并不能通用。本研究選擇AC 搖籃式JD45 系統(tǒng)五軸后處理，輸出時(shí)選擇通用可讀的NC 格式而不是默認(rèn)的ENG 格式，以便于編寫后處理。

JDSoft SurfMill 中選用NC 格式，后處理文件選擇JD45-5ax-AC.epst，在高級(jí)設(shè)置中選A 軸為主動(dòng)軸，A 軸一般選正向、角度行程為0 到90 度，然后輸出成NC 文件。

3.3 PowerMill 后處理編寫

PowerMill 編程的刀路要在五軸精雕機(jī)上使用，必須用針對(duì)此款精雕機(jī)的后處理，經(jīng)過后處理的刀路代碼才能夠使精雕機(jī)按照文件指令執(zhí)行，然而廠家并不會(huì)提供五軸精雕機(jī)的PowerMill 后處理，需要自己去編寫。

不同廠家不同機(jī)型的五軸精雕機(jī)往往有自己的特色，北京精雕AC 搖籃式五軸機(jī)不同系統(tǒng)的后處理也不一樣且不能混用，由此可見編寫五軸精雕機(jī)后處理并不容易，考慮不周就會(huì)出錯(cuò)。在實(shí)際工作中，往往根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)將已有相對(duì)應(yīng)的后處理文件進(jìn)行適當(dāng)修改。

通過分析JDSoft SurfMill 生成的NC 文本文件中的代碼，理解程序頭部和程序尾部每行代碼的作用，可以編寫JD45 系統(tǒng)AC 搖籃式五軸機(jī)的PowerMill后處理。

經(jīng)過分析比較，選用Fanuc AC 搖籃式五軸的后處理作為模板[3]，PowerMill 后處理編輯軟件中對(duì)其中的G 代碼和M 代碼進(jìn)行修改，使其和JDSoftSurfMill 輸出的JD45 系統(tǒng)五軸機(jī)NC 程序文件的程序頭和程序尾保持一致，在設(shè)置菜單的“機(jī)器運(yùn)動(dòng)學(xué)”中類型選設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)軸C 最小值為-36 000，最大值為36 000，擺動(dòng)軸A 的最小值為0，最大值為90，另存后可以使用。

3.4 JD45 五軸精雕機(jī)上測試

在PowerMill 中經(jīng)過仿真沒有問題的刀路按加工工藝要求進(jìn)行有序輸出，用自己編寫的后處理生成NC 刀路文件，并在記事本軟件中打開仔細(xì)檢查，如果沒有發(fā)現(xiàn)什么問題，就可以到五軸機(jī)上進(jìn)行測試，此時(shí)加工文件應(yīng)選NC 格式而不是默認(rèn)的ENG格式，完成匹配檢查。如果刀路程序代碼有問題，就不能輸入到精雕機(jī)中；如果檢查通過，同時(shí)在精雕機(jī)上的操作流程和用JDSoft SurfMill 編程的刀路文件是完全一致的，為了安全起見，一定要用手輪試切的方式進(jìn)行精雕。對(duì)五軸刀路的轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)會(huì)有更深刻的理解，就會(huì)知道哪些刀路是可以實(shí)現(xiàn)，哪些是不能的。

PowerMill 按照模型、加工策略、用戶坐標(biāo)、參數(shù)設(shè)定等來計(jì)算刀路，是一種比較理想的狀態(tài)，但是在五軸精雕中擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的角度都限制在有限范圍內(nèi)，也會(huì)有五軸刀路因?yàn)椴环蠙C(jī)床運(yùn)動(dòng)規(guī)律使得無法通過后處理輸出，如何選擇最優(yōu)的五軸刀路就顯得尤為重要。

4 結(jié)語

在科技快速發(fā)展的背景下，科技越來越多地融入藝術(shù)創(chuàng)作和藝術(shù)教學(xué)中，這已經(jīng)是大家的共識(shí)。精雕實(shí)驗(yàn)室對(duì)中國美術(shù)學(xué)院開放，能夠精雕復(fù)雜造型的五軸精雕機(jī)備受關(guān)注，不同專業(yè)的學(xué)生和老師看到一些展示品會(huì)產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，也會(huì)結(jié)合自己專業(yè)產(chǎn)生聯(lián)想，促進(jìn)其產(chǎn)生靈感，去創(chuàng)作新的藝術(shù)形式。

更具靈活性和更大精雕行程的機(jī)器人精雕也開始進(jìn)入藝術(shù)精雕領(lǐng)域，其刀路編程和五軸編程是一樣的，只是后處理不一樣而已，學(xué)好五軸機(jī)精雕其前景無疑是廣闊的。