基于UG的五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床后置處理開發(fā)

黃 成, 陶浩浩, 李同杰*, 李良軍

(1.安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 鳳陽 233100;2.日照市五蓮縣汪湖鎮(zhèn)衛(wèi)生院,山東 日照 262300)

五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)是近些年用于工業(yè)行業(yè)的一種先進(jìn)制造技術(shù),隨著中國工業(yè)行業(yè)的快速發(fā)展,對一些復(fù)雜零件和自由曲面,如汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型采油機(jī)曲軸等精度要求也日益提高。三軸數(shù)控機(jī)床在加工復(fù)雜曲面時,需要經(jīng)過多次裝夾,提高了勞動成本且不能加工復(fù)雜工件。五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床主要適用于具有復(fù)雜曲面零件的加工制造,具有裝夾次數(shù)少、自動化程度高、加工效率高、生產(chǎn)周期短以及加工質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),因此得到了廣泛應(yīng)用,為企業(yè)獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益,提高了企業(yè)的市場競爭力[1]。目前,五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床在加工過程中存在編程難度大、程序指令復(fù)雜等問題,且不同機(jī)床系統(tǒng)的代碼存在坐標(biāo)差異,代碼格式不同,導(dǎo)致無法創(chuàng)建通用的后置處理,這就需要根據(jù)機(jī)床的特點(diǎn)和代碼差異創(chuàng)建符合機(jī)床自身要求的后置處理[2-4]。

張偉等[5]研究了基于UG宏程序后置處理的二次開發(fā)技術(shù)研究。唐清春等[6]以旋轉(zhuǎn)搖擺式機(jī)床為研究對象利用Pro/E軟件對其進(jìn)行了二次開發(fā),開發(fā)出了適用于葉身型線復(fù)雜曲面加工的后置處理程序。趙世田等[7]基于UG/Post針對特定的傾斜45°雙轉(zhuǎn)臺形式數(shù)控機(jī)床開發(fā)了后置處理器。胡赤兵等[8]利用建立刀具數(shù)控和加工參數(shù)在數(shù)控銑床加工進(jìn)行了二次開發(fā),通過后置處理實(shí)現(xiàn)了數(shù)控銑床的自動編程。上述研究可以看出,在后置處理開發(fā)過程中,二次開發(fā)是經(jīng)常出現(xiàn)的問題,因此在后置處理開發(fā)的過程中必須對此情況進(jìn)行考慮。

本研究以EMCO 600HD五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床為研究對象,利用UG/Post Build功能,結(jié)合機(jī)床自身的結(jié)構(gòu)原理和特性,開發(fā)符合機(jī)床自身要求的后置處理文件,可直接用于機(jī)床實(shí)際加工,避免二次開發(fā),降低編程難度。以S形檢測試件為樣件進(jìn)行仿真和加工試驗(yàn),驗(yàn)證所開發(fā)后置處理的正確性和可行性。

1 機(jī)床的模型

本研究采用的五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床是奧地利EMCO公司設(shè)計的一款五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床,可以實(shí)現(xiàn)高精度的五軸數(shù)控加工,完成各種復(fù)雜零件的加工要求。EMCO 600HD五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床是搖籃型五軸機(jī)床,有3個平動軸(X、Y、Z)和2個旋轉(zhuǎn)軸(A、C),其中3個平動軸X、Y、Z的極限行程分別是500、580、600;2個旋轉(zhuǎn)軸A、C的極限行程為(±120°)和(±360°),機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EMCO 600HD五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)Fig.1 EMCO 600HD 5-axis CNC machine structure注:1為床身;2為X軸;3為Y軸;4為Z軸;5為A軸;6為C軸;7為工件。

2 S形檢測試件工藝分析

ISO國際標(biāo)準(zhǔn)試樣在眾多檢測試件中被廣泛采用,主要用于三軸機(jī)床的精確度檢測,可以很好地檢測機(jī)床平動軸的動態(tài)精度,但不能對多軸機(jī)床轉(zhuǎn)動軸進(jìn)行精度測量。為此不斷推出新的測試樣品,以彌補(bǔ)該檢測試件的缺陷。成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司研制了一種“S”型檢測試件,用于彌補(bǔ)ISO輪廓加工試件、NAS979系列試件的不足。2012年,ISO第74屆會議將此試樣列入ISO 10791-7標(biāo)準(zhǔn)附加檢測試件,并于2020年正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)檢測試件。S型檢測試驗(yàn)件是中國機(jī)床工業(yè)率先提出的一項(xiàng)國際加工檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),彌補(bǔ)了常規(guī)測試方法在五軸數(shù)控機(jī)床動態(tài)精度測試方面存在的缺陷,具有薄壁、開閉角、可變曲率等特點(diǎn),能很好地描述薄壁結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn),并能較全面地反映出數(shù)控機(jī)床的整體加工精度,重點(diǎn)考察了機(jī)床的表面加工性能,并在國內(nèi)外機(jī)床驗(yàn)收中廣泛使用,作為檢驗(yàn)多軸機(jī)床綜合精度的有效檢測試件,在行業(yè)內(nèi)得到了認(rèn)可[9-10]。

2.1 模型基本尺寸

S形檢測試件是一個由矩形基座和S形的等厚緣條組合而成,加工曲面由上、下兩條扭曲的S形3次樣條曲線生成的非可展直紋面。建模如圖2所示,材料和尺寸參數(shù)如表1所示。

圖2 S形檢測試件模型Fig.2 Model of S-shaped inspection specimen

表1 S形檢測試件的尺寸和材料參數(shù)

2.2 刀具的選擇及規(guī)劃

刀具的選擇是數(shù)控加工的重要內(nèi)容之一,編程時,要從機(jī)床的加工性能、工作內(nèi)容、工件材料等因素來選擇刀具。

被加工零件的基本特性主要是由材料成分決定,它決定了零件加工方法及切削參數(shù)的選擇。該工件選用的是7075材質(zhì)的鋁塊,強(qiáng)度高、構(gòu)造緊密。加工時選用Ф20銑刀進(jìn)行粗加工,去除該零件多余余量,保留工件所需的幾何特征,便于半精加工,減少加工時間。在粗加工完成的工件上平面需要進(jìn)一步的加工,其作用是方便后期精加工時的觀察與數(shù)據(jù)的檢測,同樣選用Φ20銑刀進(jìn)行。精加工分2次進(jìn)行,2次均選用Φ20銑刀。具體的S形檢測試件加工流程見表2。

表2 S形檢測試件加工工序卡

3 編程及后置處理的生成

3.1 文件刀軌及編程

UG軟件是一款強(qiáng)大而實(shí)用的應(yīng)用軟件,在國內(nèi)外都運(yùn)用十分廣泛,不僅建模制圖設(shè)計功能中得以運(yùn)用,在設(shè)計過程中可用于有限元分析、運(yùn)動學(xué)分析等方面,還可以進(jìn)行仿真模擬從而提高設(shè)計的可靠性和安全性。此外,可用建立的三維模型直接生成產(chǎn)品加工所需的代碼,其后處理支持多種類型的數(shù)控機(jī)床。

按照UG編程流程,首先打開S形檢測試件三維模型,進(jìn)入UG加工編程環(huán)境,按照表2中S形檢測試件加工工序卡的流程工序,分別選擇不同的工序類型,進(jìn)行加載和設(shè)置,每個工序生成對應(yīng)的編程數(shù)據(jù)和刀軌路徑(圖3)。

圖3 多軸編程刀路軌跡及編程Fig.3 Multi-axis programming toolpath trajectory and programming

3.2 后置處理程序的開發(fā)并生成NC代碼

在后處理過程中,有兩種處理方式:一是GPM圖形處理模塊,它的應(yīng)用領(lǐng)域相對狹窄;二是UG/Post Build功能,根據(jù)機(jī)床的運(yùn)動特征、坐標(biāo)參數(shù)和控制命令格式,將數(shù)據(jù)讀入UG/Post Build中然后輸出符合機(jī)床結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)要求的數(shù)控代碼。刀具軌跡數(shù)據(jù)經(jīng)過加工,以滿足機(jī)床和控制系統(tǒng)的具體需求,一般稱為“后處理”。經(jīng)過加工后,刀具軌跡數(shù)據(jù)就會轉(zhuǎn)化為能被機(jī)床識別的刀具軌跡的數(shù)據(jù),即NC代碼。后置加工程序基于標(biāo)準(zhǔn)刀具軌跡和數(shù)控加工程序的運(yùn)動結(jié)構(gòu)和控制指令,包括機(jī)床坐標(biāo)運(yùn)動變換、非線性運(yùn)動誤差校驗(yàn)、進(jìn)給速度校驗(yàn)、數(shù)控程序格式轉(zhuǎn)換和數(shù)控程序輸出等內(nèi)容,因此只有采用正確的后置處理才能將刀位軌跡輸出為相應(yīng)數(shù)控機(jī)床正確進(jìn)行加工的數(shù)控程序,編制正確的后置處理系統(tǒng)模塊是數(shù)控編程和加工的前提條件之一[11-13]。

3.3 開發(fā)流程

在開發(fā)后處理文件過程中,軟件自動生成通用后處理無法適用于所有機(jī)床,需根據(jù)機(jī)床自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析,創(chuàng)建適用于機(jī)床自身的后置處理,后處理開發(fā)流程如圖4所示。

圖4 后處理開發(fā)流程圖Fig.4 Post-processing development flow chart

新建UG后置處理文件,點(diǎn)擊“UG/Post Builder”對話框,再選擇“File”點(diǎn)擊“New”,根據(jù)機(jī)床型號及特點(diǎn)創(chuàng)建一個符合該機(jī)床的專用后置處理器(圖5)。根據(jù)機(jī)床各個軸的最大行程、最大進(jìn)給率等對機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,設(shè)定符合要求的機(jī)床參數(shù),機(jī)床X、Y、Z的最大行程分別是500、580、600(圖6)。選擇用戶編輯“Creat New Post Processor”界面對話框中的“OK”選項(xiàng),在“Machine Tool”屬性頁的窗口結(jié)構(gòu)中進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置,完成設(shè)置后,選中“Display Machine Tool”選項(xiàng)點(diǎn)擊完成,系統(tǒng)顯示數(shù)控機(jī)床簡圖(圖7),A、C旋轉(zhuǎn)軸的參數(shù)和運(yùn)動方向參數(shù)設(shè)置分別為(±120°)和(±360°)。在Program & Tool Path參數(shù)頁面進(jìn)行其他參數(shù)設(shè)置,選中Program start Sequen選項(xiàng),根據(jù)機(jī)床系統(tǒng)要求格式添加要求(圖8)。最后,通過上述機(jī)床類型、機(jī)床參數(shù)的設(shè)置,完成后置處理構(gòu)建,將編程好的文件導(dǎo)入后處理,得到該機(jī)床的后置處理指令和NC代碼。

圖5 新建后處理對話框Fig.5 New post-processing dialog box

圖6 機(jī)床一般參數(shù)設(shè)定Fig.6 Machine tool general parameter setting

此次加工中,后置處理NC代碼的部分代碼如下:

N12 T01 M6

N14 G54

N16 G43.4 H1

N18 G17 G0 G90 X-111.212 Y86.92 S6000 M3

N20 Z13.005 B-11.352 C0.81

N22 X-105.812 Y86.54 Z-25.409

N24 G94 G1 X-105.777 Y86.538 Z-25.664 F1000

N26 X-105.305 Y86.241 Z-26.879

N28 X-104.346 Y85.666 Z-27.636

4 仿真驗(yàn)證

CIMCOEdit是一款強(qiáng)大而優(yōu)秀的仿真工具和數(shù)控編程軟件,包含了數(shù)控程序編輯功能、智能文件處理、模擬仿真刀位軌跡、DNC數(shù)據(jù)傳輸功能,且還可進(jìn)行存儲和檢索NC程序、優(yōu)化NC程序、后處理、以及NC程序的快速仿真。該程序性能穩(wěn)定、性價比高,是航空、汽車、鑄造和精密儀器等領(lǐng)域必備的數(shù)控仿真軟件。

為驗(yàn)證所開發(fā)的后處理是否可用,將UG生成的NC代碼文件以G代碼格式導(dǎo)入CIMCOEdit仿真軟件中進(jìn)行仿真驗(yàn)證,這樣既可以模擬檢查機(jī)床在實(shí)際加工過程中有沒有出現(xiàn)過切或欠切,又能及時發(fā)現(xiàn)是否有刀軌生成混亂的狀態(tài),避免實(shí)際加工過程中出現(xiàn)機(jī)床的碰撞或切壞工件等情況,以便在后續(xù)實(shí)際加工時做出預(yù)判和修改,其驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示。通過CIMCOEdit8仿真可知,該機(jī)床開發(fā)生成的后置處理開發(fā)是成功的,沒有出現(xiàn)坐標(biāo)錯亂、刀軌混亂及部分代碼缺失等問題。

圖9 驗(yàn)證后置處理的結(jié)果Fig.9 Verification of the results of post-processing

5 加工試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際加工中,通過所開發(fā)的后置處理程序?qū)崿F(xiàn)一個完整S形檢測試件的加工。加工中使用EMCO 600HD五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床,利用UG生成刀位數(shù)據(jù),通過所開發(fā)的后置處理轉(zhuǎn)換為相應(yīng)五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的NC代碼。試驗(yàn)加工過程如圖10所示,加工成品如圖11所示。從圖10～11可見,加工過程連續(xù)且完整,并沒有出現(xiàn)撞刀和過切等現(xiàn)象,驗(yàn)證了本研究開發(fā)的后置處理是正確可行的。

圖10 S形檢測試件實(shí)際加工Fig.10 S-shaped test specimen in actual processing

圖11 加工成品實(shí)物圖Fig.11 Physical drawing of the finished product

6 結(jié)論

通過分析EMCO 600HD五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相關(guān)指令,利用UG平臺開發(fā)出了符合該機(jī)床的加工程序及后置處理文件,無需進(jìn)行二次開發(fā),降低了編程難度,可直接傳到數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。通過仿真分析和S形測試件作為實(shí)際案例,進(jìn)行試驗(yàn)加工驗(yàn)證,結(jié)果顯示本研究開發(fā)的加工程序和后置處理在實(shí)際加工中可以成功實(shí)施,驗(yàn)證了該后置處理的正確性和可行性,為其它五軸數(shù)控機(jī)床的后置處理開發(fā)提供了參考。