周 吉, 尹冠群, 楊家榮

(上海電氣集團股份有限公司中央研究院,上海200070)

無論是哪種CAM軟件,其主要用途都是要生成在機床上加工零件的刀具軌跡(簡稱刀軌)。一般而言,由于各種類型的機床在物理結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)方面可能不同,它們對NC程序中指令和格式的要求也可能不同,因此CAM軟件內(nèi)部生成的刀軌數(shù)據(jù)必須經(jīng)過處理才能適應(yīng)每種機床及其控制系統(tǒng)的特定要求[1]。Cimatron軟件是目前國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的一款優(yōu)秀的CAM軟件,對其后處理的研究有一定的實際意義。

數(shù)控機床是按數(shù)控程序進行加工的。在應(yīng)用CAM軟件生成數(shù)控程序時,先要產(chǎn)生刀位文件,再通過后處理文件,將刀位文件編譯成數(shù)控程序,不同于手工編程[2]。刀位文件是反映刀具運動軌跡的文件,是CAM軟件按照編程員的加工工藝,在假定工件固定不動,而刀具運動的情況下,由軟件自動計算產(chǎn)生的。這樣做,是因為不同的數(shù)控機床采用的控制系統(tǒng)的指令是不同的,為使軟件能夠通用化,就先產(chǎn)生刀位文件,然后再根據(jù)具體的控制系統(tǒng),用后置處理工具,產(chǎn)生專用的后處理文件,并通過它將刀位文件編譯成數(shù)控程序。不同的CAM軟件,后置處理軟件也不盡相同,本文以QLM305龍門五軸擺頭機床為例,介紹Cimatron軟件中后置處理軟件的使用方法,并給出了定制SE300數(shù)控系統(tǒng)專用后置處理文件的實例。

1 Cimatron兩種后置處理軟件 GPP和IMSPOST的功能特點

GPP(General Post Processor)是 Cimatron公司開發(fā)的后置處理工具,通過對demo.def和demo.exf模板后處理文件作適當(dāng)修改,可以生成符合用戶需要的后處理文件,主要特點是修改完成后使用方便。目前該方法主要用于三軸以下機床的后處理。

Imspost是基于宏匯編的后處理程序編輯器,可支持各種CAD/CAM軟件生成的刀位文件的后置處理,并提供了多種后置處理文件庫,可支持更廣泛的數(shù)控機床。同時也提供了非常豐富的定制功能,可生成任意形式的后置處理文件,從而可更好地提供支持高速加工、多軸加工的后置處理。所有用戶需要的后處理程序都可以通過執(zhí)行Imspost后生成[3]。在多數(shù)情況下,用戶只需在Imspost軟件的對話窗口和菜單項中編輯和定義宏參數(shù),不必進行任何宏程序的編制就可以得到為機床定制的后處理文件。在IMSPOST中不但可以定制后處理文件,也能用定制后的后處理文件把刀位文件轉(zhuǎn)換成數(shù)控程序。如在Cimatron中將刀具軌跡生成apt文件(需要把apt.def和apt.dex文件放到Cimatron安裝目錄varpost中),然后在 Imspost主菜單中選擇 execute process,在Input欄中選擇要轉(zhuǎn)換apt文件,默認Output欄中的文件名,在Input type欄中選擇CIMAT RON類型,然后點擊Go,窗口就會顯示轉(zhuǎn)換進度。利用這個軟件工具,還可轉(zhuǎn)換如 CATIA,DELCAM,EUCLID,PTC,UNIGRAPHICS等其他CAM軟件產(chǎn)生的刀位文件,注意需要在Input type欄中選擇對應(yīng)的類型。

2 QLM305龍門五軸擺頭機床結(jié)構(gòu)

QLM305龍門五軸擺頭機床為定梁定柱五軸聯(lián)動龍門加工機床,由上海慶強數(shù)控機床有限公司聯(lián)合上海電氣中央研究院生產(chǎn)。它是一種工作臺固定,裝有AC銑頭的橫梁沿X向運動、滑板沿橫梁Y向運動、滑枕銑頭沿滑板Z向運動、銑頭擺動和回轉(zhuǎn)的五軸聯(lián)動數(shù)控龍門加工中心。五軸五聯(lián)動A,C軸雙擺頭,可完成空間任何方向的定軸加工和曲面連續(xù)擺軸加工,控制定位準(zhǔn)確、安全,由于采用動梁式機床結(jié)構(gòu),再加上1.6 m×3 m的工作臺,所以機床可最大承載22.5 t的工件重量。可一次裝夾工件進行五軸聯(lián)動加工和任意空間方向的銑、樘、鉆等工序加工。控制系統(tǒng)自動化程序高,采用上海電氣中央研究院研制的SE305開放式數(shù)控系統(tǒng),該數(shù)控系統(tǒng)具有開放性,用戶可以訂制人機操作界面,自行開發(fā)特殊的功能模塊,集成到數(shù)控系統(tǒng)中去,與專用數(shù)控系統(tǒng)相比,具有較高的性能價格比。QLM305龍門五軸擺頭機床結(jié)構(gòu)如圖1所示,適用于航空航天、模具、船舶、汽車等需加工大中型復(fù)雜零件的制造領(lǐng)域。

圖1 QLM305龍門五軸擺頭機床

3 Cimatron后置處理的準(zhǔn)備工作

在Cimatron軟件生成后置處理文件之前,必須知道機床各軸的空間位置、對應(yīng)關(guān)系、行程范圍、相對距離等相關(guān)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)都要進行嚴(yán)格的測量才能生成準(zhǔn)確的后置處理文件?，F(xiàn)針對QLM305龍門五軸擺頭機床,給出測量和得到所需數(shù)據(jù)的方法。

3.1 X,Y,Z,A,C軸的行程范圍

各軸的行程范圍一般在機床技術(shù)說明書中可以找到,若找不到說明書,可以通過移動機床各軸到軟限位或硬限位,從數(shù)控界面中得到。這些參數(shù)在設(shè)置后置處理中需要使用,如果行程設(shè)置得不正確,將會出現(xiàn)機床碰撞的危險,故這些參數(shù)的準(zhǔn)確性尤為重要。

QLM305龍門五軸擺頭機床的各軸行程范圍見表1。

表1 五軸龍門擺頭機床各軸行程

3.2 X,Y,Z,A,C軸的回零點位置和最大進給速度

X,Y,Z,A,C軸的回零點位置和最大進給速度在機床技術(shù)說明書上可以找到,同時這些數(shù)據(jù)也可以在機床數(shù)控界面上找到。有些機床回零點位置可能不為0,需要準(zhǔn)確記錄這些數(shù)據(jù)。

QLM305龍門五軸擺頭機床的數(shù)據(jù)見表2。

表2 五軸龍門擺頭機床各軸回零點位置和最大進給速度

3.3 A,C軸的測量

如果 A,C軸是從廠家購買的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,則在技術(shù)說明書上會有這些技術(shù)參數(shù),如果是非標(biāo)產(chǎn)品那就要根據(jù)以下方法測量出 A,C軸的相關(guān)數(shù)據(jù)。

(1)A,C軸的運動形式。A,C軸的運動形式指軸的運動類型是直線運動還是旋轉(zhuǎn)運動,是數(shù)值大小代表運動方向還是正負號代表運動方向。

不同的機床和數(shù)控系統(tǒng)在定義A,C軸的運動形式時都有不同的定義方式,若在Cimatron后置處理中定義A,C軸的運動形式時出錯,就會產(chǎn)生程序錯亂。

QLM305龍門五軸擺頭機床 A,C軸都是旋轉(zhuǎn)軸,正負號代表方向。如數(shù)控指令G0 C45代表C軸向正方向轉(zhuǎn)到45°,數(shù)控指令G0 C-45代表C軸向負方向轉(zhuǎn)到 45°。

(2)A軸與C軸中心的偏差距離。在A軸與C軸制造和安裝過程中都會出現(xiàn)微小的誤差,導(dǎo)致 A軸中心和C軸中心不在同一直線上,而這些微小的誤差在五軸加工時也會導(dǎo)致加工精度的偏差,從而使整個零件報廢。Cimatron后置處理中就能補償這些誤差的參數(shù),只要測量準(zhǔn)確,生成的后置處理文件就能得到保證。

A軸與C軸中心的偏差距離的測量可以用一把φ 20的立銑刀,把A軸移動到0°,C軸也移動到0°,在一塊平板試件上加工一條直線,并停在平板試件的中間,再將C軸移動到180°,此時若 A軸與C軸中心的距離出現(xiàn)偏差,那么在平板試件上會產(chǎn)生2個相交的圓,通過測量這2個相交圓的距離就可以得到A軸與C軸中心的偏差距離。

經(jīng)過測量QLM305龍門五軸擺頭機床A軸與C軸中心的偏差距離為0.8 mm。

3.4 A軸旋轉(zhuǎn)中心到刀具刀尖的測量

QLM305龍門五軸擺頭機床上加工的刀具為φ 20球頭刀,以此為例來講解如何測量和計算A軸旋轉(zhuǎn)中心到刀具刀尖的距離。

第1步,將裝有φ 20球頭刀的刀尖移至基準(zhǔn)件的表面,如圖2所示,并記錄下當(dāng)前點Z的坐標(biāo)值,QLM305龍門五軸擺頭機床記錄的當(dāng)前點坐標(biāo)值為Z1=-876.394。

圖2 A軸中心到刀具刀尖的測量示意圖1

第2步,將 A軸旋轉(zhuǎn)90°,以球頭刀的側(cè)刃接觸基準(zhǔn)件的表面,如圖3所示,并記錄下當(dāng)前點Z的坐標(biāo)值,QLM305龍門五軸擺頭機床記錄的當(dāng)前點坐標(biāo)值為Z2=-1450.769。

第3步,計算C軸中心到刀具刀尖的距離L=Z1-Z2+D/2

圖3 A軸中心到刀具刀尖的測量示意圖2

式中,L為A軸旋轉(zhuǎn)中心到刀具刀尖的距離；D為刀具直徑。

QLM305龍門五軸擺頭機床 A軸中心到刀具刀尖的距離L=-876.394-(-1 450.769)+(20/2)=584.375。

4 Cimatron后置處理設(shè)置

4.1 后置處理的定義

Cimatron刀具路徑生成后,會將刀具路徑輸出為刀具位置源文件。刀具位置源文件是一個包含標(biāo)準(zhǔn)刀具控制程序自動編制系統(tǒng)(Antomatically Programmed Tools,APT)命令的文本文件,不是數(shù)控程序,需要設(shè)法把刀具位置源文件轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機床能執(zhí)行的數(shù)控程序,才能進行零件的數(shù)控加工,這種轉(zhuǎn)換過程稱為后置處理。

后置處理過程是對刀具位置源文件的解釋執(zhí)行。對于五軸數(shù)控加工,后置處理算法與數(shù)控機床控制器類型、機床運動關(guān)系等因素有關(guān)。按照實際使用的數(shù)控機床的硬件布置和控制系統(tǒng),通過后置處理程序,將刀具位置源文件轉(zhuǎn)化成NC代碼,就可以輸出到數(shù)控機床進行零件的加工。

4.2 Cimatron三軸后置處理與五軸后置處理的區(qū)別

從軸數(shù)上看,三軸機床為X,Y,Z 3根軸,五軸機床為X,Y,Z,C,A,五軸機床比三軸機床多2根軸。所以在五軸后置處理時要多比三軸后置處理多設(shè)置2根軸。從機械結(jié)構(gòu)上看,三軸機床的X,Y,Z軸都是直線軸,五軸機床是X,Y,Z直線軸加上2根旋轉(zhuǎn)軸。所以五軸五軸后置處理時在設(shè)置機床部件和結(jié)構(gòu)時要比三軸后置處理設(shè)置更為復(fù)雜。五軸后置處理需要計算和設(shè)置各根旋轉(zhuǎn)軸之間的距離、旋轉(zhuǎn)軸到刀尖的距離,而三軸后置不需要考慮這些。

4.3 QLM305龍門五軸擺頭機床后置處理設(shè)置

QLM305龍門五軸擺頭機床采用的是3直線軸加2旋轉(zhuǎn)軸的五軸機床,后置處理使用Cimatron自帶的IMSpost后置編譯器。利用IMSpost后處理可非常方便地設(shè)置相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng),IMSpost提供了如 Funuc,Siemens,Heidenhain和Mazak等數(shù)控系統(tǒng)的后處理程序,提供了宏程序功能,能處理絕大多數(shù)其他CAM軟件生成的刀位文件[4-5]。用戶也可開發(fā)適合自己數(shù)控系統(tǒng)的后置處理程序。

后置處理的構(gòu)建是NC程序能否正確運行的關(guān)鍵,五軸后置處理的關(guān)鍵是如何正確設(shè)置機床模型的各項參數(shù),現(xiàn)根據(jù)QLM305龍門五軸擺頭機床進行設(shè)置。

(1)機床類型選擇。Cimatron后置處理中提供了三軸至五軸各種機床的機床模型,五軸機床主要有雙轉(zhuǎn)臺五軸、雙擺頭五軸、轉(zhuǎn)臺加擺頭五軸3種形式的機床。根據(jù)QLM305龍門五軸擺頭機床的結(jié)構(gòu)形式選擇雙擺頭五軸機床模型,如圖4所示。

圖4 機床類型選擇

(2)機床限位設(shè)置。每個數(shù)控機床都有行程限制,五軸數(shù)控機床也不例外,在Cimatron后置處理中 Machine travel limits設(shè)置QLM305龍門五軸擺頭機床的行程范圍,數(shù)據(jù)設(shè)置按照表1填寫。

(3)機床軸設(shè)置。軸設(shè)置包括軸類型、軸方向、正負號代表運動方向、最大進給速度等,QLM305龍門五軸擺頭機床按照表2和 A,C軸的運動形式設(shè)置。圖5為C軸的軸設(shè)置。

圖5 C軸設(shè)置

(4)機床參考點設(shè)置。如圖6所示,包括 A軸與C軸中心的偏差距離和A軸旋轉(zhuǎn)中心到刀具刀尖的距離,這2個參數(shù)設(shè)置是五軸后置處理中的重中之重,因為若這2個值偏差一點,體現(xiàn)在五軸數(shù)控加工時的偏差將會出現(xiàn)幾何倍數(shù)的增長。

圖6 機床參考點設(shè)置

5 Cimatron后置驗證

刀路加工軌跡是否正確,可以用Cimatron高級仿真來驗證。而Cimatron后置處理文件的正確性,則要依靠其他數(shù)控加工仿真軟件來檢驗。如Vericut數(shù)控加工仿真軟件。Vericut采用了先進的三維顯示及虛擬現(xiàn)實技術(shù),對數(shù)控加工過程的模擬度達到了極其逼真的程度,可以同時進行刀具軌跡和機床運動仿真[6]。

五軸零件在Cimatron軟件中生成刀路加工軌跡,軌跡確認無誤后,采用Cimatron后置處理軟件生成的后置處理庫文件對刀路加工軌跡進行后置處理,后置處理形成數(shù)控系統(tǒng)可識別的NC代碼程序。

采用Vericut數(shù)控加工仿真軟件對Cimatron軟件生成的NC代碼程序進行加工仿真,設(shè)置同實際機床同樣結(jié)構(gòu)、行程的機床模型,配置加工所需的刀具,導(dǎo)入待加工五軸零件毛坯和NC代碼程序。運行NC代碼程序,查看機床仿真加工過程,通過加工效果、干涉碰撞等檢查,驗證加工程序的正確性和刀路軌跡的合理性[7]。如果加工效果和要求的一樣,那么后置處理是正確的,否則還要進一步修改。圖7為龍門五軸擺頭機床葉片仿真加工。

圖7 龍門五軸擺頭機床葉片仿真加工

6 結(jié) 語

Cimatron軟件為用戶提供了功能強大的通用CAD/CAM系統(tǒng),但目前用戶對其后置處理程序的使用比較陌生,特別是五軸聯(lián)動后置處理方面,用戶在使用軟件時由于不了解情況,沒有對后處理文件進行適當(dāng)修改,導(dǎo)致不能生成符合要求的NC程序,在進行手工修改時,如果沒有全部更正,很可能造成事故。用本文介紹的方法生成后置處理文件,經(jīng)實際操作使用驗證,完全符合要求,希望對有關(guān)人員有所啟發(fā)。

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