唐進元 尹 鳳

(現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計與極端制造教育部重點實驗室中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙 410083)

隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控五軸銑削加工應(yīng)用的范圍不斷擴大。但由于五軸數(shù)控機床在三個直線軸的基礎(chǔ)上引進了兩個旋轉(zhuǎn)軸，因此其運動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配置多樣。按照旋轉(zhuǎn)軸與主軸或工作臺固聯(lián)的方式，可將五軸機床大致分為工作臺雙擺動、主軸雙擺動、工作臺/主軸擺動三大類型。不同類型的機床結(jié)構(gòu)其運動學(xué)原理和模型都不相同，幾乎每臺五軸機床的后處理都需單獨配置，因此后處理編制成功與否，是五軸銑削加工編程的關(guān)鍵。

MasterCAM是一種完善的CAD/CAM軟件系統(tǒng)，在國內(nèi)外得到了非常廣泛的應(yīng)用。MasterCAM提供了五軸后處理程序模板，用戶只要在此基礎(chǔ)上進行修改即可生成滿足實際需要的專用后處理程序。

為此本文研究了基于MasterCAM軟件的五軸通用后處理文件得到滿足特定配置機床的專用五軸聯(lián)動程序后處理方法。并以應(yīng)用最廣泛的三大類型五軸機床為例，分別論述了其專用后處理的編制方法。最終將所編后處理程序通過VERICUT仿真加工，驗證了所提出后處理編制方法的正確性和可行性。

1 五軸數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)和運動特點

1.1 五軸數(shù)控機床的坐標系

五軸聯(lián)動數(shù)控機床的運動軸分為平動軸和轉(zhuǎn)動軸，這些軸一般都配置成相互垂直或平行。數(shù)控機床各軸的運動，有的是使刀具產(chǎn)生運動，有的則是使工件產(chǎn)生運動。對此，標準規(guī)定，不論機床的具體運動結(jié)構(gòu)如何，機床的運動統(tǒng)一按工件靜止而刀具相對于工件運動來描述，并以右手笛卡爾坐標系表達。如圖1所示其坐標軸用X、Y、Z表示，用來描述機床的主要平動軸，稱為基本坐標軸。三個旋轉(zhuǎn)軸A、B、C相應(yīng)的表示其軸線平行于X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)運動。X軸作為水平的、平行于工件裝夾平面的軸，它平行于主要的切削方向，且以此方向為正向。Y軸的運動方向則根據(jù)X和Z軸按右手法則確定。旋轉(zhuǎn)坐標軸A、B和C相應(yīng)地在X、Y、Z坐標軸正方向上，按右旋螺紋前進的方向來確定。

1.2 五軸數(shù)控機床的類型與結(jié)構(gòu)特點

五軸機床有三個平動坐標軸和兩個轉(zhuǎn)動坐標軸，且五個軸可以聯(lián)動，導(dǎo)致五軸機床可有很多種運動配置方案。但根據(jù)五坐標聯(lián)動機床中兩個旋轉(zhuǎn)軸與主軸或工作臺固聯(lián)的形式，可以歸為三大基本結(jié)構(gòu)類型，即刀具雙擺動、工作臺雙回轉(zhuǎn)、刀具擺動與工作臺回轉(zhuǎn)。為便于表述，以下稱運動中軸線方向不變的回轉(zhuǎn)軸為定軸，反之為動軸；帶“'”的軸為工作臺轉(zhuǎn)動，否則為刀具擺動。

(1)刀具雙擺動

如圖2a所示為一刀具雙擺動型五軸機床，這種結(jié)構(gòu)類型是指兩個轉(zhuǎn)動軸都作用于刀具上，由刀具繞兩個互相正交的軸轉(zhuǎn)動以使刀具能指向空間任意方向。由于運動是順序傳遞的，因而在兩個轉(zhuǎn)動軸中，有一個的軸線方向在運動過程中始終不變，成為定軸，如圖中的B軸，而另一個的軸線方向則是隨著定軸的運動而變化成為動軸，如圖中的A軸。按從定軸到動軸順序，此機床為B-A配置機床。

(2)工作臺雙回轉(zhuǎn)

如圖2b所示為一工作臺雙回轉(zhuǎn)型五軸機床，這種結(jié)構(gòu)類型是指兩個轉(zhuǎn)動軸都作用于工作臺上，根據(jù)運動的相對性原理，它與由刀具擺動產(chǎn)生的效果在本質(zhì)上是一樣的。由于運動是順序傳遞的，同樣在兩個旋轉(zhuǎn)軸中，有一個的軸線方向在運動過程中始終不變，稱為定軸，如圖中的A'軸；而另一個的軸線方向則是隨著定軸的運動而變化，稱為動軸，而且動軸緊靠工件，如圖中的C'軸；按從定軸到動軸分類該機床為A'-C'配置機床。

(3)刀具與工作臺回轉(zhuǎn)/擺動型

如圖2c所示為一刀具與工作臺回轉(zhuǎn)/擺動型機床，這種結(jié)構(gòu)類型是指刀具與工件各具有一個轉(zhuǎn)動運動，這種結(jié)構(gòu)不是定、動軸結(jié)構(gòu)，兩個回轉(zhuǎn)軸在空間的方向都是固定的。對于其兩個轉(zhuǎn)動軸的配置情況，一般按先工件后刀具的順序進行分類，圖中即為A'-B配置機床。

2 MasterCAM中PST文件格式分析

MasterCAM系統(tǒng)的后置處理由兩部分文件組成，可執(zhí)行文件和機床特性文件?？蓤?zhí)行文件是不允許用戶進行修改的，如銑床的Mp.dll文件。機床特性文件即PST文件。PST文件提供了更改NC代碼的方法，以適用于選定的數(shù)控系統(tǒng)和機床，其內(nèi)容包括：機床類型、坐標輸出格式、G代碼和M代碼的分配、文件頭數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)名、注釋數(shù)據(jù)的輸出等信息。用戶對其進行修改即可生成滿足實際需要的專用后處理程序。對于MasterCAM三軸后處理PST文件，很多專家都對其做了很多研究，本文在前人的基礎(chǔ)上，重點討論研究較少的五軸機床結(jié)構(gòu)特性設(shè)置部分的內(nèi)容格式。

MasterCAM的后處理PST文件中針對五軸機床結(jié)構(gòu)特性的設(shè)置，主要由旋轉(zhuǎn)軸地址分配、機床類型設(shè)定、旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)矢量平面設(shè)定、擺長設(shè)定、軸偏距設(shè)定以及各運動軸的行程范圍設(shè)定等組成。以下為具體各部分內(nèi)容：

2.1 旋轉(zhuǎn)軸地址分配

由上文分析可知，五軸機床由三個平動軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸組成，其中兩個旋轉(zhuǎn)軸有多種配置方式，如AB、C-B等搭配方式，通常在刀具雙擺動和工作臺雙回轉(zhuǎn)機床中定軸設(shè)為第一旋轉(zhuǎn)軸(第四軸)，動軸設(shè)為第二旋轉(zhuǎn)軸(第五軸)，在刀具擺動與工作臺回轉(zhuǎn)機床中，與工作臺固聯(lián)的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)為第一旋轉(zhuǎn)軸，與刀具固聯(lián)的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)為第二旋轉(zhuǎn)軸。如C-B配置的機床其設(shè)置及相應(yīng)的在PST文件中的設(shè)定語句如表1所示。

表1 旋轉(zhuǎn)軸地址分配

2.2 機床類型設(shè)置

由上文可知，五軸數(shù)控機床主要有三大類型，即刀具擺動與工作臺回轉(zhuǎn)型、工作臺雙回轉(zhuǎn)型及刀具雙擺動型，還有一些非正交五軸機床。相應(yīng)的在PST文件中的設(shè)定如表2。

表2 機床類型設(shè)置語句

2.3 旋轉(zhuǎn)軸矢量平面設(shè)置

不同的五軸機床，坐標系都不盡相同，特別是旋轉(zhuǎn)軸的零位點和旋轉(zhuǎn)方向更是沒有完全的標準。旋轉(zhuǎn)軸A、B、C都有各自旋轉(zhuǎn)的平面，本部分用于設(shè)置第一旋轉(zhuǎn)軸及第二旋轉(zhuǎn)軸矢量平面、零位及旋轉(zhuǎn)方向，一般的，A軸的旋轉(zhuǎn)矢量平面為ZY平面，B軸為ZX平面，C軸為XY平面，對于兩旋轉(zhuǎn)軸非正交的機床，第一旋轉(zhuǎn)軸矢量平面強制規(guī)定為XY平面。具體設(shè)置應(yīng)按照機床說明書中的坐標系進行設(shè)置，在MsterCAM的PST文件中具體設(shè)定語句如表3。

表3 旋轉(zhuǎn)軸矢量平面設(shè)置語句

2.4 旋轉(zhuǎn)軸擺長、軸偏距設(shè)置

五軸機床有一個共同的特點，就是刀具中心和旋轉(zhuǎn)主軸頭的中心都有一個距離，這個距離稱為樞軸中心距(Pivot)，由于這個距離的存在，使得五軸數(shù)控系統(tǒng)零件程序的編制存在其特殊性，那就是如果對刀具中心編程的話，轉(zhuǎn)動坐標的運動將導(dǎo)致平動坐標的變化，產(chǎn)生了一個位移。

表4 旋轉(zhuǎn)軸擺長、軸偏距設(shè)置語句

通常消除擺長和軸偏距有兩種辦法，一種是采用機床的 RTCP和RPCP功能；另一種是在后置處理中添加這個樞軸中心距。本文討論后者的方式。并采用刀長補償編程方式。在MasterCAM的PST文件中此部分的設(shè)置語句如表4。

不同類型的五軸數(shù)控機床因結(jié)構(gòu)的差異，其軸偏距的計算各不相同，在后處理PST文件中的設(shè)置也不盡相同。下面對三大類型五軸數(shù)控機床的軸偏距計算及分別在PST文件中的設(shè)置進行討論。

(1)刀具雙擺動機床

對于刀具雙擺動型五軸機床，其樞軸中心距(Pivot)由兩旋轉(zhuǎn)軸的交點(即樞軸點R)到刀具刀位中心點的距離決定，如圖3中Lt所示。Lt由R到主軸鼻端的距離和定長(如圖4所示)兩部分組成，因此，此類機床的擺長可由定長加上機床廠家所給的主軸鼻端到樞軸點的距離而求得。其編程原點與機床零點的距離可由G54等指令設(shè)置。在MasterCAM的PST文件中，擺長的具體設(shè)置如表5。

表5 具雙擺動機床旋轉(zhuǎn)軸擺長設(shè)置

(2)工作臺雙轉(zhuǎn)動機床

圖6所示為工作臺雙轉(zhuǎn)動機床的擺長、偏置計算示意圖，其軸偏置即為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)中心到工件臺面的距離。值得注意的是，對于雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心，機床加工坐標系原點只有設(shè)在兩個旋轉(zhuǎn)軸的交點R處，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換后加工程序的正確性。為保證與機床加工坐標系一致，CAM加工坐標系坐標原點要設(shè)置在第二旋轉(zhuǎn)軸(圖7中C軸)軸線上。由于數(shù)控自動編程時工件原點的設(shè)定對編程的難易程度沒有影響，因此，通常將工件原點設(shè)置在距工作臺端面向下一個旋轉(zhuǎn)軸偏置值處(即工件原點與機床原點重合)。在MasterCAM的PST中具體設(shè)置如表6。

表6 工作臺雙回轉(zhuǎn)機床旋轉(zhuǎn)軸軸偏距設(shè)置

(3)刀具與工作臺回轉(zhuǎn)/擺動機床

如圖7所示為工作臺回轉(zhuǎn)/擺動機床的擺長、偏置計算示意圖。此類機床結(jié)構(gòu)比較特殊，其兩個旋轉(zhuǎn)軸的軸線不相交，因此，具有兩個樞軸點(如圖7中RA和RB所示)，RB定義為B軸與主軸軸線的交點，RA可設(shè)置在A軸軸線的任意點。因此在編程中，工件原點必須設(shè)置在A軸的軸線上，Ow與RA的偏置用G54補正，在后處理中只需輸入擺長Lt的偏置值即可。在MasterCAM的PST文件中的具體設(shè)置如表7。

表7 刀具/工作臺回轉(zhuǎn)機床軸偏距設(shè)置

表8 運動軸行程設(shè)置語句

2.5 運動軸行程設(shè)置

對于特定的機床，其各運動軸的行程各不相同，坐標運動軸的行程及軟件限位設(shè)置的正確性，直接影響五軸機床數(shù)控程序輸出的正確性。五軸機床PST文件中對運動軸行程的設(shè)置語句如表8。

3 五軸機床專用后處理編制舉例

上文已經(jīng)對基于MasterCAM的五軸機床專用后處理的定制進行了詳細論述，按照以上方法，本節(jié)以Fidia 218刀具雙擺動五軸機床后處理的編制如下：

Fidia 218五軸數(shù)控機床為C-B配置的刀具雙擺動類型機床，因此其運動應(yīng)按照刀具雙擺動機床結(jié)構(gòu)特點進行設(shè)置，其機床結(jié)構(gòu)如圖8所示，機床坐標系如圖9所示，其中C軸為主動軸、B軸為從動依附軸。該機床各軸行程如表9。針對該機床加工的特性，根據(jù)需要可編制3個線性軸X、Y、Z與C/B五軸聯(lián)動后處理程序。這樣的后處理程序方案即可滿足工程需求。下面詳細說明在PST文件中，修改適合Fidia 128數(shù)控機床的后處理程序的過程。

表9 fidia 218機床行程表

在MasterCAM的PST文件中按照機床結(jié)構(gòu)特性設(shè)置如表10。

4 仿真加工驗證(圖10)

為驗證所編Fidia218刀具雙擺動機床后處理的正確性，本文利用VERICUT7.0數(shù)控仿真軟件，通過構(gòu)建Fidia218的機床系統(tǒng)和機床初始參數(shù)設(shè)置等，將葉輪模型(圖11)在MasterCAM中進行刀路編程，并通過所編后處理文件進行后處理轉(zhuǎn)換，最終得到加工的NC程序，在VRICUT7.0中進行加工驗證(圖12)。最終將仿真的結(jié)果(圖13)采用VERICUT軟件的“自動-比較”功能進行檢驗，模型的加工誤差在允許范圍內(nèi)，從而驗證了后處理的正確性。

表10 Fidia 218機床后處理語句的設(shè)置

5 結(jié)語

(1)論文給出了基于MasterCAM的通用五軸后處理程序、通過修改后處理中的機床結(jié)構(gòu)特性文件編制適合三大類型機床的專用后處理方法。

(2)通過VERICUT仿真加工，驗證了本文提出的三大類型五軸聯(lián)動機床后處理方法的正確性和可行性。

(3)本論文的研究為五軸后處理程序編制提供了一種行之有效的方法與途徑。

［1］劉雄偉，張定華，等.數(shù)控加工理論與編程技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［2］周濟，周艷紅.數(shù)控加工技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

［3］吳明友.數(shù)控加工自動編程-Pro/E Wildfire+Mastercam詳解［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［4］何滿才.數(shù)控編程與加工Mastercam9.0實例詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［5］Lee R.-S.，She C.-H..Developing a Postprocessor for Three Typesof Five-axis machine Tools［J］.International Journal of Advanced Manufaeturing Technology，1997，13(9)：658-665.