冉啟軍 張玉峰

(貴州航天烏江機(jī)電設(shè)備有限責(zé)任公司，貴州遵義563003)

本文結(jié)合公司使用過(guò)的高精度五軸萬(wàn)能鏜銑床UPC800的加工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)五軸加工中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析與研究。此舉有助于掌握相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)、提高先進(jìn)制造技術(shù)理論水平，還有利于在實(shí)際生產(chǎn)中更好地發(fā)揮多軸機(jī)床加工后置處理，供同行們參考。

1 五軸機(jī)床的相關(guān)數(shù)學(xué)模型

一般五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床由3個(gè)平動(dòng)軸和2個(gè)回轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。根據(jù)運(yùn)動(dòng)軸配置的不同，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)類型按軸的分布可以分為3種基本類型。本文只針對(duì)公司使用的萬(wàn)能銑床UCP800進(jìn)行技術(shù)研究。

萬(wàn)能銑床UCP800的結(jié)構(gòu)形式為A-C雙轉(zhuǎn)臺(tái)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。A和C的值完全是由刀軸矢量確定的，因?yàn)閷?duì)于UCP800機(jī)床來(lái)講，刀具不能任意地轉(zhuǎn)動(dòng)，只能在XZ平面內(nèi)平移，要想使刀具中心相對(duì)于工件傾斜必須通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)第4軸和第5軸來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)后置而言，是后置處理文件把刀軸矢量和刀心坐標(biāo)分別輸出，但是對(duì)于機(jī)床來(lái)講只要同時(shí)給出5個(gè)坐標(biāo)就可以完整地進(jìn)行加工。圖1所示為轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的主要步驟。

為描述該五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，建立圖2所示坐標(biāo)系統(tǒng)，其中坐標(biāo)系OWXWYWZW為與工件固聯(lián)的工件坐標(biāo)系，前置刀位數(shù)據(jù)是在該坐標(biāo)系中給出;OtXtYtZt為與刀具固聯(lián)的坐標(biāo)系，成為刀具坐標(biāo)系，其原點(diǎn)設(shè)在刀位點(diǎn)上，其坐標(biāo)軸方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致;OmXmYmZm為與定軸A'固聯(lián)的坐標(biāo)系，其原點(diǎn)Om為兩回轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)，其坐標(biāo)軸方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致。顯然，其運(yùn)動(dòng)關(guān)系即是刀具坐標(biāo)系OtXtYtZt相對(duì)于工件坐標(biāo)系OWXWYWZW的變換關(guān)系。它可進(jìn)一步分解為OtXtYtZt相對(duì)于OWXWYWZW的平動(dòng)和OmXmYmZm相對(duì)于OWXWYWZW的轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖2所示，設(shè)動(dòng)軸C'的軸線平行于Z軸的狀態(tài)為機(jī)床初始狀態(tài)。此時(shí)，工作臺(tái)與Z軸垂直，工件坐標(biāo)系的方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致，刀具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，交點(diǎn)Om的位置矢量記為 rm(mx，my，mz)。在刀具坐標(biāo)中，刀具的位置和刀軸矢量分別為［0 0 0］T和［0 0 1］T，記機(jī)床平動(dòng)軸相對(duì)于初始狀態(tài)的位置為rs(sx，sy，sz)，回轉(zhuǎn)軸A、C相對(duì)于初始狀態(tài)的角度為θA和θC(逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。此時(shí)，工件坐標(biāo)系中刀軸方向和刀具位置矢量分別為 u(ux，uy，uz)和 rp(px，py，pz)。

由機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可得

式中，T和R分別為平移和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的齊次坐標(biāo)變換矩陣。由式(1)和式(2)可得

式(3)和(4)即是所求機(jī)床的運(yùn)動(dòng)變換，它表達(dá)了刀具相對(duì)于工件的位置與方向隨機(jī)床的運(yùn)動(dòng)變化。將刀位數(shù)據(jù)賦給 u(ux，uy，uz)和 rp(px，py，pz)，則可由此計(jì)算滿足加工要求的機(jī)床回轉(zhuǎn)角度θA、θC及平動(dòng)位移sx，sy，sz。由式(3)和(4)可得到機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)為

由式(5)和式(6)可知，θA和 θC可能有兩個(gè)解，且具體象限應(yīng)按運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性來(lái)確定。θA取值要符合其行程范圍;θC由式(3)可知，滿足 sinθC=ux/sinθA和cosθC=uy/sinθA。由機(jī)床工作參數(shù)可知:

A軸為擺動(dòng)軸，行程為-45°～90°C軸為旋轉(zhuǎn)軸，行程為0°～360°

2 UCP800五軸專用后置處理器開(kāi)發(fā)

該五軸聯(lián)動(dòng)加工中心專用后置處理器是在三軸后置處理器的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的。原來(lái)三軸后置處理器輸出的是X、Y、Z值，五軸加工還需要輸出第四和第五軸的A、C角度。我們?cè)谌S后置處理器的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)添加修改，然后用戶化，快速開(kāi)發(fā)了五軸后置處理器。采用的是UG配帶提供一個(gè)后置處理器(UG/Post)來(lái)進(jìn)行修改。采用UG/Post Builder建立UCP800萬(wàn)能鏜銑床的HEIDEHAIN數(shù)控系統(tǒng)。確定第4、5軸，并確定超程處理方式為第二種(圖3)。輸入第4、5軸的行程范圍，修改其他輸出格式至滿足需要。需要注意的一個(gè)問(wèn)題是在對(duì)快速移動(dòng)動(dòng)作編輯時(shí)，不要選中“Work Plane Change”(圖4)，否則退刀時(shí)不能沿刀軸方向退刀，會(huì)造成刀具折斷及銑傷工件現(xiàn)象。最后生成后置處理程序并加入 UG后置處理配置模版(template_post.dat)。

用文本編輯器打開(kāi)生成的事件處理文件(.tcl)，修改proc PB_CMD_init_rotary事件處理器。設(shè)置如下:

其作用為修改退刀方式固定距離，假設(shè)刀尖至擺動(dòng)中心距離為250 mm，輸入退刀距離250 mm，并輸入進(jìn)刀距離20 mm。修改 proc ROTARY_AXIS_RETRACT事件處理器，在圖5所示位置增加:

其作用為在數(shù)控程序中強(qiáng)制輸出A0，其位置在退刀后，C軸反轉(zhuǎn)360°前。在本事件處理器中修改如圖6位置，增加:

其作用為在數(shù)控程序中強(qiáng)制輸出原A軸角度，其位置在C軸反轉(zhuǎn)360°后，返回進(jìn)刀點(diǎn)前。

3 后置處理論證

本實(shí)例以公司需要加工變外徑螺柱工件為例，其中一個(gè)的UG CAD造型如圖7所示。兩工件的螺旋線是自由曲線，螺旋面是自由曲面。對(duì)后置處理進(jìn)行仿真論證。

該工件的加工過(guò)程如圖8所示。工件螺旋軸向截面成橫臥的U型，寬約7 mm，底部為一段半徑為2.5 mm的圓弧。U型槽分成上下兩對(duì)稱部分，采用直徑5 mm的球頭銑刀，分兩道工序加工完成。加工中軸向進(jìn)給為0.08 mm，徑向進(jìn)給為0.5 mm，U型槽底部的弧線由球頭銑刀直接成形。

第一道工序切削U型槽的上半部分。由于主軸只能在XZ平面內(nèi)平動(dòng)，在切削前，A軸需要轉(zhuǎn)動(dòng)到-90°位置，使刀具平行于U型槽的中心線。切削時(shí)刀具首先在螺旋線的開(kāi)始端進(jìn)行徑向進(jìn)給，然后通過(guò)三根直線運(yùn)動(dòng)軸和C軸的聯(lián)動(dòng)，沿著螺旋線一直切削到末端;接著進(jìn)行軸向和徑向的聯(lián)動(dòng)進(jìn)給，其中徑向進(jìn)給為主進(jìn)給，再沿著螺旋線切削返回到開(kāi)始端;繼續(xù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)進(jìn)給，并按照前面所述路線進(jìn)行切削，直至該道工序完成。第二道工序切削U型槽的下半部分，加工工藝和第一道工序相似。通過(guò)這兩道工序完成整個(gè)螺旋面的加工。

通過(guò)修改事件處理文件(.tcl)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控程序按指定方式輸出。經(jīng)仿真驗(yàn)證及實(shí)際加工驗(yàn)證，該后置處理能夠完成處理工作。經(jīng)過(guò)后置的程序如圖9。

4 結(jié)語(yǔ)

采用開(kāi)發(fā)的后置處理技術(shù)對(duì)葉輪零件進(jìn)行了五軸聯(lián)動(dòng)加工，加工后的零件精度滿足設(shè)計(jì)要求，證明提出的后置處理技術(shù)的正確性。通過(guò)本文研究，實(shí)現(xiàn)了該加工中心NC程序高效、可靠編制，以及工件偏置安裝軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工，也為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面零件在該加工中心的高效數(shù)控加工奠定基礎(chǔ)。

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