黃安慶

梅州市高級技工學校，廣東梅州 514000

1 五軸數(shù)控機床的數(shù)控模型分析

五軸數(shù)控聯(lián)動技術字雖然難度較大但是需求廣泛。其主要是將計算機控制與高性能伺服裝置、精密數(shù)控加工等技術集中在一起，獲得一種多維度連續(xù)、平滑加工的模式，尤其是對與復雜曲面而言是一種重要的技術措施。下面就從其五軸數(shù)控建模上分析其工作的基本原理。

在簡單的三軸加工聯(lián)動的情況下，控制人員不需要關系工作臺與刀具的工作狀況，因為機床的三軸向加工模式是相對固定的運行模式，不同系統(tǒng)的后處理情況變化不大。而五軸數(shù)據(jù)加工在原有的普通三軸基礎上增加了兩個軸向旋轉，機床轉動與主軸轉動存在差異，因此對于不同的系統(tǒng)與旋轉坐標的后置位置相差較大。旋轉A、B、C三個軸相對應的是X、Y、Z坐標，其方向按照右旋螺紋的方向進行。即面向機床Z軸平行與刀具的旋轉，Z+為向上而X+為向右，Y+則向內，與設計坐標系保持一致。X、Y機床坐標由設計坐標Z軸旋轉一定角度C后獲得，然后在繞X軸旋轉角度A，計算的過程十分復雜。

圖1 五坐標加工刀軸矢量轉動關系

從上面的圖1中看，CAM加工坐標系統(tǒng)為OmXYZ，機床的加工坐標系統(tǒng)則為OrXYZ，工作臺的旋轉軸和Z軸相同，工作臺A的轉軸與X方向相同，OrXYZ坐標的原點在A、C向交匯的點上。CAM加工坐標OmXYZ與機床坐標OrXYZ的Z軸方向保持一致，其與為平行，即OmOr=d，加工件就會繞著OrXYZ中的Z軸進行旋轉，角度小于360°。刀具參考的點為Oc在CAM系統(tǒng)中OmXYZ坐標為（Xc、Yc、Zc）。刀具軸矢量a為單位矢量，在CAM加工坐標系OmXYZ中對應的坐標即為（ax、ay、az）。為了讓計算更加方便，通常以Oc為原點建立刀具的矢量坐標，使之與CAM加工坐標向平行。如果上述條件已知就可以計算對應的加工角度，指導完成加工。

2 五軸數(shù)控的后置處理原理分析

后置處理可以分為兩種系統(tǒng)，專用后置處理與通用后置處理。前者往往是指針對專用數(shù)控編程系統(tǒng)或者特定數(shù)控機床而專門開發(fā)的程序，通常直接讀取刀位文件中的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)特定的機床特征和功能，以及指令格式等將其轉化為數(shù)控程序完成輸出。這類后置處理系統(tǒng)往往在專用數(shù)控編程中出現(xiàn)，即提供非商業(yè)化服務，其對刀位文件格式簡單，不會受到標準的規(guī)范，機床的特征與數(shù)控系統(tǒng)特征一般直接便如后置程序，后置處理過程的針對性較強，程序結構簡單容易實現(xiàn)。

通用后置處理系統(tǒng)主要針對的是不同種類的數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)對刀具的控制，對刀位文件進行后置處理，使得輸出符合數(shù)控系統(tǒng)的指令和格式的數(shù)控程序。但是因為數(shù)控機床的多樣化與技術不斷提高，通用的后置技術通常在一定范圍內通用，其通用化的程度需要按照標準與規(guī)范來考慮。但是其對商業(yè)加工的意義較大，因此通常所指的后置處理技術即為通用后置處理。其后置輸入的信息要求如下：刀位文件的輸入，后置處理技術主要是將刀位文件轉化為可以應用數(shù)控機床的加工程序，實現(xiàn)這個轉化的通用化，就要求刀位文件實現(xiàn)規(guī)范與標準化。目前國際上流行的做法是數(shù)控編程系統(tǒng)輸出的刀位文件應滿足IGES要求。如果刀位文件是非標準，則對應的格式應制定一個規(guī)范進行控制；數(shù)控文件，數(shù)控系統(tǒng)特性文件是為數(shù)控后置處理系統(tǒng)提供轉換，將刀位文件的內容轉換為適應具體機床的控制程序，其格式應進行必要的標準化。最后，數(shù)控機床的特征性文件設置，這個文件是描述機床運行與結構特征、運行參數(shù)、運行軸行程、最大速度、加速度等文件，后置處理系統(tǒng)根據(jù)這個文件對機床的運動求解、非線性運行誤差校正、進給速度校對、速度修正等處理。

3 在后置處理技術基礎上后置處理器的開發(fā)

隨著五軸數(shù)控技術的發(fā)展，對其后置處理技術的要求也不斷提高，工程實踐中往往利用后置處理器對某個生產過程進行“專用”控制，以滿足商業(yè)生產。下面就以五軸雙轉臺數(shù)控機床（MIKRON HSM 600U機床）為例進行分析。

3.1 對機床參數(shù)的設置

在設置中，對軟件對話框進行選擇，配置五軸數(shù)控系統(tǒng)，根據(jù)機床運行的結構所體現(xiàn)的各種參數(shù)進行參數(shù)選擇，如一般參數(shù)、四軸五軸窗口，編輯設置圓弧刀軌跡輸出的線性軸行程極限、機床的零點位置、直線插補最小分辨率、機床的速度、機床初始坐標、機床旋轉軸設定等等進行選擇與設定。

3.2 程序與刀軌設定

在程序與刀軌的窗口中定義與修改、專用化所有的機床動作的處理方式。在程序窗口中定義、修改程序化設置其中后處理的程序包括：程序起始段；操作端頭；刀軌控制；操作結尾；程序結果。在G代碼的窗口下，定義后置處理中所需要的所有G代碼，包括：運動速度、直線模式、順圓運動、逆圓運動、加工面、刀具半徑修正、絕對與增量編程、固定加工循環(huán)模式等。在M代碼窗口定義的是后置處理中M代碼內容，包括：結束程序、主軸轉向、主軸啟停、冷卻開關、換刀具等。在定義地址的時候，設置各個關鍵格式；字符順序窗口，定義字符優(yōu)先等級與順序；在用戶定義窗口添加用戶自定義的程序指令。在利用程序語言進行編程的時候，實現(xiàn)后置處理的算法中歐能個旋轉軸角度的計算、坐標矩陣變換、平動軸移動值計算、增加切削時間等任務都應完成設置。在程序與刀軌參數(shù)窗口的用戶自定義中，導入已經實現(xiàn)的旋轉軸角度計算、平動軸位移計算等都應符合實際加工的需求。

3.3 NC數(shù)據(jù)設置

在NC數(shù)據(jù)參數(shù)窗口的設置中，應定義NC數(shù)據(jù)格式。在定義中使用的是G、M字地址和其應用的FOR-MAT格式。完成上述設置后生成的自定義文件為.def、事件處理文件為.tcl，參數(shù)文件為.pui，即完成在五軸加工中需要的后置處理器的開發(fā)。

4 零件加工的應用

在零件加工的應用中，選擇一臺電動雙轉臺五軸機床作為測試的對象，完成零件的加工。采用軟件構件一個復雜的圓柱加半球的組合零件，在上面完成銑削工藝，并形成兩個不同斜度的平面，在兩側在進行垂直方向鉆孔，并在球面上雕刻字母，如圖2。

加工的步驟分為一下幾個：粗加工：完成型腔銑，選擇刀具立銑刀，直徑6mm，刃場20mm，加工余量0.5mm。半精加工：銑剩余量，刀具設計直徑4mm球頭刀，刃長10mm，余量設計0.2mm；精加工：變輪廓銑削，刀具沿用半精加工刀具，余量0；多面鉆孔加工：鉆頭直徑4mm，深度10mm；刻字加工：選擇30°刻字刀，字體深度0.5mm。在加工中編制這些后置處理程序轉換為5組加工代碼，采用五軸數(shù)控設備完成這些加工，從最終的加工結果來看，建立在UG基礎上的后置處理系統(tǒng)可以有效的對加工過程進行控制，并實現(xiàn)效率最大。

圖2

[1]李賢元，孟文，周奎.五軸數(shù)控機床后置處理算法研究[J].機械，2009(10).

[2]喻丕珠，周定伍，周虹.基于UGNX五軸加工后置處理中的坐標變換[J].中國新技術新產品，2009(14) .

[3]祁明燈.五軸聯(lián)動數(shù)控技術的加工案例[J].制造技術與機床，2009(6) .

[4]唐林.數(shù)控加工的后置處理技術[J].新技術新工藝，2008(7).

[5]胡乾坤，張慧賢.基于CATIA的FIDIA數(shù)控系統(tǒng)5軸后置處理器的研究[J].制造技術與機床，2009(6).