王 準(zhǔn)

(安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

0 引言

對(duì)于五軸數(shù)控加工任務(wù)而言，傳統(tǒng)的手工編程手段，幾乎很難完成，需要使用CAM方法來(lái)進(jìn)行。而針對(duì)5軸加工的CAM工作，相比三軸、四軸的數(shù)控程序設(shè)計(jì)［1-2］，特別是生成數(shù)控程序的后處理器以及程序后置驗(yàn)證問(wèn)題，要復(fù)雜多了。目前國(guó)內(nèi)外，關(guān)于各個(gè)CAM平臺(tái)軟件操作方面的專著和文章，已經(jīng)很多。但是，專門針對(duì)5軸數(shù)控加工情況，利用CAM進(jìn)行完整和可用的數(shù)控程序設(shè)計(jì)以及后置驗(yàn)證方面的對(duì)比研究很缺乏。為此，筆者研究了一些主流CAM平臺(tái)和數(shù)控加工后置驗(yàn)證問(wèn)題，提出一些解決之道，希望有助于五軸加工中心用戶，提高其生產(chǎn)技術(shù)水平。

1 基于工藝系統(tǒng)的五軸數(shù)控加工CAM工作流

1.1 工藝系統(tǒng)下的CAM工作步驟

鑒于5軸數(shù)控加工任務(wù)的復(fù)雜性，因此，其程序設(shè)計(jì)必須借助CAM手段來(lái)完成。從單一CAM功能的EdgeCAM、MastercamX等中低端平臺(tái)，到以PLM為主旨的 Siemens NX、Catia 等集大成平臺(tái)［3-5］，其CAM工作基本原理是相同的——圖形交互式數(shù)控編程。筆者把各個(gè)CAM平臺(tái)下的數(shù)控編程工作，歸納為六個(gè)步驟(階段)。如圖1左邊所示。

圖1 基于工藝系統(tǒng)的CAM工作流

與3～4軸以下的數(shù)控編程不同，五軸數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)工作，除了考慮CNC類型之外，在每個(gè)工作階段，必須充分考慮所用的5軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)布局、工裝等本“工序工藝系統(tǒng)(圖1右邊)”具體情況，并不斷從工藝系統(tǒng)調(diào)用信息。圖1中間部分自上而下展示了：CAM六個(gè)階段進(jìn)行中，如何逐步地從右邊“工序工藝系統(tǒng)”中調(diào)入相關(guān)信息，最終設(shè)計(jì)出正確、可用數(shù)控程序的過(guò)程。下面將針對(duì)兩個(gè)具體5軸數(shù)控加工任務(wù)，分析、說(shuō)明其中的關(guān)鍵性工作。

1.2 本研究中的加工任務(wù)與工藝系統(tǒng)

本文要完成的五軸數(shù)控加工任務(wù)是：上下兩蓋式減速器下箱體的粗加工——除底部之外，其他5個(gè)方位上面與孔的粗加工，如圖2和圖3所示。顯然，這是屬于“多面定向加工［6］”任務(wù)。

圖2 兩級(jí)減速器下箱體

圖3 單級(jí)錐齒輪減速器下箱體

為完成該任務(wù)，而設(shè)計(jì)確定的工序工藝系統(tǒng)組成如下：混合型立式(用于圖2零件的加工)和臥式(用于圖3零件的加工)五軸加工中心各一臺(tái)(參見(jiàn)圖 11)，組合夾具(參見(jiàn)圖 12、13、15、19)，數(shù)控用鉆、銑刀(參見(jiàn)圖16、17)。詳細(xì)的工藝內(nèi)容，用工藝規(guī)程來(lái)承載，如：工序卡、刀具卡、機(jī)床調(diào)整卡等［7］。

2CAM及其后處理器

2.1 CAM前4大步驟中的主要工作

如圖1所示，CAM中的第1、2階段屬于準(zhǔn)備工作，其中工件空間方位和編程坐標(biāo)系的設(shè)定是關(guān)鍵。需要注意臥式布局的機(jī)床中，編程坐標(biāo)系的設(shè)定問(wèn)題：Z向是水平并與工件實(shí)際擺放朝向一致(參看圖11和圖13右邊所示的坐標(biāo)系)，X/Y與右手笛卡爾坐標(biāo)系規(guī)范相符。圖4表達(dá)的是CREO/CAM和Catia/CAM平臺(tái)中，臥式機(jī)床上加工下箱體時(shí)坐標(biāo)系的設(shè)定情況。

CAM中的第3階段工作量最大，需要把所有工序內(nèi)容——切削用量、刀具及刀補(bǔ)號(hào)、潤(rùn)滑與冷卻方式等詳細(xì)工步內(nèi)容(包括進(jìn)刀與退刀方式)，輸入CAM平臺(tái)。五軸加工中，此階段，要特別注意設(shè)置正確的刀軸方向矢量的驅(qū)動(dòng)方式。

圖4 臥式五軸加工中心上編程坐標(biāo)系的設(shè)置

圖5 CAM中的前置驗(yàn)證工作

第4階段是對(duì)前者的驗(yàn)證，這屬于“后處理”創(chuàng)建加工代碼之前的數(shù)控加工前置驗(yàn)證工作。圖5展示的是Siemens NX(上方)和PTC CREO(下方)中完成的前置驗(yàn)證工作。

2.2 CAM第5階段的關(guān)鍵問(wèn)題

CAM第5階段——通過(guò)后處理生成數(shù)控程序。對(duì)于五軸數(shù)控加工而言，這一步是工作重點(diǎn)與難點(diǎn)：既需要考慮CNC控制器類型，又要考慮具體的機(jī)床結(jié)構(gòu)配置方式。這一階段，首先要根據(jù)機(jī)床具體布局和配套的CNC類型創(chuàng)建專用后處理器(文件)，然后調(diào)用該后處理器(文件)，創(chuàng)建數(shù)控程序。

圖6 混合型立式五軸加工中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前能夠創(chuàng)建專用后處理器(文件)的功能模塊或獨(dú)立程序包，也有不少。如：Siemens NX的“后處理構(gòu)造器(Post Builder)”、PTC CREO內(nèi)嵌的“后處理生成器(Post Generator)——Gpost模塊”、IMS 的“IMSpost”獨(dú)立軟件等等。在這些專業(yè)功能環(huán)境中，進(jìn)行后處理器(文件)創(chuàng)建時(shí)，需要完成三方面工作：第1，把機(jī)床的布局方式和技術(shù)參數(shù)(各向行程、速度、分辨率、轉(zhuǎn)軸間距等)，輸入該功能模塊;第2，設(shè)定“刀軌信息轉(zhuǎn)換成CNC數(shù)控代碼”的程序表達(dá)格式，如，五軸機(jī)床的RTCP功能代碼輸出方式等;第3，其他一些特殊設(shè)定，如，對(duì)后處理器(文件)進(jìn)行注冊(cè)，設(shè)定保存路徑等。下面，以立臥兩類五軸加工中心配套 Fanuc 15/16M 為例，對(duì)“Post Builder”、“Gpost”中進(jìn)行后處理器(文件)創(chuàng)建時(shí)，涉及到的上述關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

2.3 后處理器(文件)創(chuàng)建中的關(guān)鍵工作

圖2所示的零件是用立式五軸加工中心完成粗加工的，其數(shù)控程序設(shè)計(jì)是在Siemens NX/CAM中進(jìn)行的，因此，可以用Siemens NX的“Post Builder”來(lái)創(chuàng)建后處理器(文件)。把立式五軸加工中心布局(參見(jiàn)圖11左邊)，輸入“Post Builder”后，“Post Builder”表達(dá)出的機(jī)床結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系如圖6所示?！癙ost Builder”中機(jī)床技術(shù)參數(shù)輸入界面，如圖7所示。

圖7 Post Builder中機(jī)床技術(shù)參數(shù)的輸入

圖8 混合型臥式五軸加工中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3所示的零件是用臥式五軸加工中心(圖11右方)完成粗加工的，其數(shù)控程序的設(shè)計(jì)是在“PTC CREO/CAM”中進(jìn)行的。該臥式五軸加工中心布局，被輸入PTC CREO的“Gpost”后，展現(xiàn)出的機(jī)床結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系如圖8所示?！癎post”中機(jī)床技術(shù)參數(shù)輸入界面，如圖9所示。

圖9 Gpost中機(jī)床技術(shù)參數(shù)輸入

創(chuàng)建后處理器的第2方面工作——設(shè)定“走刀信息轉(zhuǎn)換成CNC數(shù)控代碼”的程序格式要求，其細(xì)節(jié)過(guò)程主要是軟件交互操作問(wèn)題，此處不再贅述。這里，針對(duì)五軸加工中心特有的RTCP功能代碼輸出設(shè)定問(wèn)題，就“Post Builder”環(huán)境，作一個(gè)說(shuō)明。不同CNC類型中，RTCP功能代碼表達(dá)是不同的，如：Siemens840D使用Traori G642 OriCurve，F(xiàn)idia用 G96激活、G97取消，Heidenhain是M128 M129。本研究中，五軸加工中心配套的Fanuc 15/16M通過(guò)G43.4代碼來(lái)調(diào)用RTCP功能［8-12］。RTCP功能的本質(zhì)是：針對(duì)不同刀具的長(zhǎng)度值，進(jìn)行三維刀具軸向補(bǔ)償。因此，可以在每把刀具自動(dòng)更換之后，立即調(diào)用G43.4代碼。具體設(shè)置時(shí)，需要使用TCL(Tool Command Language)語(yǔ)言編寫(xiě)一段MOM(Manufacturing Output Manager)命令，并添加到自動(dòng)換刀Block之后。如圖10所示，為Post Builder中，RTCP功能代碼輸出設(shè)定情況。

圖10 Post Builder中RTCP功能代碼輸出設(shè)定

“Gpost”中RTCP代碼可以在的“Machine Codes/Tool Change Seqs.”對(duì)話框的“User Blocks”標(biāo)簽下，直接于換刀前/后添加用戶自定義的、與RTCP配套的命令塊即可。

最終的后處理器(文件)，還需要進(jìn)一步通過(guò)“數(shù)控加工后置驗(yàn)證”來(lái)判斷正確與否、反饋修改與完善。

3 在“工藝系統(tǒng)Vericut模型”中完成加工驗(yàn)證

3.1 對(duì)“工藝系統(tǒng)驗(yàn)證模型”的要求

數(shù)控加工后置驗(yàn)證結(jié)果的可信度，是建立在盡可能全面表達(dá)真實(shí)加工狀態(tài)的“數(shù)字化工藝系統(tǒng)”基礎(chǔ)之上的。即：驗(yàn)證狀態(tài)與真實(shí)工作狀態(tài)，必須是同一個(gè)由“機(jī)床、工件、夾具、刀具以及控制部分”組成的“工藝系統(tǒng)”?！肮に囅到y(tǒng)”中各個(gè)元件的本質(zhì)特征及其相互關(guān)系(特別是位置關(guān)系與運(yùn)動(dòng)關(guān)系)，不能因研究階段和問(wèn)題不同而改變。

為此，在設(shè)計(jì)和組建工藝系統(tǒng)時(shí)，可以通過(guò)CAD平臺(tái)與Vericut平臺(tái)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，來(lái)保證各個(gè)階段“工藝系統(tǒng)一致性”。

3.2 “工藝系統(tǒng)Vericut模型”元件之“機(jī)床”

本文研究時(shí)，已經(jīng)在Vericut中創(chuàng)建了數(shù)控加工后置驗(yàn)證所需的兩臺(tái)數(shù)字樣機(jī)——立式和臥式混合型五軸加工中心的主要結(jié)構(gòu)布局(參見(jiàn)圖11)。

3.3 “工藝系統(tǒng)Vericut模型”元件之“工裝”

圖11 立式和臥式混合型五軸加工中心

由機(jī)械制造工程規(guī)律，可知：“工藝系統(tǒng)”要借助夾具并通過(guò)機(jī)床工作臺(tái)連接，才能成為一個(gè)有機(jī)的“加工制造系統(tǒng)”。為此，根據(jù)工序卡提供的工裝方案，進(jìn)行數(shù)字夾具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該以數(shù)字機(jī)床工作臺(tái)為依據(jù)展開(kāi)——“基于機(jī)床工作臺(tái)的工裝設(shè)計(jì)”。

3.2節(jié)提到的兩加工中心工作臺(tái)的空間位置坐標(biāo)可以測(cè)得，工作臺(tái)驗(yàn)證模型也可以單獨(dú)從Vericut中導(dǎo)出。這樣一來(lái)，工作臺(tái)數(shù)字模型及其空間坐標(biāo)信息，可以作為任何CAD平臺(tái)中，進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時(shí)的公用數(shù)據(jù)，被參照使用，從而保證：不同CAD平臺(tái)中所構(gòu)建“工藝系統(tǒng)”特征模型，相比與驗(yàn)證模型，在空間位置關(guān)系上是一致的。如圖12和圖13的左邊，就是分別在“Siemens NX”和“PTC CREO”組件環(huán)境中，兩加工中心工作臺(tái)在整機(jī)上的空間關(guān)系，其精確位置便是由前述坐標(biāo)值確定的;圖12和圖13的右邊，分別是設(shè)計(jì)完成的工裝——本工序終了狀態(tài)的下箱體及組合夾具［13］。

圖12 Siemens NX/CAD環(huán)境中的工作臺(tái)和工裝

圖13 PTC CREO/CAD環(huán)境中的工作臺(tái)和工裝

另外，Vericut自帶一個(gè)龐大的數(shù)控機(jī)床庫(kù)，如果現(xiàn)場(chǎng)使用的機(jī)床與該庫(kù)中某臺(tái)機(jī)床一致，則可以直接把該數(shù)字機(jī)床作為后置驗(yàn)證使用。此時(shí)，完全可以參照上述原理，把相應(yīng)數(shù)字機(jī)床的工作臺(tái)模型，調(diào)入工廠習(xí)慣使用的特定CAD平臺(tái)中，進(jìn)行工裝夾具設(shè)計(jì)。如圖14所示，就是某廠在其習(xí)慣使用的CREO/CAD中，調(diào)入的 Vericut提供的 DMG_DMU50V機(jī)床工作臺(tái)組件。在此基礎(chǔ)上，可以用Topdown方式或BottomUp方式，進(jìn)行該廠相關(guān)夾具的設(shè)計(jì)與裝配。

圖14CREO/CAD中調(diào)入的DMG_DMU50V工作臺(tái)

由于夾具及其所裝夾的工件特征模型組件，是基于驗(yàn)證工作臺(tái)設(shè)計(jì)的，因此，把“夾具－工件(毛坯+本工序終了狀態(tài)工件)”組件，再導(dǎo)入、安裝到Vericut中的數(shù)字機(jī)床上時(shí)［14-15］，能夠直接保證空間位置上的一致性(坐標(biāo)系吻合)。圖15分別是Vericut后置驗(yàn)證平臺(tái)中，立式(左方)和臥式(右方)數(shù)字樣機(jī)上完成各自工裝后的狀態(tài)。

圖15 兩下箱體在驗(yàn)證樣機(jī)上的裝夾狀態(tài)

3.4 “工藝系統(tǒng)Vericut模型”元件之“刀具”

根據(jù)1.1和2.1的分析可知：數(shù)控加工中所需的全部刀具信息，由工藝規(guī)程承載，并在計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程的第3階段，被輸入CAM平臺(tái);由CIMS和PLM技術(shù)原理還知：一次信息輸入后，便可被后續(xù)各個(gè)階段的CAX繼承與調(diào)用。以此為出發(fā)點(diǎn)，作為數(shù)控加工后置驗(yàn)證的準(zhǔn)備工作之一，就是讓“驗(yàn)證工藝系統(tǒng)”，無(wú)差錯(cuò)地繼承CAM階段已輸入的刀具數(shù)字信息。為此，可以借助Vericut驗(yàn)證平臺(tái)與各個(gè)CAM平臺(tái)之間的無(wú)縫連接技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)［16］。

圖16和圖17就是刀具信息分別從NX/CAM和Catia/CAM平臺(tái)，輸入到Vericut驗(yàn)證平臺(tái)的示例。兩圖中，左邊是CAM平臺(tái)，中間是無(wú)縫連接式激活Vericut界面，右邊是Vericut由此而獲取的刀具信息。

3.5 開(kāi)機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證

啟動(dòng)“驗(yàn)證工藝系統(tǒng)”中的數(shù)字樣機(jī)，進(jìn)行后置驗(yàn)證時(shí)，可以用幾種不同模式來(lái)展開(kāi)。如：不間斷式完整運(yùn)行、出現(xiàn)錯(cuò)誤或警告時(shí)暫停、更新刀具時(shí)暫停(每工步驗(yàn)證)。。。等等。當(dāng)然，可以進(jìn)行G代碼的逐行運(yùn)行驗(yàn)證。顯然，這些方式的混合搭配使用，完全可以把過(guò)去通過(guò)耗時(shí)而昂貴的物理驗(yàn)證方法，才能發(fā)現(xiàn)的程序錯(cuò)誤、碰撞、干涉等問(wèn)題，找出并排除。

圖16 NX/CAM無(wú)縫連接到Vericut

圖17 Catia/CAM無(wú)縫連接到Vericut

3.6 數(shù)控代碼解讀與后處理器改進(jìn)案例

本研究中，加工下箱體注油孔時(shí)，刀具軸線處于斜位(45度)，加工驗(yàn)證中觀察到：刀軸矢量方向是正確的，但刀具切入和切出時(shí)，并沒(méi)有按照設(shè)計(jì)要求——沿著刀軸軸線方向進(jìn)退，而是徑向且傾斜成Z字形進(jìn)退并造成過(guò)切。為此，切換到逐行運(yùn)行并研讀代碼，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在后處理器對(duì)快速切入/切出刀軌的處理上：切入和切出路徑各基點(diǎn)的二維坐標(biāo)，被兩個(gè)程序段來(lái)表達(dá)，從而使進(jìn)退路徑成Z字形。如圖18所示，為PTC/GPost中，就快速運(yùn)動(dòng)刀軌處理，進(jìn)行的設(shè)置調(diào)整。由調(diào)整過(guò)的新版后處理器創(chuàng)建的數(shù)控程序，被再次加工驗(yàn)證為正確無(wú)錯(cuò)。最終版的后處理器，可以作為該機(jī)床的專用后處理文件保存，以備此機(jī)床數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)(CAM第5步中)調(diào)用。

圖18 五軸加工時(shí)正確的快速運(yùn)動(dòng)設(shè)置

需要指出是，就具體數(shù)控程序，特別是五軸方式進(jìn)行的加工而言，其驅(qū)動(dòng)每段刀軌所需的切削參數(shù)是否合理、最優(yōu)的問(wèn)題，目前各個(gè)CAM平臺(tái)都不能很好地解決。如銑削單級(jí)錐齒輪減速器下箱體(參見(jiàn)圖3)頂部結(jié)合面和三個(gè)側(cè)面的刀軌中，CAM給出的工進(jìn)速度，一般是個(gè)定值，也就是說(shuō)，位于四個(gè)方位共6塊加工面上無(wú)切削材料的缺口處，銑刀也是以同樣的工進(jìn)速度越過(guò)的，這顯然不合理。此類問(wèn)題，需要借助Vericut驗(yàn)證平臺(tái)中的“刀軌優(yōu)化”模塊來(lái)處理。具體工作時(shí)，企業(yè)可以把其實(shí)際所用刀具材料的切削用量最優(yōu)經(jīng)驗(yàn)值、工件材料以及機(jī)床的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，輸入該模塊;選擇“恒定體積去除率(Volume Removal)”或“恒定切屑厚度(Chips Thickness)”或兩者的融合，進(jìn)行數(shù)控程序的最終優(yōu)化。

3.7 碰撞檢查與工裝改進(jìn)案例

從數(shù)控加工工藝系統(tǒng)角度看，后置驗(yàn)證工作除了可以得到合理、最優(yōu)的數(shù)控程序之外，另外一個(gè)重要的任務(wù)，就是發(fā)現(xiàn)并排除各種可能的干涉、碰撞等不良工作狀態(tài)。對(duì)于五軸加工而言，由于機(jī)床本身運(yùn)動(dòng)部件多，同時(shí)又是多方位加工，因此，干涉、碰撞等問(wèn)題變得尤其復(fù)雜，人工很難預(yù)測(cè)周全。而借助數(shù)控加工后置驗(yàn)證，可以很順利地解決這一問(wèn)題。本研究中，對(duì)“臥式五軸機(jī)床加工下箱體”的“工藝系統(tǒng)Vericut模型”各元件間，作者設(shè)置了一些可能的碰撞組合，如：主軸(Spindle)與工件(Stock)、Z立柱與B轉(zhuǎn)臺(tái)、A擺頭與B轉(zhuǎn)臺(tái)、A擺頭與組合夾具(Fixture)等等。開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)：早先設(shè)計(jì)的組合夾具只使用一塊基礎(chǔ)板(參見(jiàn)圖15右方)，加工放油孔部位時(shí)，A擺頭與B轉(zhuǎn)臺(tái)有碰撞。如圖19所示，改進(jìn)后的夾具不再有任何干涉問(wèn)題。

圖19 改進(jìn)后的工裝

最終驗(yàn)證無(wú)誤的數(shù)控程序、刀具信息(刀具卡)、工件/夾具安裝圖(基于工作臺(tái)，包含編程原點(diǎn)信息)等，要以工藝文件方式，傳遞到車間現(xiàn)場(chǎng)，作為實(shí)際加工時(shí)，準(zhǔn)備物理工藝系統(tǒng)的依據(jù)(參見(jiàn)圖1)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以立臥兩種混合型五軸加工中心上完成“多面定向加工”為研究對(duì)象，從制造系統(tǒng)角度，全面闡述了從“CAM進(jìn)行程序設(shè)計(jì)”到“數(shù)控加工后置驗(yàn)證”，各階段工作中的技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)方法。這些原理與方法是具備普遍性的，可以推廣到其他類型的五軸數(shù)控加工任務(wù)中，包括多軸聯(lián)動(dòng)自由曲面的加工場(chǎng)合。另外，對(duì)于需要多次裝夾，甚至需要不同機(jī)床來(lái)完成加工的多工序制造情況，也可以參照這些原理與方法，實(shí)現(xiàn)集中驗(yàn)證，以全面判斷并排除從工藝準(zhǔn)備到現(xiàn)場(chǎng)加工中，工藝系統(tǒng)內(nèi)部各種可能的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，還可估算出總的制造時(shí)間。這對(duì)于現(xiàn)代制造企業(yè)市場(chǎng)響應(yīng)能力的抬升，是有不少正面作用的。

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