宗宇鵬，吳玉厚

(沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168)

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立體模型的五軸聯(lián)動編程與仿真設計

宗宇鵬，吳玉厚

(沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168)

通過對異型石材制品—佛像的逆向工程技術進行建模，根據(jù)其表面的結(jié)構特點，利用UG/CAM模塊進行五軸加工數(shù)控程序編制，然后對生成的刀位文件進行后置處理，根據(jù)處理結(jié)果形成數(shù)控機床所識別的數(shù)控代碼，最后利用VERICUT軟件對佛像進行虛擬加工仿真，并對加工過程的刀路進行優(yōu)化研究。

數(shù)控；UG；仿真；優(yōu)化

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，對數(shù)字化制造技術提出的要求也越來越高。在三軸加工技術中，由于刀軸不能擺動，在曲率較小的區(qū)域內(nèi)刀刃不能接觸，會導致曲面各部位加工質(zhì)量差異較大。若采用四軸加工技術，雖然在規(guī)劃刀具軌跡時，可以使刀軸擺動或旋轉(zhuǎn)，但需要多次裝夾刀具，使工序變得更復雜。因此，為獲得高效精確的刀具運動軌跡，故采用五軸聯(lián)動加工技術。

1 佛像五軸編程工藝分析

1.1 刀軸方向控制

佛像模型外形特征主要由2部分組成：上半部分為佛像主體，主要由凹凸不平的曲面組成；下半部分則是規(guī)則的圓柱形底座，如圖1所示。若采取三軸加工技術，刀具一次裝夾只能加工面對刀軸的曲面，多次裝夾后會引起定位誤差，使加工精度下降。在采用五軸加工編程時，既要兼顧曲面加工的精度與效率，又要避免欠切、干涉等問題，因此常采用刀軸傾斜的方法進行編程。在刀具與加工表面所形成的坐標系O-XYZ中，X軸為曲面切點處沿刀具進給方向上的切矢，Z軸為切點處曲面法矢，γ為側(cè)傾角(平行于進給方向與刀軸間的夾角，可防止刀桿與間斷進給方向上未加工面的干涉)，K為前傾角(垂直于進給方向平面與刀軸矢量間的夾角，可防止銑削凹面時的干涉情況)，如圖2所示。

圖1 立體佛像模型

圖2 刀軸方向控制

1.2 切削參數(shù)的計算

其中，fz為每齒進給速度；z為銑刀刃數(shù)；L為行距；h為殘余高度；Rc為刀具有效切削半徑；Rb為曲面局部曲率半徑；當遇到凹曲面時，Sgn(O×N)=0；當遇到凸曲面時，Sgn(O×N)=1；Vc為切削速度；D1為銑刀直徑；n為主軸轉(zhuǎn)速。

1.3 佛像的五軸聯(lián)動刀程序編制

可變軸輪廓銑加工方式是在幾何體上生成驅(qū)動點，再把驅(qū)動點按照已設置的投影方法映射到被加工表面上，生成刀位軌跡。UG/CAM模塊提供給用戶很多驅(qū)動方法，如何選擇驅(qū)動方法與被加工表面的復雜程度以及形狀有關。以佛像精加工編程為例，由于佛像主體表面不規(guī)則，且曲率變化趨勢不同，若選擇加工表面作為驅(qū)動面來驅(qū)動刀軸矢量，則會使刀軸方向急劇變化，不但會引起切削力頻繁突變，而且會造成被加工表面欠切或過切。因此，必須選擇或設計光滑曲面作為刀軸矢量驅(qū)動面。

加工刀具選擇環(huán)形刀，因為環(huán)形刀不僅具有平底刀切削效率高的優(yōu)點，而且連接刀桿與刀具底面圓弧刀刃可以避免殘留刀痕。在得到滿意的刀軌后，設置合適的刀軸變化量與步距，可顯著地提高編程效率，刀具軌跡如圖3所示。

圖3 刀具軌跡

2 后處理階段

在UG/CAM模塊下完成編程后，UG軟件會自動生成刀位文件，但該文件在實際加工中并不能被數(shù)控機床識別，因為其不是符合數(shù)控系統(tǒng)指令格式的程序。所以，需要將刀位文件轉(zhuǎn)化成特定機床數(shù)控系統(tǒng)所能識別的數(shù)控代碼，即后置處理。后置處理的主要任務是將工件坐標系中的刀軸矢量轉(zhuǎn)換成2個旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度值，同時將工件坐標系的刀位點坐標值通過平動補償?shù)姆绞睫D(zhuǎn)化為機床坐標系的坐標值。

以加工該佛像為例，此機床主軸除了可以沿著X軸、Y軸、Z軸平移之外，還增加了繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸和繞Y軸旋轉(zhuǎn)的B軸。在工件坐標系中，坐標軸的線性移動對A軸的旋轉(zhuǎn)角度值沒有影響，故刀軸矢量的轉(zhuǎn)換就變成B軸與Z軸正方向夾角的計算。B角的計算如下 (其中ax、ay、az為刀軸矢量坐標)：

通過后處理器可以將刀位文件轉(zhuǎn)換成機床數(shù)控系統(tǒng)所識別的NC代碼，除了有少量的G代碼和M代碼外，大量代碼為機床坐標值。NC代碼程序段節(jié)選如下：

(Date:ThuSep18 20:53:35 2014)

(Part:C: emp\_bdwmodel.prt)

(Tool:D5)

(Ncfile:_bdwmode7.nc)

N0005G80G40G49

N0010G90G53G00

N0015G91G28Z0.

N0020T02M06

N0025M08

N0030S4000M03

N0035G90G01X-13.335Y-40.Z192.B0.A-90.F1000.

N0040Z27.

N0045Z14.683F750.

……

N0610G91G28Z0.

N0615G91G28X0Y0

N0620M30

(Totaloperationtime:36.03min.)

%

3 加工仿真階段

在后處理完成后，由于生成的程序抽象且冗長，需要通過Vericut軟件對其進行仿真檢測。針對五軸聯(lián)動數(shù)控加工程序的仿真檢測不僅可以直觀形象地模擬現(xiàn)場加工過程，而且還可以對刀路的干涉、過切、欠切等問題進行檢測和優(yōu)化。利用VERICUT軟件進行仿真的具體操作步驟如圖4所示。

參數(shù)設置分為G代碼參數(shù)設置和機床參數(shù)設置。G代碼參數(shù)設置主要設置工作偏置，補償?shù)毒咴c相對于部件編程原點的偏置；機床參數(shù)設置主要包括碰撞檢測、行程極限和軸優(yōu)先設計等。碰撞檢測主要設計檢測Tool與A軸、B軸與A軸、Tool與床身的干涉，設置臨界距離小于1mm時，默認碰撞發(fā)生。在仿真加工時，由于虛擬機床A軸繞加工坐標系X軸旋轉(zhuǎn)，B軸繞Y軸擺動，刀柄與佛像底座發(fā)生碰撞干涉，如圖5所示，這時需要對刀軸方向進行重新規(guī)劃或者對刀路進行修改，直至碰撞干涉被消除。

圖4 VERICUT仿真加工流程

根據(jù)各個程序段的材料去除量改善主軸轉(zhuǎn)速或進給速度，不改變刀具路徑，使程序細化，如圖6所示。優(yōu)化后的程序可以在加工過程中改善工件的物理性能，虛擬加工效果良好，最終的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖5 刀柄與工件發(fā)生碰撞干涉

圖6 優(yōu)化前后程序比較

圖7 最終的仿真效果

4 結(jié) 論

1)利用UG/CAM模塊進行五軸聯(lián)動數(shù)控編程，要合理控制刀軸矢量，使刀軸轉(zhuǎn)角沿驅(qū)動面均勻變化，盡量減少突變。

2)在編制五軸加工程序時，驅(qū)動面影響刀路的生成，合理的驅(qū)動面會減少欠切、過切現(xiàn)象。

3)在VERICUT軟件搭建的虛擬數(shù)控機床上不僅可以進行仿真加工，還可以進行程序優(yōu)化處理，有效地縮短了加工時間，提高了加工效率。

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(責任編輯 張 凱 校對 佟金鍇)

Programming and Simulation of Three-dimensional Model with Five-axis Linkage

ZONG Yu-peng，WU Yu-hou

(School of Mechanic Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，Liaoning Province)

A reverse engineeringmodelling ofa Buddhastatue manufactured with special shape stonewas established in this paper.Combined with the surface structure feature of the stone,thefive-axis-manufacturing NC program of the model was made with UG/CAM.Thenthe codes that can be identified by digitally controlled machineswere formed according to the post-processing result of the generated cutter location data.At the end,manufacturing simulation of the Buddhastatue was carried with VERICUT and the cutter trackwas optimized.

numericalcontrol;UG;simulation;optimizing

2015-04-23

國家自然科學基金資助項目(51375317)；遼寧省自然科學基金項目(2014020069)；教育部創(chuàng)新團隊計劃(ITR1160)

宗宇鵬(1990-)，男，遼寧朝陽人，碩士研究生。

吳玉厚(1955-)，男，遼寧海城人，博士生導師，教授，博士，主要從事精密加工技術、數(shù)控裝備及技術方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.019

TG659

A

1673-1603(2015)03-0274-04