盧高峰

（蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

非典型結(jié)構(gòu)的五軸數(shù)控放電高效銑機床CAM后處理

盧高峰

（蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

以具有A、B轉(zhuǎn)軸特殊結(jié)構(gòu)的五軸數(shù)控放電高效銑機床為對象，通過分析機床運動關(guān)系和坐標系統(tǒng)，給出刀位軌跡轉(zhuǎn)換成機床正確坐標的算法，并用計算機高級語言實現(xiàn)后置處理軟件。

高效銑；后置處理；算法

數(shù)控機床的各種運動都是執(zhí)行特定的數(shù)控指令的結(jié)果，這一系列的數(shù)控指令被稱為數(shù)控程序。隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的不斷發(fā)展，各種五軸數(shù)控機床應(yīng)運而生。五軸數(shù)控機床是加工復(fù)雜零件的現(xiàn)代化工具，對于復(fù)雜零件的加工編程往往需借助一些編程軟件的CAD及CAM模塊來完成。

UG軟件是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的大型CAD/CAE/CAM集成化軟件之一。運用該軟件，將CAD設(shè)計的模型通過CAM模塊計算產(chǎn)生刀位軌跡，生成刀位源文件（cutter lacation source file，CLSF）。CLSF中給出的是在加工坐標系中刀具的位置數(shù)據(jù)，包括刀尖點及刀軸矢量方向。在CAM模塊中，為了簡化編程，假定一個加工坐標系MCS，并假設(shè)工件固定不動，不管機床的運動關(guān)系和數(shù)控指令，產(chǎn)生一個刀尖點（X、Y、Z）三維坐標及刀軸方向矢量在X、Y、Z軸上的方向矢量分量，依次為I、J、 K，從而成為刀位源文件每一完整行的6個數(shù)據(jù)。CLSF不能作為數(shù)控程序，這是因為MCS與機床坐標系不一定重合；且五軸機床的結(jié)構(gòu)各異，旋轉(zhuǎn)軸有可能是刀具的擺動軸，也有可能是工件的轉(zhuǎn)動軸。CLSF中表示方向矢量的I、J、K數(shù)據(jù)都是相對于刀具定義的，CLSF只有經(jīng)過后置處理才能成為特定五軸機床的數(shù)控程序。

由于加工零件的復(fù)雜性和加工機床種類的多樣性，五軸數(shù)控機床多樣化的結(jié)構(gòu)是其發(fā)展的必然趨勢。對于不同結(jié)構(gòu)的五軸數(shù)控機床，由于運動關(guān)系不同，其后處理也不同。對于典型的加工中心結(jié)構(gòu)五軸數(shù)控機床的后處理，可通過UG軟件自帶的后處理構(gòu)造器（Post Builder）正確設(shè)置機床運動關(guān)系及配置的數(shù)控系統(tǒng)來生成后處理軟件；而對于非典型結(jié)構(gòu)的五軸數(shù)控機床，則用計算機高級語言直接處理加工零件的刀位源文件，更顯得靈活方便。

本文以自行研制的五軸數(shù)控電火花高效銑床為對象，嘗試用Borland C++對某型飛機發(fā)動機的整體葉盤UG刀位源文件做后處理程序。

根據(jù)ISO的規(guī)定，數(shù)控機床采用右手直角坐標系。其中，平行于主軸的坐標軸為Z軸，繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)的坐標軸分別為A、B、C軸。上述坐標的運動可由工作臺或刀具的運動來實現(xiàn)，且方向均以刀具相對于工件的運動方向來定義。通常，五軸聯(lián)動是指X、Y、Z、A、B、C軸中任意5個坐標的線性插補。本機床的運動關(guān)系為X、Y、Z、A、B的五軸聯(lián)動（圖1）。其中，B軸為主軸（Z軸）的擺動，范圍為-45°～45°；A軸可在0～360°連續(xù)正反轉(zhuǎn)。由于電火花高效銑所用的刀具為中空電極，加工時電極損耗很快，為減少電極更換次數(shù)，將Z軸行程設(shè)計得較長并安裝在B軸轉(zhuǎn)臺上，該結(jié)構(gòu)是高效銑工藝所要求的。

典型結(jié)構(gòu)五軸數(shù)控機床的旋轉(zhuǎn)軸都安裝在X、Y、Z軸上，旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)不會影響直線軸，而本機床B軸旋轉(zhuǎn)，使Z軸不垂直于X、Y軸；典型結(jié)構(gòu)五軸數(shù)控機床的擺頭結(jié)構(gòu)其擺長是不變的，而本機床B軸擺頭結(jié)構(gòu)的擺長是可變的。因此，將本機床稱為非典型結(jié)構(gòu)的五軸機床。

圖1 非典型結(jié)構(gòu)的五軸機床示意圖

做五軸后處理，首先要分清哪個旋轉(zhuǎn)軸是第五軸？哪個旋轉(zhuǎn)軸是第四軸？因為五軸機床有依賴軸和非依賴軸之分。當(dāng)另一個軸旋轉(zhuǎn)時，這個軸不改變旋轉(zhuǎn)方向和平面，即為非依賴軸，也就是第四軸；當(dāng)另一個軸旋轉(zhuǎn)時，這個軸改變旋轉(zhuǎn)方向和平面，即為依賴軸，也就是第五軸。做五軸后處理坐標換算的順序是:先把MCS換算到第四軸坐標；再把第四軸坐標換算到機床坐標系。如果兩個旋轉(zhuǎn)軸，一個是擺頭，另一個是轉(zhuǎn)臺，則擺頭的軸永遠是第四軸。由此可見，本文研究的機床對象，B軸為第四軸，A軸為第五軸。

后置處理中的運動求解，主要包括轉(zhuǎn)動角度計算和經(jīng)過轉(zhuǎn)動后X、Y、Z的求解，主要遵循旋轉(zhuǎn)坐標轉(zhuǎn)動后的刀具刀尖點相對于工件位置的保持。

A軸旋轉(zhuǎn)是通過工作臺（工件）旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，根據(jù)刀具與工件的相對運動，A軸方向與刀具方向相反，A軸旋轉(zhuǎn)角度可由式（1）計算得到:

A軸旋轉(zhuǎn)前，刀具刀尖點的坐標為（Y、Z）；A軸旋轉(zhuǎn)后，為了使刀具刀尖點與工件的相對位置保持不變，刀尖點應(yīng)跟動到（y、z），且（y、z）的坐標可由式（2）、式（3）計算得到:

B軸旋轉(zhuǎn)是通過刀具旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，B軸方向與刀具方向相同，B軸旋轉(zhuǎn)角度可由式（4）計算得到:

B軸旋轉(zhuǎn)后，為了使刀具刀尖點與工件的相對位置保持不變，刀尖點應(yīng)由（X、z）運動到（x、z′），且（x、z′）的坐標可由式（5）、式（6）計算得到:

式中:L為A軸與B軸的中心距。

此外，后置處理過程原則上是對刀位源文件的解釋執(zhí)行。每讀出刀位源文件中一個完整的記錄行，就根據(jù)所選機床進行坐標轉(zhuǎn)換，并根據(jù)所選數(shù)控系統(tǒng)進行格式轉(zhuǎn)換，生成一個完整的數(shù)控程序段，寫入程序文件中，直到刀位源文件結(jié)束。圖2是后置處理軟件的流程。

圖2 后置處理軟件流程

在自主研發(fā)的五軸聯(lián)動電火花數(shù)控銑床上，把UG刀位源文件中的數(shù)據(jù)準確轉(zhuǎn)換成X、Y、Z、A、B機床坐標，已成功應(yīng)用于國內(nèi)骨干航空企業(yè)的多個飛機發(fā)動機關(guān)鍵零件的加工中。實踐證明，開發(fā)的后置處理軟件是有效且可靠的。

CAM Post Processing of 5_axisw ith Non-typical Structure CNC High Efficent ED-m illing M achine Tools

Lu Gaofeng
（Suzhou Electromachining Machine Tool Research Institute Co.，Ltd，Suzhou 215011，China）

This paper focuses on 5_axis CNC high efficent ED-millingmachine toolswith A-table and B-head special structure.Analyzing kinectic relation and coordination system ofmachine tools，the algorithm of cutter location trail being inverted to machining coordination is achieved，and post processing software by computer advanced language is developed.

high efficent ED-milling；post processing；algorithm

TG661

B

1009－279X（2015）01－0061-02

2014-11-05

國家科技重大專項課題資助（2014ZX04001061）

盧高峰，男，1964年生，工程師。