馮一鋒

（廣州市輕工高級(jí)技工學(xué)校，廣東廣州510230）

基于Powerm ill五軸3+2編程的應(yīng)用與探索

馮一鋒

（廣州市輕工高級(jí)技工學(xué)校，廣東廣州510230）

介紹五軸聯(lián)動(dòng)編程與定向編程加工的特點(diǎn)，以多面體為例對(duì)多軸3+2編程的一些基本方法要點(diǎn)和技巧作了簡(jiǎn)短說明，為廣大初學(xué)者學(xué)習(xí)數(shù)控編程技術(shù)提供一些基本學(xué)習(xí)方法。

Pow erm ill；cam；五軸數(shù)控加工；3+2編程

傳統(tǒng)的三軸數(shù)控機(jī)床刀軸處于鉛直狀態(tài)不能傾斜，因此側(cè)面結(jié)構(gòu)無法一次裝夾加工成型。在沒有五軸數(shù)控機(jī)床的情況下，就需要將零件重新安裝、定位和夾緊，對(duì)于復(fù)雜的零件，還需要制作專門的夾具，這就帶來了加工效率和加工精度不高的問題，所以無法滿足復(fù)雜的產(chǎn)品的生產(chǎn)，由此催生了五軸數(shù)控機(jī)床。而多軸編程是實(shí)現(xiàn)五軸機(jī)床加工的重要條件，所以開展數(shù)控五軸編程實(shí)踐意義重大。英國(guó)DELCAM公司的Powermill軟件是一款加工功能非常強(qiáng)大的加工軟件，不僅提供了2~3軸的加工，更是提供了3+2軸、5軸聯(lián)動(dòng)的編程功能，廣泛應(yīng)用在航天航空、汽車行業(yè)、精密模具等行業(yè)。筆者在此提出自己在使用Powermill軟件3+2軸的編程的一些心得體會(huì)以供廣大初學(xué)者參考。

1 3+2軸加工的含義

3+2軸加工是指在五軸機(jī)床（比如X、Y、Z、A、C五根運(yùn)動(dòng)軸）上進(jìn)行X、Y、Z三軸聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，另外兩根旋轉(zhuǎn)軸（如A、C軸）固定在某角度的加工。3+2軸加工是定位五軸加工的方式之一，也是五軸加工中最常用的一種加工方式，通過使用這種方式能完成大部分零件側(cè)面結(jié)構(gòu)的加工，這種加工方式比目前五軸聯(lián)動(dòng)加工效率高出不少。具有以下特點(diǎn)：

（1）能夠加工出零件上三軸機(jī)床無法加工到的區(qū)域。

（2）能夠避免球頭銑刀的靜點(diǎn)切削狀況，改善刀具切削條件以及零件表面加工質(zhì)量。

（3）使用更短的刀具加工出深長(zhǎng)型腔。

（4）為模具零件加工帶來更快的加工效率。

但是，3+2軸加工方式也有其局限性，例如增壓葉輪的精加工就不適于使用這種方式，而必須使用五軸聯(lián)動(dòng)加工方式。

2 3+2軸編程案例模型工藝分析

本次案例使用發(fā)動(dòng)機(jī)箱體教學(xué)模型，發(fā)動(dòng)機(jī)箱體是一種典型的3+2軸多面體加工模型，整個(gè)模型在五軸機(jī)床上需要裝夾2次，底部與頂部編程時(shí)3軸編程就可滿足，但模型周邊結(jié)構(gòu)必須使用3+2的編程才能一次裝夾完成加工，本次案例只對(duì)模型周邊的傾斜結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。由于傾斜結(jié)構(gòu)1、傾斜結(jié)構(gòu)2，傾斜結(jié)構(gòu)3、傾斜結(jié)構(gòu)4的3+2編程步驟一樣，所以只列出傾斜結(jié)構(gòu)1編程方式，讀者可以參考傾斜結(jié)構(gòu)1的編程步驟完成傾斜結(jié)構(gòu)2，傾斜結(jié)構(gòu)3、傾斜結(jié)構(gòu)4的編程。發(fā)動(dòng)機(jī)箱體三維視圖如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)箱體三維模型

3五軸3+2軸編程加工步驟

要編制五軸3+2的加工程序，必須要明白五軸定位加工的現(xiàn)實(shí)過程，使用PowerMILL軟件現(xiàn)實(shí)五軸3+2加工的全過程如下。

（1）鎖定毛坯到世界坐標(biāo)系

在計(jì)算三軸加工刀路時(shí)，如果毛坯過小，未包圍加工范圍，則只會(huì)在毛坯包圍的范圍內(nèi)生成部分刀具路徑；如毛坯尺寸過大，但是偏離了加工范圍，則會(huì)出現(xiàn)計(jì)算不出刀具路徑的情況。因此，計(jì)算刀具路徑前，一定要確保毛坯包圍住了零件的加工范圍。在五軸定軸加工時(shí)，由于會(huì)使用到用戶坐標(biāo)系，就更要注意這一點(diǎn)。

在創(chuàng)建毛坯時(shí)，毛坯的定位是相對(duì)于世界坐標(biāo)系的，這就意味著，在默認(rèn)情況下，如果用戶創(chuàng)建了一個(gè)毛坯后，轉(zhuǎn)而去使用其它的用戶坐標(biāo)系，那么毛坯就會(huì)“跑掉”。如圖2所示為零件及其世界坐標(biāo)系和毛坯，此時(shí)創(chuàng)建的毛坯正好包圍住了零件，是需要的毛坯大小。為了進(jìn)行3+2軸加工，新創(chuàng)建了一個(gè)用戶坐標(biāo)系，并將該用戶坐標(biāo)系激活，此時(shí)毛坯會(huì)部分偏移出零件，如圖3所示。

圖2 世界坐標(biāo)系下的毛坯

圖3 用戶坐標(biāo)系下的毛坯1

而如果此時(shí)再次使用毛坯對(duì)話框中默認(rèn)參數(shù)重新創(chuàng)建毛坯，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出如圖4所示的毛坯，這個(gè)毛坯與原始毛坯是不同的，其尺寸變大了，不是需要的毛坯，正確的毛坯應(yīng)是圖2所示的毛坯。這時(shí)就需要將新創(chuàng)建的毛坯鎖定到世界坐標(biāo)系。

圖4 用戶坐標(biāo)系下的毛坯2

在PowerMILL系統(tǒng)中，打開毛坯對(duì)話框后，鎖定實(shí)例毛坯到世界坐標(biāo)系的操作過程如圖5所示。

圖5 毛坯設(shè)置

（2）創(chuàng)建并編輯用戶坐標(biāo)系

根據(jù)被加工零件的結(jié)構(gòu)特征分布情況，創(chuàng)建用戶坐標(biāo)系。注意以下幾點(diǎn)：

1）用戶坐標(biāo)系建立在零件外部較安全。

2）Z軸指向零件外部，作為刀軸方向矢量。

圖6 坐標(biāo)系設(shè)置

（3）在用戶坐標(biāo)系下，按照三軸加工零件的編程思路編制3+2軸加工程序。

（4）使用對(duì)刀坐標(biāo)系輸出NC程序。

完成同一個(gè)零件的加工，可能需要多條3+2軸加工刀具路徑，要使用對(duì)刀坐標(biāo)系來輸出這些刀具路徑為NC程序。這涉及到刀具路徑后處理的算法問題，對(duì)于3+2軸加工，實(shí)際上就是將刀軸相對(duì)工件傾斜一個(gè)角度進(jìn)行加工，在后處理時(shí)，將世界坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度到達(dá)編程坐標(biāo)系（即用戶坐標(biāo)系）即可。

4傾斜結(jié)構(gòu)1加工工藝過程

表1中所述工藝流程為該模型的傾斜結(jié)構(gòu)1加工工藝方法。

表1 傾斜結(jié)構(gòu)1加工工藝流程

圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、為編程過程中刀路軌跡與仿真效果圖。

圖7 傾斜結(jié)構(gòu)1（整體）開粗與仿真結(jié)果

圖8 傾斜結(jié)構(gòu)1（孔與鍵槽）開粗與仿真結(jié)果

圖9 傾斜結(jié)構(gòu)1（平面與鍵槽）開粗與仿真結(jié)果

圖10 傾斜結(jié)構(gòu)1（孔）開粗與仿真結(jié)果

圖11 傾斜結(jié)構(gòu)1（底部曲面）開粗與仿真結(jié)果

5機(jī)床仿真切削

對(duì)于多軸加工刀具路徑，不僅僅要考慮刀具與工件的碰撞情況，還要考慮機(jī)床主軸與工件以及工作臺(tái)是否會(huì)發(fā)生干涉。這就要求在仿真加工時(shí)，能將機(jī)床（主要是機(jī)床主軸與工作臺(tái)）也考慮進(jìn)來，五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)多式多樣，所以編程人員在加工零件產(chǎn)品試件切削時(shí)，需要將機(jī)床納入仿真環(huán)境進(jìn)行模擬，確保編程正確。而Delcam PowerMILL系統(tǒng)建立了一個(gè)包括全世界三十多家知名機(jī)床制造商的五軸機(jī)床產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，幾乎囊括了目前市面上所見的全部五軸機(jī)床，所以編程人員只需將五軸機(jī)床數(shù)據(jù)調(diào)入仿真即可，如圖12為本次零件的編程仿真加工過程圖，圖13為零件加工后實(shí)物圖。

圖12 機(jī)床仿真

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)箱體加工實(shí)物

6后置處理操作過程

在PowerMILL資源欄中，右擊刀具路徑“chu-D12”，在彈出的快捷菜單條中選擇“產(chǎn)生獨(dú)立的NC程序”，系統(tǒng)即將刀具路徑chu-D12寫為NC程序chu-D12.如圖14所示。

圖14 編程代碼

在PowerMILL資源欄中，雙擊NC程序樹枝，將它展開。右擊NC程序樹枝下的NC程序chu-D12，在彈出的快捷菜單條中選擇“設(shè)置”，打開NC程序-chu-D12對(duì)話框，如圖15所示設(shè)置參數(shù)。

圖15 3+2軸加工刀路后處理設(shè)置

需要注意的是，在編制3+2軸刀具路徑時(shí)，使用的是用戶坐標(biāo)系，但是在后處理3+2軸刀具路徑為NC程序時(shí)，必須設(shè)置輸出坐標(biāo)系為對(duì)刀坐標(biāo)系（一些數(shù)控編程教材中也稱為工件零點(diǎn)、工件坐標(biāo)系等）。

7結(jié)束語

（1）利用軟件進(jìn)行自動(dòng)編程時(shí)，讀者要掌握這一概念，即軟件計(jì)算粗加工刀具路徑是基于毛坯形狀和零件外形的，因此，在編制3+2軸加工刀具路徑時(shí)，要特別注意毛坯的大小、形狀和位置等，否則，就計(jì)算不出所需要的刀具路徑。

（2）使用3+2軸加工方式，其實(shí)質(zhì)就是傾斜主軸后的三軸加工，將刀軸根據(jù)零件側(cè)面結(jié)構(gòu)特征傾斜，將側(cè)面結(jié)構(gòu)特征轉(zhuǎn)變?yōu)檎娼Y(jié)構(gòu)特征，零件加工的工藝思路、編程過程、程序參數(shù)等內(nèi)容依然使用三軸加工策略來計(jì)算刀具路徑，這樣可以解決絕大部分零件側(cè)面結(jié)構(gòu)特征的機(jī)加工成型問題。

（3）五軸3+2零件加工前，必須進(jìn)行仿真加工，保證零件加工的正確性與機(jī)床加工過程中的安全性

[1]陳濤，周莉.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用[J].模具制造，2012（8）：74-76.

[2]曾鋒，楊忠高，王平.整體葉輪的五軸數(shù)控編程的關(guān)鍵技術(shù)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（2）：29-32.

[3]單巖，聶相虹．POWERMILL數(shù)控編程應(yīng)用實(shí)例[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2006.

Application and Exploration of Five Axis 3+2 Programm ing Based on Powerm ill

FENG Yi-feng
（Guangzhou Light Industry Senior Technical School，Guangzhou Guangdong 510230，China）

Five axis linkage programming and oriented programming and machining features are introduced.The polyhedron，for example onmultiaxis 3+2 programming some basicmethods and skills to do some brief description，for themajority of beginners learning NC programming technology to provide some basic learningmethod.

Powermill；cam；five axis NCmachining；3+2 programming

TH164

A

1672-545X（2016）12-0110-04

2016-09-29

馮一鋒（1986-），男，廣東廣州人，本科，一級(jí)實(shí)習(xí)指導(dǎo)，研究方向：數(shù)控加工技術(shù)。