李粉霞　李瑞霞　楊興隆

(①山西機電職業(yè)技術學院，山西 長治046011；②長治醫(yī)學院山西長治 046011；③淮海工業(yè)集團有限公司，山西 長治046012)

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基于UG的車銑復合數控機床變軸車削后處理開發(fā)*

李粉霞①李瑞霞②楊興?、?/p>

(①山西機電職業(yè)技術學院，山西 長治046011；②長治醫(yī)學院山西長治 046011；③淮海工業(yè)集團有限公司，山西 長治046012)

針對“軸—孔平滑過渡”類工件在目前加工中，仍采用刀塔夾持車刀的普通數控車床，分別使用外圓車刀和內孔車刀對接加工，表面質量不高的問題。經過長期的實踐嘗試與探索，對UG的后處理事件進行研究，巧妙地運用銑—車轉換的方法，在軟件的CAM自動編程加工中開發(fā)出了新型的“變軸車削”加工功能。實現了在具備主軸定向裝夾車刀的機械結構和BC型一頭一臺五軸聯動插補功能的車銑復合機床上，采用B頭和Z軸聯動連續(xù)變軸車削的難題，更加突顯了復合機床的優(yōu)勢，填補了一項目前UG尚未開發(fā)出的技術空白。

車銑復合；變軸車削；銑—車轉換；后處理

隨著現代制造技術發(fā)展的日趨復雜化、精密化，企業(yè)紛紛引進高端車銑復合數控設備，然而在實際運用過程中，這些設備并沒有物盡其用，有些企業(yè)甚至將此類功能強大的數控設備當普通機床進行使用，造成了極大的浪費。其根本原因在于復雜工件的加工特別是曲面類工件的加工需要CAM軟件自動編程來完成，技術人員無法將機床與軟件進行有機結合。

筆者在與淮海工業(yè)集團技術人員對公司一臺雙通道雙主軸九軸五聯動的車銑復合加工中心進行數控設備后置處理配置過程中，通過不斷的潛心研究與開發(fā)，針對該機床所具備的主軸定向裝夾車刀的機械結構和BC型一頭一臺五軸聯動插補功能，通過對各機構之間的算法研究，開發(fā)其自動加工中的“變軸車”模塊，采用B頭和Z軸聯動加工，實現了變軸車削的這一難題。

1　“軸—孔圓弧平滑過渡”類工件的加工方法分析

車銑復合機床的出現，使得許多復雜工件能夠一次裝夾成形。更主要的是它特殊的幾何結構令“軸—孔圓弧平滑過渡”類產品設計者眼前一亮。如圖1所示工件形狀，一般的數控車床都是刀塔夾持車刀進行加工的，車削此類工件必須分別采用外圓刀和內孔刀對接加工，這樣在交接處就不可避免地留下接印，圓弧的形狀、尺寸都會受到影響。而往往許多設計者又非常希望自己設計的產品外觀漂亮，面對這樣的不足，筆者在對車銑復合機床進行后處理配置過程中，認真對其結構進行分析，發(fā)現其車刀可以由旋轉主軸定向夾持，主軸頭也可以作為一個坐標軸連續(xù)變換角度，利用這樣的機床采用B頭和Z軸聯動進行連續(xù)變軸車削無疑是最佳選擇。

但是現今使用的CAD/CAM軟件卻沒有變軸車削的加工功能，但其有變軸銑加工功能，如果能夠將銑加工加以演化等效為車加工，困難將有望得解。但是由于UG的銑加工不允許調用車刀，其輸出的坐標點又都是針對銑刀的旋轉中心，這樣就會給“銑-車”轉換的設想帶來巨大的麻煩。為了克服這一難題，在后處理具體過程中，研究小組將坐標點從銑刀刀具中心轉換到車刀的刀尖，然后在后置處理時將旋轉主軸設定為工件的旋轉，從而實現了“軸—孔圓弧平滑過渡”類工件的變軸車加工。

2　變軸車后處理開發(fā)的算法研究

(1)球頭銑刀刀位點在擺頭式機床中的坐標計算

在車銑變換之前，先研究一下球頭銑刀在變軸銑加工中的刀位點計算。為了不同層次讀者方便閱讀，筆者在此采用基本三角函數的概念闡述擺頭式機床的幾何運動關系。

如圖2中，O點坐標是UG對于擺頭式機床的輸出坐標，而用戶實際需要的是A點，即球頭刀刀位點的坐標，利用三角函數關系很容易得到A點在機床坐標X和Z方向的坐標值,圖中，

AX=OB=OX+(L1+L2)*cosa

(1)

AZ=AB=OZ-(L1+L2)*sina

(2)

式中：L1代表機床主軸頭旋轉中心到主軸端面的距離；L2代表刀具長度；OX代表UG輸出的o點在X方向的坐標值；OZ代表UG輸出的o點在Z方向的坐標值；a代表實際機床主軸頭即B軸旋轉角度，圖2的角度在右手笛卡爾直角坐標系中取負值。

相應地在UG的后處理的程序編制為：

Set mom_pos(0) [expr $mom_pos(0) + ($fix_length + $mom_tool_length)* cos($mom_out_angle_pos(0) * $DEG2RAD)]；

Set mom_pos(2) [expr $mom_pos(2) - ($fix_length + $mom_tool_length)* sin($mom_out_angle_pos(0) * $DEG2RAD ]；

其中：mom_pos(0)，代表實際加工中刀位點X軸的輸出坐標，對應式(1)中的AX;mom_pos(2)，代表實際加工中刀位點Z軸的輸出坐標，對應式(2)中的AZ;fix_length，代表主軸頭旋轉中心到主軸端面距離L1，為實測固定值；mom_tool_length，代表刀具長度L2，UG系統變量；mom_out_angle_pos(0)，代表B軸旋轉角度，UG系統變量，對應∠AOB即a；DEG2RAD，代表弧度與度的轉換公式(因為UG默認的角度是弧度)。

(2)球頭銑刀初始刀位點與車刀切削點的換算

要想把球頭銑刀的刀位點轉換成車刀的切削點，就要將球頭銑刀在零度時(圖3)的刀尖點即刀位點等效為車刀旋轉其刀片裝夾角度的一半時切削點(圖4)，方便起見以裝夾角度為90°的車刀片論述(實際生產中一般選用35°較好)。由“球頭銑刀刀位點在擺頭式機床中的坐標計算”方法反推回去，可以很容易得到圖5中A點坐標(相當于球頭刀的刀位點)。

從圖5車刀刀片放大圖中分析，可得到的已知條件為：

①△A1AA2與△A1O1C為相似三角形，那么∠A1AA2=∠A1O1C，且均為是刀片裝夾角度的一半。

②O1A3和O1A1均為刀片刀尖半徑。

③車刀最大旋轉半徑, 也可以通過車銑復合機床上配有的雷尼紹自動對刀測頭方便地得到。

④根據式(1)與式(2)的要求，要求出切削點A的坐標還缺少一個條件就是AA1的距離，用車刀最大旋轉半徑減掉O1A3車刀刀尖半徑值)就是AA1的距離。

在后處理器的開發(fā)過程中，要實現這種變換必須給事先后處理器賦予兩個實際條件值，即刀片裝夾角度和車刀最大旋轉半徑，然后利用圖5的三角關系就實現了球頭銑刀刀位點A與車刀切削點C的換算。得出：

(3)

(4)

式中：CX為轉換后車刀切削點C的X坐標值；CZ為轉換后車刀切削點C的Y坐標值；θ為刀具旋轉角度。

說明：分析了球頭刀在零度時與車刀的等效變換后，讀者已經具備了主軸頭擺動到其他非零角度時的變換思想，無非是三角函數再復雜一些而已，只要判斷清楚刀具在不同象限的正負值就會得到正確的mom_pos值，最終目的是為了求得車刀切削點的坐標值。如果機床具備兩個工件工位，后處理應予以區(qū)分正確的初始變換角度。這里主要闡述一種思維方法，具體過程不再贅述。

3　“變軸車削”加工方法的后處理事件定義

(1)“變軸銑-車”加工方法轉換設置

在“變軸銑-車”加工的自動編程過程中，只需要將變軸車類工件的內外輪廓線自然拉伸成很窄的片體作為工件體，這樣可以很好地防止過切的產生；刀具選半徑等于車刀刀片半徑的球頭銑刀，驅動方式選“曲線/點”，選擇工件內外輪廓線作驅動曲線；刀軸選“插補”，以車刀不產生干涉為原則，調整曲線上各個點的刀軸矢量，會得到從外圓到內孔的一條刀軸矢量連續(xù)變化的刀具軌跡即為變軸車的切削軌跡。

(2) 建立“變軸車”用戶定義事件

在實際的使用過程中，為了使用戶更加容易分辨變軸車與變軸銑，在此，建立一個變軸車的用戶定義事件，當此用戶定義事件激活時輸出的程序才是變軸車程序。過程如下：

打開D:Program FilesUGSNX 4.0MACH esourceuser_def_eventude.cdl文件，插入語句：

EVENT variable_axis_turn

{

UI_LABEL "變軸車”

CATEGORY MILL DRILL LATHE

PARAM variable_axis_turn

{

TYPE b

DEFVAL "FALSE"

UI_LABEL "變軸車”

}

PARAM clamp_offset

{

TYPE d

DEFVAL "0.0"

TOGGLE Off

UI_LABEL "刀具裝夾偏置"

}

PARAM clamp_angle

{

TYPE d

DEFVAL "0.0"

TOGGLE Off

UI_LABEL "刀具安裝角度"

}

}

重啟UG,新建變軸車操作，點擊“機床”—“開始事件”—“編輯”，找到“變軸車”雙擊，出現圖6所示，在激活變軸車按鈕后，輸入刀具裝夾角度和刀具裝夾偏置(即車刀最大旋轉半徑)，后處理就認為此時是變軸車。

打開車銑復合機床的TCL文件，添加：

proc MOM_variable_axis_turn { } {

global mom_variable_axis_turn

global mom_clamp_offset

global mom_clamp_angle

}

proc PB_CMD_variable_axis_turn { } {

global mom_tool_axis_type mom_operation_type

global mom_pos mom_out_angle_pos mom_tool_length mom_machine_mode

global mom_variable_axis_turn

if {![string match "MILL" $mom_machine_mode]} {

return

}#車操作退出

if {![info exists mom_variable_axis_turn] || ![string compare $mom_variable_axis_turn"FALSE"] } {

return

} #變軸車用戶事件沒激活時退出

if { ![string compare $mom_variable_axis_turn "TRUE"]} { #只有在變軸車用戶事件激活時條件成立

if { ($mom_tool_axis_type >= 2 &&[string match "Variable-axis *" $mom_operation_type]) } { #只有在變軸銑時條件成立

set fix_length 119.27 #實測的頭旋轉中心到主軸端面的距離

……#后面是mom_pos的計算。

}

}

(3)“變軸車”主軸頭旋轉激活設置

在車銑復合機床中會有多個主軸，由于此方法是有變軸銑轉換而成，所以生成的代碼仍然是銑主軸頭在旋轉，需要在后處理中加入判斷語句，判斷“變軸車”激活與否而控制哪個主軸旋轉。在此，以西門子840D的主軸指定指令為例作一介紹：

假設銑主軸號為3，車主軸號為1。在后處理刀軌開始處添加custom command，內容為：

globalnumb #定義主軸號的全局變量

if { ![string compare $mom_variable_axis_turn "TRUE"]} {

if { ($mom_tool_axis_type >= 2 &&[string match "Variable-axis *" $mom_operation_type]) } {

set numb 1#指定主軸號

}

}

在后處理換刀事件后添加BLOCK:

SETMS($numb)

4　結語

本文針對采用“銑—車轉換”的思維方式在車銑復合機床上實現“變軸車”的幾何算法、編程注意事項、后處理實現進行了較為詳細的論述，通過利用VERICUT軟件進行虛擬仿真，然后在實際加工中經過試切驗證，事實證明該變換方法正確可行，并且可以改善“軸—孔平滑過渡”類工件的表面質量，滿足設計者需求，使車銑復合機床的硬件資源得到充分利用，填補了一項目前UG尚未開發(fā)出的技術空白。

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[8]徐旋波,林勇,彭芳瑜.五軸聯動的后置處理系統設計與實現[J]. 機電工程技術，2005(9):73-74.

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[10]蔣思寶，張宇，劉爽，等.基于UG6.0的DMU125FD車銑復合加工中心后置處理的開發(fā)[J].中國制造業(yè)信息化，2011(5):56-58.

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(編輯譚弘穎)

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The development of variable axis turning postprocessing based on UG for turning-milling machine tool

LI Fenxia①,LI Riuxia②,YANG Xinlong③

(①Shanxi Institute of Mechanical and Electronic Engineering,Changzhi 046011,CHN；②Changzhi Wedicol Couege, Changzhi 046011,CHN;③Huaihai Industries Group Co.,Ltd., Changzhi 046021,CHN)

In the current processing, aiming at "axis- hole slip transition" parts , respectively using a cylindrical turning tool and inner hole tools docking processing in CNC turret, but the problem is surface quality is not high.After a long time of practice and exploration, the author studies the post processing event of UG, and makes use of the conversion method of milling and turning, and develops a new type of "variable axis turning" processing function in the software CAM. Realized the problems of the head B and Z axis adopts the continuous variable axis turning in spindle orientation with clamping tool of the mechanical structure and BC type of a head of a five axis linkage interpolation function of composite milling machine tool.Highlights the advantage of compound machine, filled a technology gap of UG .

turning-milling compound;variable axis turning;milling-turning conversion;post processing

TP391

A

李粉霞，女，1976年生，碩士，副教授，主要從事數控技術多軸加工以及CAD/CAM方面的科研和教學工作。

2015-08-12)

160139

*2012年山西省高等學?？萍佳芯块_發(fā)項目(20121135)，2014年山西省教育科學十二五規(guī)劃課題工業(yè)控制技術虛擬設備教學設備研究與開發(fā)(JH-14042)