佛新崗

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

近年來，伴隨著我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床不僅在軍工企業(yè)得到普及，在中小型企業(yè)也開始普遍裝備多軸機(jī)床。針對不同的客戶需求，市場上出現(xiàn)了種類繁多的多軸機(jī)床，從國產(chǎn)的多軸機(jī)床到國外進(jìn)口的高檔五軸機(jī)床，配置的數(shù)控系統(tǒng)[1]主要有德國的Heidenhain、Siemens、日本的Fanuc等。作為數(shù)控加工的輔助工具，CAM編程軟件也紛紛推出多軸編程模塊以適應(yīng)多軸加工的需求，利用軟件的CAM功能生成加工的刀軌文件。但刀軌文件并不能直接用于機(jī)床加工，而是要經(jīng)過一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換成不同機(jī)床可以識(shí)別的特定加工程序，實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的技術(shù)就是后置處理。因此，后置處理技術(shù)的研究就成了機(jī)床加工的核心技術(shù)。一般情況下，大多數(shù)CAM軟件都帶有三軸以及少量的多軸通用后處理格式文件，但基本上都不能直接用于后處理，需要二次開發(fā)。本文以某航空制造企業(yè)購置的德瑪吉DMU60T擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心為研究對象，借助UG軟件后處理構(gòu)造器開發(fā)其專用后處理文件[2]，并利用全球領(lǐng)先的數(shù)控加工仿真軟件VERICUT驗(yàn)證后處理的正確性和可行性，進(jìn)而為快速高效的使用多軸設(shè)備提供安全保障。

1 后置處理開發(fā)

1.1 后置處理開發(fā)方法與流程

用于多軸加工的常用軟件有UG、MasterCAM、Esprit、Powermill、Hypermill、Cimatron等等，無論哪一款CAM軟件，對應(yīng)的后處理開發(fā)方法主要有以下幾種[3]：①直接將CAM軟件生成的刀位軌跡轉(zhuǎn)換成加工代碼，特點(diǎn)是靈活、方便，但工作量大；②利用類似于UG/Post Builder后處理構(gòu)造器的軟件編制后處理，特點(diǎn)是要同時(shí)熟練掌握CAM軟件和對應(yīng)的后處理模塊功能，難度較高；③購買軟件廠家開發(fā)的配套后處理，特點(diǎn)是價(jià)格昂貴；④使用人機(jī)交互式的專業(yè)軟件自行開發(fā)，特點(diǎn)是專業(yè)性太強(qiáng)。這四種開發(fā)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，這里選擇第二種方案，以UG軟件為例，其開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 后處理開發(fā)流程

1.2 DMG_DMU60T機(jī)床后處理開發(fā)

德瑪吉DMU60T是一款典型的擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，改造后配置數(shù)控系統(tǒng)為Fanuc30i。主要加工材料有硬金屬、軟金屬、合金、鋼結(jié)構(gòu)、塑料、板材、橡膠、玻璃、陶瓷、石材、磁性材料、石墨等，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)體機(jī)床如圖3所示。其主要參數(shù)有：X/Y/Z軸行程為630/560/560 mm、A軸旋轉(zhuǎn)范圍為-91°～12°、刀庫容量為24把、主軸轉(zhuǎn)速為12 000 r/min、X/Y/Z軸進(jìn)給速度為20～10 000 mm/min等[4]。

圖2 機(jī)床結(jié)構(gòu)

圖3 DMU60T機(jī)床

對于一擺頭一轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心機(jī)床，必須先裝夾刀具、裝夾工件，確定刀具的長度和工件在機(jī)床中的位置。而后根據(jù)刀具的實(shí)際長度和工件實(shí)際位置，生成NC程序。系統(tǒng)不帶RTCP、RPCP功能[5-6]，更換刀具或調(diào)整工件裝夾位置后，必須重新生成NC程序。該類機(jī)床的擺臂(樞軸)一般較長，加工時(shí)盡可能選擇較短的刀柄、刀具，在編程時(shí)安全選項(xiàng)的設(shè)置也要合理，避免實(shí)際加工時(shí)各軸超出行程范圍。

按照圖1的設(shè)計(jì)流程開發(fā)專用后置處理流程如下：

(1)搜集機(jī)床數(shù)據(jù)。如表1所示。

表1 機(jī)床數(shù)據(jù)

(2)定制后處理。設(shè)置后處理名稱為5AXIS、單位為毫米、機(jī)床類型為5軸帶轉(zhuǎn)頭和轉(zhuǎn)臺(tái)，如圖4所示。

圖4 選擇機(jī)床

(3)設(shè)置第四軸(B軸)、第五軸(C軸)旋轉(zhuǎn)平面及樞軸距離如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)平面

(4)在程序和刀軌標(biāo)簽中選擇程序，設(shè)置程序起始序列。主要內(nèi)容有：①添加程序初始化指令(G40、G17、G80、G49、G90、G21)；②添加加工時(shí)間(global mom_machine_time MOM_output_literal "(TIME :[ format "%.2f" $mom_machine_time])")。設(shè)置結(jié)果如圖6所示。

圖6 程序起始序列

(5)在程序和刀軌標(biāo)簽中選擇程序，設(shè)置工序起始序列。主要內(nèi)容有：①添加換刀指令；②添加加工坐標(biāo)G54指令，主要是針對機(jī)床零點(diǎn)不在工作臺(tái)中心的機(jī)床，可以通過工件坐標(biāo)系來設(shè)置工作臺(tái)中心點(diǎn)相對于機(jī)床零點(diǎn)的偏置。設(shè)置結(jié)果如圖7所示。

(6)在程序和刀軌標(biāo)簽中選擇程序，設(shè)置刀徑/運(yùn)動(dòng)。主要內(nèi)容有：打開快速移動(dòng)對話框，設(shè)置GOO快速定位各軸的運(yùn)動(dòng)順序，如圖8所示。為避免刀具快速

圖7 工序起始序列

移動(dòng)是發(fā)生刀具和工件碰撞，在刀具快速定位時(shí)，通常先旋轉(zhuǎn)B、C軸，而后是定義X、Y、Z軸定位并接近工件，避免直線軸和旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)快速移動(dòng)[7]。

圖8 快速移動(dòng)設(shè)置

(7)在程序和刀軌標(biāo)簽中選擇程序，設(shè)置工序結(jié)束序列。主要內(nèi)容有：①添加主軸關(guān)、冷卻液關(guān)指令；②添加Z軸退刀指令(為避免在下一個(gè)操作中B、C軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，造成刀具和工件的碰撞，在每一個(gè)操作結(jié)束時(shí)，Z軸要退回正向最遠(yuǎn)點(diǎn))；③添加BC軸回零指令。設(shè)置截圖如圖9所示。

圖9 工序結(jié)束序列

(8)在程序和刀軌標(biāo)簽中選擇程序，設(shè)置程序結(jié)束序列。主要內(nèi)容有：添加程序結(jié)束M30指令。

(9)保存退出。在保存目錄下會(huì)生成 3 個(gè)文件，分別是:5AXIS. def 、5AXIS. tcl、5AXIS.pui，其中.def為定義 NC 輸出格式，.pui為下次再次編輯文件，.tcl為處理事件生成器發(fā)送過來的事件，并提供處理方式，在后處理的安裝目下打開后處理配置文件template_post，添加以上生成的后處理文件。

2 產(chǎn)品加工

2.1 工藝設(shè)計(jì)

零件材料為A2618，毛坯為預(yù)加工件，部分零件長度、直徑尺寸已經(jīng)精加工到位，無須再加工。零件選用5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心(BC軸)，敞開式液壓殼體專用夾具裝夾，遵循先粗后精加工原則：粗加工-半精加工-精加工。零件加工程序單如表2所示。

表2 零件加工程序單

2.2 生成加工刀路

以UG NX12.0軟件為平臺(tái)，采用mill_multi-blade[8-9]模塊功能完成航空葉輪加工的刀軌設(shè)計(jì)，生成的刀軌如圖10～圖13所示。

2.3 仿真加工

使用VERICUT軟件對零件進(jìn)行NC仿真加工，首先是要構(gòu)建用于模擬仿真的虛擬機(jī)床。首先根據(jù)機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)等要求在VERICUT軟件中搭建機(jī)床框架。將在UG軟件中建好的機(jī)床主體、刀庫、操作面板、清理機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、主軸、夾具、X、Y、Z、B、C 軸等零部件模型按照機(jī)床架構(gòu)依次導(dǎo)入到VERICUT對應(yīng)的組件模型中，同時(shí)添加機(jī)床配套的數(shù)控系統(tǒng)。

圖10 葉輪開粗

圖11 輪轂精加工

圖12 主葉片精加工

圖13 分流葉片精加工

機(jī)床各部件設(shè)置完成后，然后對該虛擬機(jī)床進(jìn)行初始化設(shè)置，在菜單“機(jī)床/控制系統(tǒng)→機(jī)床設(shè)定”對話框中通常根據(jù)機(jī)床的工作參數(shù)，對各軸的行程極限、初始位置、優(yōu)先軸、碰撞檢查等選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。完成以上設(shè)置后，在VERICUT軟件中就建立了如圖14所示的DMU60T虛擬機(jī)床[10]。

利用前期開發(fā)的后處理文件生成航空葉輪加工G代碼程序。利用全球領(lǐng)先的數(shù)控加工程序驗(yàn)證、機(jī)床模擬、工藝程序優(yōu)化，專業(yè)的數(shù)控加工仿真軟件VERTICUT完成航空葉輪的仿真加工(刀具長度設(shè)置要和實(shí)際刀具長度一致)，結(jié)果如圖14所示，仿真過程沒有出現(xiàn)干涉、碰撞等問題。

2.4 實(shí)體加工

利用UG軟件完成航空葉輪的刀路規(guī)劃以及采用前期開發(fā)的專用后處理器生成NC程序仿真無誤后。為了驗(yàn)證該方法的高精度和高效性，在德瑪吉DMU60T機(jī)床對航空葉輪進(jìn)行了實(shí)體加工驗(yàn)證，結(jié)果如圖15所示，經(jīng)檢驗(yàn)各項(xiàng)加工指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

圖14 仿真加工

圖15 實(shí)體零件

3 結(jié) 語

利用UG和VERICUT軟件開發(fā)了德瑪吉DMU60T機(jī)床配套數(shù)控系統(tǒng)的專用后置處理，并經(jīng)過加工驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1)UG軟件的CAD/CAM功能非常強(qiáng)大，參數(shù)化建模簡單易用，后處理開發(fā)模塊非常人性化。

(2)VERICUT軟件仿真真實(shí)度高，對于實(shí)體加工提供了極高的安全保障。

(3)開發(fā)的后置處理經(jīng)過加工驗(yàn)證，滿足企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量要求，極大程度提高了設(shè)備的使用效率，降低了生產(chǎn)成本。