洪 超

應(yīng)用 Application

PowerMILL五軸加工后處理制作的研究

洪 超

（江蘇科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，江蘇省鎮(zhèn)江市 212000）

研究后處理的主要作用和五軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、特性。針對(duì)PowerMILL 軟件 PostProcessor后處理模塊，以固定龍門搖籃式五軸機(jī)床為例，在標(biāo)準(zhǔn)后處理文件基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了五軸后處理文件的修改、定制方法和創(chuàng)建mach3系統(tǒng)五軸后處理的過(guò)程。

五軸機(jī)床；后處理；PowerMILL

1 引言

隨著產(chǎn)品的幾何設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，尤其是航空、航天、模具以及流體機(jī)械相關(guān)的重要零部件，都需要五軸CNC機(jī)床加工，這類零件的加工要求刀具矢量方向與加工面方向一致，這樣數(shù)控機(jī)床除了平動(dòng)坐標(biāo)軸以外，還應(yīng)有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸。與三軸加工相比較，五軸數(shù)控加工有其自身的特點(diǎn)：明顯地提高了加工效率；改善了加工表面質(zhì)量與準(zhǔn)確度；加工對(duì)象廣泛等。但與此同時(shí)，五軸數(shù)控機(jī)床在加工時(shí)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況比三軸加工要復(fù)雜得多。由于五軸機(jī)床種類、結(jié)構(gòu)和參數(shù)不同，自動(dòng)編程軟件多樣，造成了后處理不能通用，給五軸機(jī)床的普及帶來(lái)很大困難。本文介紹利用 PowerMILL 軟件自帶后處理模塊，研編搖籃式五軸后處理的方法。

2 后置處理的作用和任務(wù)

在數(shù)控程序的編制過(guò)程中，利用CAM軟件根據(jù)走刀方式、刀具和切削用量等設(shè)置計(jì)算刀具軌跡的過(guò)程稱為前置處理。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)軟件以及使前置處理具有更強(qiáng)的通用性，一般在前置處理時(shí)，都不考慮機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)類型及數(shù)控系統(tǒng)的編程指令格式。因此，要獲取數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別的NC程序代碼，就必須將軟件中所得到的刀具軌跡轉(zhuǎn)化為所用數(shù)控機(jī)床的NC程序代碼，這個(gè)過(guò)程即為后置處理。

后置處理的任務(wù)是根據(jù)具體機(jī)床的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制指令格式，將前置處理計(jì)算出的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并按其控制指令的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成數(shù)控機(jī)床的加工程序。后置處理是聯(lián)系CAD／CAM技術(shù)與數(shù)控加工的紐帶，是編制數(shù)控程序的核心技術(shù)之一，也是數(shù)控加工技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分。后置處理的結(jié)果將會(huì)直接影響CAD／CAM自動(dòng)編程軟件的使用效果、機(jī)床的運(yùn)行可靠性及機(jī)床的利用率[1]。

3 五軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和特性

五軸機(jī)床（5 Axis Machining），顧名思義，是指在、、三根常見(jiàn)的直線軸上加上、、三軸中的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，這樣五軸組合就具有不同的運(yùn)動(dòng)方式，以滿足各類產(chǎn)品加工的技術(shù)需求。五軸機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但是主要有以下幾種形式。

（1）雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸（常說(shuō)的搖籃式）：五軸機(jī)是在普通三軸機(jī)的基礎(chǔ)上附加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，又稱為“3+2”軸。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是主軸結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主軸剛性非常好，機(jī)床制造成本較低，同時(shí)軸可以獲得無(wú)限制連續(xù)旋轉(zhuǎn)角度行程，為整體葉片、巧輪和精密模具加工創(chuàng)造了條件，如圖1所示。

圖1 雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床

（2）雙擺軸結(jié)構(gòu)

兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都屬于擺頭類，軸旋轉(zhuǎn)平面為平面，軸旋轉(zhuǎn)平面為平面，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸結(jié)合為一體形成雙擺頭結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是加工過(guò)程中工作臺(tái)不旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)，工件固定在工作臺(tái)上，靜止不動(dòng)，適合加工體積大、重量重的工件，但是主軸在加工過(guò)程中擺動(dòng)，剛性較差，切削量較小。適合加工尺寸較大的零件，如大型的箱體件、巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼等，如圖2所示。

圖2 雙擺軸結(jié)構(gòu)五軸機(jī)床

（3）單擺頭單轉(zhuǎn)臺(tái)五軸

旋轉(zhuǎn)軸為擺頭，旋轉(zhuǎn)平面為平面，旋轉(zhuǎn)軸為轉(zhuǎn)臺(tái)，旋轉(zhuǎn)平面為平面。特點(diǎn)是加工過(guò)程中工作臺(tái)只旋轉(zhuǎn)不擺動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)置簡(jiǎn)單、靈活，同時(shí)具備觀擺軸結(jié)構(gòu)和雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的部分優(yōu)點(diǎn)，加工范圍較廣泛，如圖3所示。

圖3 單擺頭單轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床

4 PowerMILL軟件后處理的制作

目前，國(guó)內(nèi)常用的CAM軟件有PowerMILL、UGNX、MasterCAM和Cimatron等[2]。PowerMILL 是一種專業(yè)的數(shù)控加工自動(dòng)編程軟件，由英國(guó)Delcam公司研制開(kāi)發(fā)。它實(shí)現(xiàn)了CAM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)的分離,更充分發(fā)揮了CAM和CAD各系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，可在網(wǎng)絡(luò)下完成一體化集成, 所以更能適應(yīng)工程化的要求[3]。其廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、家電以及模具等行業(yè)。

PowerMILL軟件提供兩種后處理模塊，即DuctPost和 PostProcessor。前者通過(guò)文字處理軟件進(jìn)行后處理的創(chuàng)建與更改，其修改方便，處理刀位文件速率快，短小精悍；后者是圖形界面的后處理模塊，更加直觀，使用簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，是未來(lái)的發(fā)展方向[4]。本文針對(duì)PowerMILL 軟件 PostProcessor 后處理模塊，定制Mach3系統(tǒng)固定龍門搖籃式機(jī)床（如圖4所示）需要的后處理文件。由于Mach3系統(tǒng)不具備RTCP功能，后處理制作主要是機(jī)床結(jié)構(gòu)制作和機(jī)床控制器程序格式修訂兩方面，滿足固定龍門搖籃式五軸機(jī)床的加工需要。

圖4 固定龍門AC搖籃五軸機(jī)床

4.1 機(jī)床文件.mtd文件制作

機(jī)床配置文件中，一般有三個(gè)部分：機(jī)床上的靜止部件、機(jī)床床身Table上的運(yùn)動(dòng)部件和機(jī)床主軸Head上的運(yùn)動(dòng)部件。機(jī)床靜止部件部分可以沒(méi)有，但是床身Table運(yùn)動(dòng)部件和主軸Head運(yùn)動(dòng)部件部分必須有。

以固定龍門搖籃式機(jī)床為例，根據(jù)機(jī)床的機(jī)構(gòu)，、方向是刀具運(yùn)動(dòng)，、、軸是工件在運(yùn)動(dòng)。則固定龍門上的和軸設(shè)置成Head。軸是工作臺(tái)，、軸在軸上，那么和、軸定義部分設(shè)置成Table。

下面是以軸為例，編寫模塊內(nèi)的代碼：

這定義Z行程限制在±300 mm，軸是刀件運(yùn)動(dòng)，方向向量是（0, 0,1）。

在進(jìn)行數(shù)控編程計(jì)算時(shí)，一律都是假定工件不動(dòng)，按刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)來(lái)編程，所以當(dāng)Table上的工件運(yùn)動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)時(shí)向量則負(fù)。如軸的方向?yàn)楣ぜ\(yùn)動(dòng)部分，則向量要改為（0,-1,0）也就是。

、、、軸都同理編寫模塊后。按照機(jī)床機(jī)構(gòu)排列順序，將定義每個(gè)軸的模塊代碼按格式進(jìn)行組合連接，得到機(jī)床文件*.mtd。

如圖5所示，是固定龍門AC搖籃五軸的機(jī)床文件.mtd。

圖5 固定龍門AC搖籃五軸的機(jī)床文件.mtd

4.2 機(jī)床格式的修改

4.2.1 機(jī)床運(yùn)動(dòng)形式設(shè)置

打開(kāi)PowerMILL2017自帶的后處理軟件 Autodesk Manufacturing Post Processor Utility 2017，單擊File中的Import Option File...，在彈出對(duì)話框中選擇打開(kāi)模板文件5axis-machAC.opt，單擊編輯Editor，在模板文件中增加、軸設(shè)置，修改程序開(kāi)始各軸參數(shù)，快速進(jìn)給，直線進(jìn)給和程序結(jié)尾部分等參數(shù)。

在“Commands”標(biāo)簽中，單擊Program Start，設(shè)置程序起始行。在軸后面增加Machine A和Machine C兩個(gè)軸，設(shè)置各軸加工起始位置參數(shù)，在預(yù)覽框中顯示加工程序代碼如下:GO XO.0 Y0.0 Z100.0 A0.0 C0.0的起始行程序段，如圖6所示。選取需修改軸，單擊Item properties，選擇Vaiue，修改Vaiue參數(shù)，則是修改該軸起始位置坐標(biāo)，如圖7所示。

圖6 程序開(kāi)始格式

圖7 修改軸起始位置

選擇“Move”列表中的直線插補(bǔ)模塊“Move Linear”，機(jī)床直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)設(shè)置如圖8所示，增加旋轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)參數(shù)Machine A和 Machine C兩個(gè)參數(shù)，用來(lái)定義、兩旋轉(zhuǎn)軸，修改兩參數(shù)為坐標(biāo)系格式并且分別加上前綴A、。快速進(jìn)給模塊“Move Rapid”設(shè)置如同。

單擊Program End，同樣添加、軸，設(shè)置程序結(jié)束各軸運(yùn)動(dòng)順序和位置，如圖9所示。修改參數(shù)方法如同起始行設(shè)置。至各項(xiàng)參數(shù)以及數(shù)據(jù)格式符合要求，機(jī)床運(yùn)動(dòng)形式設(shè)置完畢。

圖8 直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)設(shè)置

圖9 程序結(jié)束格式

打開(kāi)“Option File Settings”對(duì)話框，選擇“MachineKinematics”節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)“Kinematics Model”的下拉菜單，選擇 External MTD...，選擇打開(kāi)制作的機(jī)床文件*.mtd，根據(jù)機(jī)床實(shí)際參數(shù)，設(shè)置、、的運(yùn)動(dòng)極限值行程，、軸可旋轉(zhuǎn)極限角度和A軸旋轉(zhuǎn)中心到機(jī)床加工原點(diǎn)的距離，如圖10所示。單擊Preview，預(yù)覽機(jī)床模型及各軸運(yùn)動(dòng)方向和位置，如圖11所示。

圖10 機(jī)床參數(shù)格式

圖11 預(yù)覽機(jī)床模型

由于系統(tǒng)沒(méi)有RTCP功能和刀庫(kù)，其他參數(shù)設(shè)置不變，設(shè)置完成后，選中機(jī)床選項(xiàng)文件*.pmoptz，單擊右鍵選擇保存，完成Powermill五軸固定龍門搖籃式后處理文件的修改編制。

5 結(jié)語(yǔ)

[1] 魯淑葉．基于PowerMILL的五軸加工中心后處理研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，2017．

[2] 范紹平．Delcam PowerMILL五軸后處理研究[J]．現(xiàn)代制造工程，2016(10)：55-60．

[3] 廖海平，曾翠華．基于PowerMILL的后處理及其設(shè)置方法[J]．制造技術(shù)與機(jī)床，2007(8)：122-125．

[4] 魯淑葉．基于Powermill的五軸加工中心后處理的研究[J]．煤礦機(jī)械，2017(10)：78．

[5] 喬世民．機(jī)械制造基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，2003．