王沿斌

（廣州市技師學(xué)院，廣東廣州 510410）

1 引言

5軸機(jī)床作為一種高檔數(shù)控機(jī)床，具有精密復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)工件“一次裝夾、多面加工”的高精度制造，是工業(yè)母機(jī)中的高端裝備。其與普通數(shù)控機(jī)床的區(qū)別之處在于多出2個(gè)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通常為旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)（Axis with Rotary Table，簡(jiǎn)稱(chēng)T）和旋轉(zhuǎn)主軸頭（Axis with Rotary Hesd，簡(jiǎn)稱(chēng)H）。兩種結(jié)構(gòu)相組合形成了3種機(jī)床形態(tài)，即雙旋轉(zhuǎn)主軸頭、雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和混合型（旋轉(zhuǎn)主軸+旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)）。行業(yè)內(nèi)常用4個(gè)字母區(qū)分上述不同形態(tài)，其中第1、2個(gè)字母則表示第4軸的結(jié)構(gòu)和名稱(chēng)，第3、4個(gè)字母則表示第5軸的結(jié)構(gòu)和名稱(chēng)，比如：HAHB、HATC、TATC等，如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)5軸機(jī)床形態(tài)

5軸機(jī)床同樣需要G代碼程序控制運(yùn)行，目前主流的程序格式是依據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)，把CAM刀具路徑軌跡點(diǎn)解算成各直線(xiàn)軸坐標(biāo)值和旋轉(zhuǎn)軸角度，再分別控制各軸運(yùn)動(dòng)。由于5軸機(jī)床結(jié)構(gòu)的不同，同一條CAM刀具路徑軌跡的解算結(jié)果必然完全不同[1]，因此能針對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的后處理成為了5軸技術(shù)應(yīng)用的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

NX作為一款普遍使用的CAM軟件，其后處理模塊NX/Post Builder預(yù)制了常見(jiàn)機(jī)床形態(tài)，具有很高的開(kāi)放性，用戶(hù)可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)后處理，在行業(yè)內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。本文以天津安卡爾公司的T180U 5軸機(jī)床為例，介紹了一種適用于Fanuc系統(tǒng)的B、C軸雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)（即TBTC型）5軸機(jī)床的NX/Post Builder（NX10及以上版本）后處理設(shè)計(jì)過(guò)程，如圖2所示。

圖2 Post Builder和T180U型5軸機(jī)床

2 5軸后處理設(shè)計(jì)思路

CAM軟件編制的5軸加工刀具路徑軌跡通常可分為3種模式[2]：第一種是坐標(biāo)系無(wú)旋轉(zhuǎn)角度變化的刀軸方向固定軸加工模式，即3軸模式；第二種是坐標(biāo)系有旋轉(zhuǎn)角度但刀軸方向固定的加工模式，即5軸定軸模式，又稱(chēng)“3+2”模式；第三種是刀軸方向連續(xù)變化的加工模式，即聯(lián)動(dòng)模式，如圖3所示。

圖3 5軸加工3種模式

目前各種主流數(shù)控系統(tǒng)中，以上3種模式都有固定的程序表達(dá)格式，不同系統(tǒng)之間存在代碼形式和功能的差異，但基本工作流程一致。T180U 5軸機(jī)床是一種雙旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)TBTC型5軸，配置與Fanuc系統(tǒng)兼容的廣數(shù)GSK21系統(tǒng)，其3種模式分別對(duì)應(yīng)的程序段格式舉例說(shuō)明如表1所示。

表1 Fanuc系統(tǒng)3種模式程序格式

由表1可見(jiàn)，3種模式均是先XY定位再Z軸進(jìn)刀的安全策略，其中3+2模式下先旋轉(zhuǎn)B/C軸，再使用G68.2和G53.1將工作坐標(biāo)系傾斜旋轉(zhuǎn)、擺正刀軸，最后分步進(jìn)行XY移動(dòng)定位和Z軸帶刀長(zhǎng)補(bǔ)償進(jìn)刀；聯(lián)動(dòng)模式先在G68.2傾斜工作坐標(biāo)系下完成與3+2模式相同的Z軸帶刀長(zhǎng)補(bǔ)償進(jìn)刀，用G69取消旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，切換回編程坐標(biāo)系，再輸出G43.4開(kāi)啟5軸機(jī)床RTCP功能，實(shí)現(xiàn)安全多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)[3]。

實(shí)際生產(chǎn)中，CNC編程員通常不需要考慮以上加工模式，直接用同一個(gè)后處理輸出所有程序。因此，后處理如果不能自動(dòng)判斷加工模式，輸出的程序極有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全，后處理開(kāi)發(fā)的核心目標(biāo)之一便是能按照指定系統(tǒng)格式要求，同時(shí)輸出3種模式狀態(tài)下的正確代碼，其中最關(guān)鍵的技術(shù)便是準(zhǔn)確判斷刀軸變化和坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)。5軸后處理基本過(guò)程如圖4所示。

圖4 5軸后處理過(guò)程

綜上所述，5軸后處理的設(shè)計(jì)思路是：依據(jù)5軸機(jī)床實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用NX/Post Builder提供的可以自由選擇的機(jī)床結(jié)構(gòu)模板搭建基礎(chǔ)框架，使用判斷條件區(qū)分3種加工模式，編寫(xiě)用戶(hù)自定義命令，最終按不同加工模式的格式要求輸出表1中的代碼。

3 3種模式的判斷邏輯

NX/Post Builder的自帶模板已經(jīng)集成了許多內(nèi)部函數(shù)變量和判斷條件供用戶(hù)使用，通過(guò)查詢(xún)比較內(nèi)部函數(shù)變量“toolpath_axis_num”的賦值，當(dāng)為“5”時(shí)表示當(dāng)前刀具路徑軌跡采用聯(lián)動(dòng)模式，否則有兩種可能：一種是工作坐標(biāo)系無(wú)變化的固定軸3軸加工模式；另一種是工作坐標(biāo)系變化但刀軸方向固定的“3+2”模式。通過(guò)繼續(xù)查詢(xún)比較內(nèi)部函數(shù)變量“coord_rot”的賦值再次斷上述兩種模式，當(dāng)值為“AUTO_3D”則判斷“3+2”軸模式，當(dāng)值為“NONE”判斷為3軸模式。判斷邏輯如圖5所示。

圖5 3種模式判斷邏輯

4 NX后處理開(kāi)發(fā)過(guò)程

4.1 后處理模板選擇

NX/Post Builder的后處理模板在安裝目錄MACH esourcelibrarymachineinstalled_machines文件夾內(nèi)，包含了從車(chē)削到5軸銑削的各種常規(guī)模式，本文選用了sim06_mill_5ax_fanuc_mm模板，該模板是Fanuc系統(tǒng)的TBTC型5軸結(jié)構(gòu)，參照U180機(jī)床的真實(shí)旋轉(zhuǎn)軸極限修改B軸旋轉(zhuǎn)限制角為（0,-110）°，查看旋轉(zhuǎn)軸配置如圖6所示。

圖6 調(diào)用模板配置旋轉(zhuǎn)軸

4.2 創(chuàng)建自定義功能“塊”

NX/Post Builder的N/C數(shù)據(jù)定義允許用戶(hù)自定義輸出的G代碼格式“塊”，按照表1所規(guī)定的程序格式，可將一些需要輸出的關(guān)鍵代碼格式，如：將初始XY移動(dòng)制作成“G00XY”塊，如圖7所示。

在自定義命令中通過(guò)“MOM_do_template”語(yǔ)句，可將“塊”在指定位置輸出為指定G代碼，提高程序可讀性，降低后處理制作難度?！皦K”的制作過(guò)程與3軸后處理制作類(lèi)似，可以通過(guò)拖拽或編輯文本實(shí)現(xiàn)，每個(gè)“塊”都可以根據(jù)需要自定義名字和功能，具體操作步驟本文不做詳細(xì)介紹。按照表1中3種模式所需要的功能，通過(guò)自定義本文和調(diào)用模板創(chuàng)建了相關(guān)的

圖7 創(chuàng)建“G00XY”塊

表2 “塊”及其功能

4.3 創(chuàng)建自定義命令

NX/Post Builder的“程序”欄是控制后處理流程的工具欄，NX自帶模板已經(jīng)提供了較完整的功能，通過(guò)對(duì)工序起始/結(jié)束序列進(jìn)行自定義修改就可以滿(mǎn)足后處理需求。本文通過(guò)在“工序起始序列”添加自定義命令，用于實(shí)現(xiàn)5軸機(jī)床加工時(shí)的3種加工模式的判斷和相應(yīng)程序代碼輸出，詳細(xì)代碼及代碼說(shuō)明如表3所示。

表3 用于判別輸出3種模式的自定義命令

（續(xù)表3）

將圖7中的代碼輸入自定義命令中，并在自定義命令最前部添加語(yǔ)句初始化自定義命令，如圖8所示。其中“globla”語(yǔ)句用于定義全局變量，“set”語(yǔ)句用于初始化“coord_rot”值，該值如果不提前初始化會(huì)把判斷3+2軸模式也判斷為3軸模式。

圖8 編寫(xiě)自定義命令

最后將該自定義命令分別添加在“工序起始序列”中的“初始移動(dòng)”和“第一次移動(dòng)”中的最后一行，使自定義命令在模板現(xiàn)有功能基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)5軸加工的3種模式判斷，如圖9所示。

圖9 添加自定義命令

4.4 修改完善后處理

在每個(gè)工序結(jié)束后都應(yīng)該復(fù)位系統(tǒng)坐標(biāo)值，防止旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)對(duì)后續(xù)工序的影響，實(shí)現(xiàn)3+2定軸模式和聯(lián)動(dòng)模式的混合刀具路徑輸出。NX自帶“PB_PMD_reset_all_motion_variables_to_zero”命 令 在NX/Post Builder的模板中已經(jīng)存在，只需要找出并添加至“工序結(jié)束序列”中的“刀軌結(jié)束”欄即可，如圖10所示。

模板在初始移動(dòng)和第一次移動(dòng)中自帶的G68.2和G68命令，與上述自定義的命令會(huì)產(chǎn)生沖突，應(yīng)及時(shí)刪除模板多余指令，如圖11所示。

圖10 添加運(yùn)動(dòng)變量初始化命令

圖11 刪除多余G68.2/G68命令

為了保證多工序之間的旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)安全，可將“工序結(jié)束序列”的“刀軌結(jié)束”欄中的“G91 G28 Z0.”和“G91 G28 X0.Y0.”程序段的判斷條件刪除，實(shí)現(xiàn)在每道工序完成后提刀后再旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，避免碰撞干涉，如圖12所示。

圖12 刀軌結(jié)束提刀

最后還可以依據(jù)實(shí)際需求在后處理工序起始序列中添加一些M功能代碼和自定義命令[4]，用以輸出冷卻液開(kāi)/關(guān)、當(dāng)前刀具直徑和長(zhǎng)度等信息，最終達(dá)到理想的G代碼程序格式輸出，如圖13所示。至此，一個(gè)基于Fanuc系統(tǒng)的TBTC 5軸后處理基本制作完成。

圖13 自定義命令輸出刀具信息

5 后處理程序及驗(yàn)證

筆者選擇了一個(gè)測(cè)試樣件并用NX編寫(xiě)了刀具加工軌跡，該加工軌跡包括2把不同刀具，分別使用了3軸模式銑削頂平面、“3+2”定軸模式開(kāi)粗及銑孔、聯(lián)動(dòng)模式精銑及刻字等15條程序，各個(gè)模式存在相互混合，如圖14所示。

圖14 測(cè)試模型及導(dǎo)軌程序

將上述程序用本文制作的后處理直接生成一個(gè)NC代碼文件，導(dǎo)入仿真軟件VERICUT中進(jìn)行模擬加工[5]，運(yùn)行結(jié)果顯示無(wú)刀具干涉和碰撞，通過(guò)軟件仿真初步證明本文制作的后處理安全正確。仿真加工效果如圖15所示。

再將NC代碼文件輸入T180U 5軸機(jī)床，安裝毛坯、刀具并設(shè)置坐標(biāo)系后自動(dòng)運(yùn)行程序，機(jī)床按照程序安全完成測(cè)試樣件加工，加工過(guò)程和最終工件加工效果如圖16所示。

圖15 VERICUT仿真測(cè)試

圖16 上機(jī)加工測(cè)試樣件

6 結(jié)論

后處理開(kāi)發(fā)是CAM技術(shù)和5軸機(jī)床應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán)，本文介紹的通過(guò)修改NX模板定制5軸后處理的方法簡(jiǎn)單高效并通過(guò)了實(shí)際加工驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的自定義命令可以準(zhǔn)確判斷加工模式并按具體格式輸出指定代碼，對(duì)于企業(yè)技術(shù)人員和院校師生學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)5軸后處理具有一定的參考和推廣價(jià)值。