基于UG軟件的五軸數控加工后置處理研究

冉啟軍 張玉峰

(貴州航天烏江機電設備有限責任公司，貴州遵義563003)

本文結合公司使用過的高精度五軸萬能鏜銑床UPC800的加工經驗，對五軸加工中的一些關鍵問題進行了分析與研究。此舉有助于掌握相關關鍵技術、提高先進制造技術理論水平，還有利于在實際生產中更好地發揮多軸機床加工后置處理，供同行們參考。

1 五軸機床的相關數學模型

一般五軸聯動數控機床由3個平動軸和2個回轉軸構成。根據運動軸配置的不同，五軸聯動數控機床的結構類型按軸的分布可以分為3種基本類型。本文只針對公司使用的萬能銑床UCP800進行技術研究。

萬能銑床UCP800的結構形式為A-C雙轉臺的五軸聯動數控機床。A和C的值完全是由刀軸矢量確定的，因為對于UCP800機床來講，刀具不能任意地轉動，只能在XZ平面內平移，要想使刀具中心相對于工件傾斜必須通過轉動第4軸和第5軸來實現。針對后置而言，是后置處理文件把刀軸矢量和刀心坐標分別輸出，但是對于機床來講只要同時給出5個坐標就可以完整地進行加工。圖1所示為轉換坐標的主要步驟。

為描述該五軸機床的運動，建立圖2所示坐標系統，其中坐標系OWXWYWZW為與工件固聯的工件坐標系，前置刀位數據是在該坐標系中給出;OtXtYtZt為與刀具固聯的坐標系，成為刀具坐標系，其原點設在刀位點上，其坐標軸方向與機床坐標系一致;OmXmYmZm為與定軸A'固聯的坐標系，其原點Om為兩回轉軸的交點，其坐標軸方向與機床坐標系一致。顯然，其運動關系即是刀具坐標系OtXtYtZt相對于工件坐標系OWXWYWZW的變換關系。它可進一步分解為OtXtYtZt相對于OWXWYWZW的平動和OmXmYmZm相對于OWXWYWZW的轉動。

如圖2所示，設動軸C'的軸線平行于Z軸的狀態為機床初始狀態。此時，工作臺與Z軸垂直，工件坐標系的方向與機床坐標系一致，刀具坐標系與工件坐標系原點重合，交點Om的位置矢量記為 rm(mx，my，mz)。在刀具坐標中，刀具的位置和刀軸矢量分別為［0 0 0］T和［0 0 1］T，記機床平動軸相對于初始狀態的位置為rs(sx，sy，sz)，回轉軸A、C相對于初始狀態的角度為θA和θC(逆時針方向為正)。此時，工件坐標系中刀軸方向和刀具位置矢量分別為 u(ux，uy，uz)和 rp(px，py，pz)。

由機床運動鏈進行坐標轉換，可得

式中，T和R分別為平移和回轉運動的齊次坐標變換矩陣。由式(1)和式(2)可得

式(3)和(4)即是所求機床的運動變換，它表達了刀具相對于工件的位置與方向隨機床的運動變化。將刀位數據賦給 u(ux，uy，uz)和 rp(px，py，pz)，則可由此計算滿足加工要求的機床回轉角度θA、θC及平動位移sx，sy，sz。由式(3)和(4)可得到機床運動坐標為

由式(5)和式(6)可知，θA和 θC可能有兩個解，且具體象限應按運動的連續性來確定。θA取值要符合其行程范圍;θC由式(3)可知，滿足 sinθC=ux/sinθA和cosθC=uy/sinθA。由機床工作參數可知:

A軸為擺動軸，行程為-45°～90°C軸為旋轉軸，行程為0°～360°

2 UCP800五軸專用后置處理器開發

該五軸聯動加工中心專用后置處理器是在三軸后置處理器的基礎上開發的。原來三軸后置處理器輸出的是X、Y、Z值，五軸加工還需要輸出第四和第五軸的A、C角度。我們在三軸后置處理器的基礎上經過添加修改，然后用戶化，快速開發了五軸后置處理器。采用的是UG配帶提供一個后置處理器(UG/Post)來進行修改。采用UG/Post Builder建立UCP800萬能鏜銑床的HEIDEHAIN數控系統。確定第4、5軸，并確定超程處理方式為第二種(圖3)。輸入第4、5軸的行程范圍，修改其他輸出格式至滿足需要。需要注意的一個問題是在對快速移動動作編輯時，不要選中“Work Plane Change”(圖4)，否則退刀時不能沿刀軸方向退刀，會造成刀具折斷及銑傷工件現象。最后生成后置處理程序并加入 UG后置處理配置模版(template_post.dat)。

用文本編輯器打開生成的事件處理文件(.tcl)，修改proc PB_CMD_init_rotary事件處理器。設置如下:

其作用為修改退刀方式固定距離，假設刀尖至擺動中心距離為250 mm，輸入退刀距離250 mm，并輸入進刀距離20 mm。修改 proc ROTARY_AXIS_RETRACT事件處理器，在圖5所示位置增加:

其作用為在數控程序中強制輸出A0，其位置在退刀后，C軸反轉360°前。在本事件處理器中修改如圖6位置，增加:

其作用為在數控程序中強制輸出原A軸角度，其位置在C軸反轉360°后，返回進刀點前。

3 后置處理論證

本實例以公司需要加工變外徑螺柱工件為例，其中一個的UG CAD造型如圖7所示。兩工件的螺旋線是自由曲線，螺旋面是自由曲面。對后置處理進行仿真論證。

該工件的加工過程如圖8所示。工件螺旋軸向截面成橫臥的U型，寬約7 mm，底部為一段半徑為2.5 mm的圓弧。U型槽分成上下兩對稱部分，采用直徑5 mm的球頭銑刀，分兩道工序加工完成。加工中軸向進給為0.08 mm，徑向進給為0.5 mm，U型槽底部的弧線由球頭銑刀直接成形。

第一道工序切削U型槽的上半部分。由于主軸只能在XZ平面內平動，在切削前，A軸需要轉動到-90°位置，使刀具平行于U型槽的中心線。切削時刀具首先在螺旋線的開始端進行徑向進給，然后通過三根直線運動軸和C軸的聯動，沿著螺旋線一直切削到末端;接著進行軸向和徑向的聯動進給，其中徑向進給為主進給，再沿著螺旋線切削返回到開始端;繼續進行聯動進給，并按照前面所述路線進行切削，直至該道工序完成。第二道工序切削U型槽的下半部分，加工工藝和第一道工序相似。通過這兩道工序完成整個螺旋面的加工。

通過修改事件處理文件(.tcl)，實現了數控程序按指定方式輸出。經仿真驗證及實際加工驗證，該后置處理能夠完成處理工作。經過后置的程序如圖9。

4 結語

采用開發的后置處理技術對葉輪零件進行了五軸聯動加工，加工后的零件精度滿足設計要求，證明提出的后置處理技術的正確性。通過本文研究，實現了該加工中心NC程序高效、可靠編制，以及工件偏置安裝軸聯動數控加工，也為實現復雜型面零件在該加工中心的高效數控加工奠定基礎。

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