五軸聯動機床(A-B轉臺)后置處理設計及數控仿真

1.引言

五軸聯動數控加工系統廣泛用于加工復雜曲面，這種先進的加工系統對我國航空、航天等領域的精細加工有著舉足輕重的作用。UG是廣泛應用的建模及加工仿真軟件。探索UG的通用后置處理系統與專用數控系統的結合，具有重要意義。

VERICUT是數控加工仿真軟件，它可實現對機床、刀具、工件加工過程的可視化，對于減少報廢、節約材料和提高制造的技術水平都有深遠影響。

2.基于UG的CAM數控加工

Unigraphics Sloutions公司（簡稱UGS）是全球知名的美國MCAD供應商，UG是其推出的集CAD/CAM/CAE為一體的三維參數化設計軟件，也是世界先進的計算機輔助設計與制造軟件。

UG包含的眾多功能模塊，涉及到工業設計與制造的各個層面。UG的工業設計制造流程為：

2.1 UG CAM簡介

UG CAM即加工制造模塊，是UG的重要模塊之一。其主要功能是承擔交互式圖形編程（數控編程），即針對CAD三維模型所包含的產品幾何表面信息，進行數控加工刀未軌跡的自動計算。UG CAM模擬制造的過程可概述為：根據設置的工藝方案參數，生成數控程序，即 導出以“.cls”為后 綴的刀位軌跡文件。

2.2 UG CAM后置處理現狀

圖1 A-B雙轉臺結構機床坐標系統

圖2 后置處理程序流程

UG與目前市場上流行的其他CAD/CAM軟件一樣，帶有自己的后置處理模塊。但是目前沒有開放五軸聯動非線性誤差校核和非線性誤差控制功能。由于不同結構（雙轉臺、雙擺頭、擺頭—轉臺）的五軸聯動數控機床具有自身的結構特點和制約機床加工質量的關鍵結構參數，通用后置處理系統很難在生成數控程序時，全面而有針對性地考慮機床自身結構特點所造成的非線性誤差。因此，目前國內很多CAD/CAM系統的用戶對軟件的使用主要是CAD模塊，對CAM模塊的應用效率不高，一個關鍵原因就是軟件只配備了通用后置處理系統，而用戶沒有根據具體的數控機床特點進行必要的二次開發，由此生成的代碼還需要人工做大量修改，嚴重影響CAM模塊的應用效果。

后置處理的任務是對數控編程所導出的刀位文件進行處理，生成指定數控機床的控制指令。盡管各廠家數控機床的具體功能和指令系統存在著差異，但后置處理的過程卻有不少相似之處。因此，對主要的CAD/CAM系統進行探索，將其通用后置處理與各種數控系統及數控機床相結合，解決 數控加工的矛盾，具有較大工程應用價值和意義。

本文將以西門子840D數控系統為例，將UG CAM所導出 的CLSF刀位軌跡文件經過后置處理導出西門子840D數控系統所應用的ISO加工指令。

3.后置處理

后置處理的目標是根據西門子840D的機床運動結構，將UG CAM系統生成的前置刀位數據轉換成機床各軸的運動數據，并按其控制指令格式進行轉換，成為西門子840D機床的加工程序。

機床的運動變換時，應考慮行程范圍，若有超程現象，則需對運動軸進行重新選擇或對其編程工藝作相應修改。此外，為提高加工精度，運動變換中還應進一步考慮機床結構誤差，在加工程序上給予補償修正。

3.1 數控機床坐標軸的定義

數控機床的坐標軸和方向命名有統一的標準，規定直線進給坐標軸用符合右手笛卡爾坐標系的X，Y，Z表示，稱為 基本坐標軸。圍繞X，Y，Z旋轉的圓周進給坐標軸分別用A，B，C表示，+A、+B、+C方向符合右手螺旋定則。

數控機床的進給運動，有的由主軸帶動刀具運動來實現，有的由工作臺帶動工件運動來實現。上述坐標軸正向，是假定工件不動，刀具相對于工件做進給運動的方向。如果是工件移動，則用加“＇”的字母表示，按相對運動的關系，工件運動方向恰好與刀具運動方向相反，即有：

圖3 工件的CAD模型

圖4 作為輸入的刀位文件

圖5 調用程序

圖6 輸出的代碼文件

在實際三直線軸聯動機床上，一般不關心是工作臺運動還是刀具運動，因為機床廠家均按國際標準來定義機床的坐標系。多軸聯動的回轉軸運動，包括刀具擺動、工作臺回轉，這就要求后處理程序針對不同情況進行不同的計算，將刀位文件中刀具軌跡坐標轉換為機床坐標及相應的回轉角度，通過代碼轉換將它們轉換成指定數控機床能執行的數控程序。

3.2 A＇—B＇型數控機床的運動模型算法

此種結構的機床運動鏈的構成如圖1所示，由于平移矩陣連乘與平移順序無關，故此種機床的運動建模可以歸為如下一種過程。

為描述機床的運動，建立如圖1所示坐標系統，其中OmXmYmZm為與定軸A＇固聯的坐標系，與機床坐標系一 致，運動關系即刀具坐標系OtXtYtZt相對于工件坐標系OwXwYwZw的變換關系。

對于圖1所示機床坐標系統，設動軸B＇的軸線平行于Y軸的狀態為初始狀態。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，記Om的位置矢量分別為u（ux，uy，uz）和rp（px，py，pz）。

由機床運動鏈進行坐標變換，可得：

其中，T和R分別為平移和回轉運動的齊次坐標變換矩陣：

將T和R分別代入（1）和（2）兩式可得：

由以上兩式可得機床各運動軸坐標分量為：

對于θA求解，需根據uy的取值情況按以下分類進行：

圖7 A-B雙轉臺五軸聯動數控機床模型

圖8 可變軸加工中，刀具始終過點（0 0 50）

圖9 VERICUT工件加工效果

對于θB求解，則要根據ux和uz的取值情況按以下分類進行：

由式(9)(10)可知，θA和θB的解都可能不唯一，θA和θB值的最終確定需要編寫程序進行處理，編寫程序流程圖將在3.3節詳細說明。

3.3 后置處理流程設計

圖10 后置處理程序流程圖

后置處理就是根據數控系統規定的指令格式將機床運動數 據轉換成機床程序代碼，其處理程序的邏輯模式為圖2。

根據圖2邏輯模式和3.1節中坐標轉換的求解結果式(9)(10)(11)(θA和θB的解不唯一)，編寫后置處理程序，流程圖為圖10。

實際計算時需要根據它們的限制條件合理地確定θA和θB的取值，另外對于有多個合理解的轉角θB取較小的絕對值以提高機床效率。圖10中fa、fb分別為式(9)(10)求得的原始θA和θB值，而a、a1、b、b1分別保存滿足θA和θB的取值的兩組值。當θA和θB有多組取值時，在實際應用中優先取θB絕對值較小的一組，當機床運動超程后取另一組數據。

4.數控加工仿真實例

以利用西門子840D機床加工一個不規則曲面腔體為例，如圖3。首先通過UG CAM通用的后置處理系統，導出刀位文件“1.cls”，用記事本打開該文件如圖4。

然后通過專用開發的后置處理程序，重新編制其在機加 工中的程序代碼。在Visual C++中編譯后置處理程序并運行如圖5，在提示下分別鍵入輸入及輸出文件。輸入文件為“1.cls”，輸出文件即為數控代碼文件“1.mcd”，如圖6。該MCD文件即為西門子840D數控系統的代碼文件。

5.VERICUT加工仿真結果

上節中所生成的代碼文件，可在VERICUT軟件中進行虛擬現實的仿真驗證。VERICUT軟件具有強大的三維加工仿真、驗證、優化等功能。通過模擬機床的加工過程，能夠真實地反映加工過程中遇到的各種問題，包括加工編程中的刀具軌跡、工件過切的情況和刀、夾具 運動干涉錯誤，甚至可以直接代替實際加工過程中試切的工作。

首先，在數控加工仿真軟件VERICUT中對虛擬數控機床西門子840D進行建模，如圖7。然后建立刀具、夾具并完成系統參數的設置。在可變軸銑的工序中，設定刀具始終通過工件上方一點（0 0 50），可以彌補固定軸銑的不足。

最后在VERICUT系統中運行“1.mcd”代碼文件，模擬工件加工過程及結果為圖8、9所示。

由于在后置處理程序設計中加入提刀動作，有效地防止因“急促”地旋轉運動而產生的過切。后置處理程序流程圖如圖10所示。

6.結論

五軸聯動數控加工相對于三軸聯動數控加工以其高柔性，優良的切削位置，在先進制造技術領域，占有越來越重要的地位。編程是解決一般CAM軟件生成的刀位文件轉換成特定機床適用數控代碼的手段。基于C語言的后置處理程序，通過特定的運行和轉換，就可達到轉換數控代碼的目的。

本文運用實例，在編制后置處理程序的過程中，解決了UG CAM直接導出的代碼在VERICUT中得不出正確刀軌的問題，并且為了避免過切在程序中添加提刀語句。

目前國內外形勢表明制造行業通過CAD/CAM手段和數控仿真技術為大勢所趨。對專用機床后置處理的研究還應繼續且具有很大發展潛力。

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