五軸聯(lián)動機床(A-B轉(zhuǎn)臺)后置處理設(shè)計及數(shù)控仿真

1.引言

五軸聯(lián)動數(shù)控加工系統(tǒng)廣泛用于加工復(fù)雜曲面，這種先進的加工系統(tǒng)對我國航空、航天等領(lǐng)域的精細加工有著舉足輕重的作用。UG是廣泛應(yīng)用的建模及加工仿真軟件。探索UG的通用后置處理系統(tǒng)與專用數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)合，具有重要意義。

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

2.基于UG的CAM數(shù)控加工

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

UG包含的眾多功能模塊，涉及到工業(yè)設(shè)計與制造的各個層面。UG的工業(yè)設(shè)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(dān)交互式圖形編程（數(shù)控編程），即針對CAD三維模型所包含的產(chǎn)品幾何表面信息，進行數(shù)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(jù)設(shè)置的工藝方案參數(shù)，生成數(shù)控程序，即 導(dǎo)出以“.cls”為后 綴的刀位軌跡文件。

2.2 UG CAM后置處理現(xiàn)狀

圖1 A-B雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)機床坐標(biāo)系統(tǒng)

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(lián)動非線性誤差校核和非線性誤差控制功能。由于不同結(jié)構(gòu)（雙轉(zhuǎn)臺、雙擺頭、擺頭—轉(zhuǎn)臺）的五軸聯(lián)動數(shù)控機床具有自身的結(jié)構(gòu)特點和制約機床加工質(zhì)量的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，通用后置處理系統(tǒng)很難在生成數(shù)控程序時，全面而有針對性地考慮機床自身結(jié)構(gòu)特點所造成的非線性誤差。因此，目前國內(nèi)很多CAD/CAM系統(tǒng)的用戶對軟件的使用主要是CAD模塊，對CAM模塊的應(yīng)用效率不高，一個關(guān)鍵原因就是軟件只配備了通用后置處理系統(tǒng)，而用戶沒有根據(jù)具體的數(shù)控機床特點進行必要的二次開發(fā)，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(yīng)用效果。

后置處理的任務(wù)是對數(shù)控編程所導(dǎo)出的刀位文件進行處理，生成指定數(shù)控機床的控制指令。盡管各廠家數(shù)控機床的具體功能和指令系統(tǒng)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(tǒng)進行探索，將其通用后置處理與各種數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床相結(jié)合，解決 數(shù)控加工的矛盾，具有較大工程應(yīng)用價值和意義。

本文將以西門子840D數(shù)控系統(tǒng)為例，將UG CAM所導(dǎo)出 的CLSF刀位軌跡文件經(jīng)過后置處理導(dǎo)出西門子840D數(shù)控系統(tǒng)所應(yīng)用的ISO加工指令。

3.后置處理

后置處理的目標(biāo)是根據(jù)西門子840D的機床運動結(jié)構(gòu)，將UG CAM系統(tǒng)生成的前置刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機床各軸的運動數(shù)據(jù)，并按其控制指令格式進行轉(zhuǎn)換，成為西門子840D機床的加工程序。

機床的運動變換時，應(yīng)考慮行程范圍，若有超程現(xiàn)象，則需對運動軸進行重新選擇或?qū)ζ渚幊坦に囎飨鄳?yīng)修改。此外，為提高加工精度，運動變換中還應(yīng)進一步考慮機床結(jié)構(gòu)誤差，在加工程序上給予補償修正。

3.1 數(shù)控機床坐標(biāo)軸的定義

數(shù)控機床的坐標(biāo)軸和方向命名有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定直線進給坐標(biāo)軸用符合右手笛卡爾坐標(biāo)系的X，Y，Z表示，稱為 基本坐標(biāo)軸。圍繞X，Y，Z旋轉(zhuǎn)的圓周進給坐標(biāo)軸分別用A，B，C表示，+A、+B、+C方向符合右手螺旋定則。

數(shù)控機床的進給運動，有的由主軸帶動刀具運動來實現(xiàn)，有的由工作臺帶動工件運動來實現(xiàn)。上述坐標(biāo)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(guān)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(diào)用程序

圖6 輸出的代碼文件

在實際三直線軸聯(lián)動機床上，一般不關(guān)心是工作臺運動還是刀具運動，因為機床廠家均按國際標(biāo)準(zhǔn)來定義機床的坐標(biāo)系。多軸聯(lián)動的回轉(zhuǎn)軸運動，包括刀具擺動、工作臺回轉(zhuǎn)，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(biāo)轉(zhuǎn)換為機床坐標(biāo)及相應(yīng)的回轉(zhuǎn)角度，通過代碼轉(zhuǎn)換將它們轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機床能執(zhí)行的數(shù)控程序。

3.2 A＇—B＇型數(shù)控機床的運動模型算法

此種結(jié)構(gòu)的機床運動鏈的構(gòu)成如圖1所示，由于平移矩陣連乘與平移順序無關(guān)，故此種機床的運動建?？梢詺w為如下一種過程。

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

對于圖1所示機床坐標(biāo)系統(tǒng)，設(shè)動軸B＇的軸線平行于Y軸的狀態(tài)為初始狀態(tài)。此時工作 臺與Z軸垂直，工件坐標(biāo)系的方向與機床坐標(biāo)系一致，刀具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)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(biāo)變換，可得：

其中，T和R分別為平移和回轉(zhuǎn)運動的齊次坐標(biāo)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(biāo)分量為：

對于θA求解，需根據(jù)uy的取值情況按以下分類進行：

圖7 A-B雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動數(shù)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(jù)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(jié)詳細說明。

3.3 后置處理流程設(shè)計

圖10 后置處理程序流程圖

后置處理就是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的指令格式將機床運動數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換成機床程序代碼，其處理程序的邏輯模式為圖2。

根據(jù)圖2邏輯模式和3.1節(jié)中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的求解結(jié)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(jù)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(zhuǎn)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(dāng)θA和θB有多組取值時，在實際應(yīng)用中優(yōu)先取θB絕對值較小的一組，當(dāng)機床運動超程后取另一組數(shù)據(jù)。

4.數(shù)控加工仿真實例

以利用西門子840D機床加工一個不規(guī)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(tǒng)，導(dǎo)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(fā)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(shù)控代碼文件“1.mcd”，如圖6。該MCD文件即為西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的代碼文件。

5.VERICUT加工仿真結(jié)果

上節(jié)中所生成的代碼文件，可在VERICUT軟件中進行虛擬現(xiàn)實的仿真驗證。VERICUT軟件具有強大的三維加工仿真、驗證、優(yōu)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(shù)控加工仿真軟件VERICUT中對虛擬數(shù)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(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。在可變軸銑的工序中，設(shè)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(tǒng)中運行“1.mcd”代碼文件，模擬工件加工過程及結(jié)果為圖8、9所示。

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

6.結(jié)論

五軸聯(lián)動數(shù)控加工相對于三軸聯(lián)動數(shù)控加工以其高柔性，優(yōu)良的切削位置，在先進制造技術(shù)領(lǐng)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(zhuǎn)換成特定機床適用數(shù)控代碼的手段?；贑語言的后置處理程序，通過特定的運行和轉(zhuǎn)換，就可達到轉(zhuǎn)換數(shù)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(dǎo)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(nèi)外形勢表明制造行業(yè)通過CAD/CAM手段和數(shù)控仿真技術(shù)為大勢所趨。對專用機床后置處理的研究還應(yīng)繼續(xù)且具有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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