基于MasterCAM雙擺臺五軸后處理的定制及仿真驗證

郝巧梅 江 潔

(①鄂爾多斯職業學院，內蒙古 鄂爾多斯 017000;②武漢職業技術學院，湖北 武漢 430074)

雙擺臺五軸機床是五軸加工中應用較為普及的一種結構類型，通常有BC和AC兩種配置形式。使用MasterCAM Xn設計五軸加工刀路后，雖然可借助其內嵌的刀路仿真或機床仿真模塊檢查刀路效果，但這種檢查是在沒有生成NC程序的狀況下進行的，可以說它與實際機床系統中的應用還存在一定的距離。在其默認的后置處理樣例中已經有針對FANUC系統BC結構形式的PST檔［1］，但由于五軸加工涉及的空間概念復雜，由自動編程獲得的程序坐標數據難以直觀地進行判斷，因而對其后置得到的程序是否合理可用往往沒有信心，若自用的機床為AC結構形式，要定制修改后置文檔并進行評判更難以把握。本文從簡單五軸鉆孔節點坐標的手工計算著手，結合MasterCAM Xn版雙擺臺五軸加工后處理的定制修改，比對程序數據，并借助VERICUT仿真驗證探討其合理性。

1 雙擺臺五軸鉆孔節點坐標的手工計算

如圖1所示為一箱體工件的工程圖樣，其上φ50mm、φ20mm、φ18mm三個孔需要通過五軸控制機床來加工。工件在五軸AC雙擺臺上裝夾如圖2所示，裝夾定位時使工件坐標系原點與工作臺回轉中心重合，即工件底面中心在C軸回轉軸線上。

五軸鉆孔加工時，如果以A軸擺轉90°，先加工φ50的孔后，再使C轉臺逆時針轉動60°加工φ20mm的孔;提刀安全退出并使A、C返回零位后，再以C轉臺順時針旋轉45°，A軸向上擺轉60°后加工 φ18mm的孔。各孔位坐標關系計算如下:

(1)加工 φ50mm 的孔時，A=90°，C=0°，X=0;Y、Z坐標可按圖3所示幾何關系計算得出。Y=100+125+165=390，Z=165+100 －125=140。

(2)加工 φ20mm 的孔時，A=90°，C= －60°，但相對回轉中心的坐標原點在X方向有一定的偏置，該偏置值可由圖4所示幾何關系，利用三角函數進行計算。

在圖4所示直角三角形OAB中，斜邊OB=100，∠AOB=60°，AB=100 ×sin60°=86.603。則轉臺逆時針轉動60°后φ20mm孔的X坐標值為:X=86.603－62.5=24.103。Y坐標與φ50mm孔相同，即Y=390。而Z坐標的計算必須先由圖4計算出OD線長。

(3)從圖1中知，在A、C軸為0時，φ18mm孔的中心點坐標為(81.25，－81.25，184.69)。從圖2知，工件坐標系的原點(工作臺面中心)離A軸的距離為Y=165，Z=125。當按工作臺 C軸順時針旋轉45°，A軸向上旋轉60°后加工該孔時，其孔中心點的坐標可按圖5的幾何關系計算。

表1 雙擺頭C+A五軸主要參數設置及含義解析

則回轉后φ18mm孔中心點D'的坐標為:

2 雙擺臺五軸后置的參數定制與修改

MasterCAM Xn版PST文檔的五軸參數主要集中在5 Axis Rotary Settings區段中設置［2］，包括旋轉軸代碼、各軸零位及正方向、擺臺五軸類型設置、軸間偏置數據設置等參數。以Generic FANUC 5X Mill.pst后置處理文檔為藍本，按前述C+A模式對雙擺臺五軸進行主要設置參數的修改，見表1所示。

3 雙擺臺五軸鉆孔自動編程的坐標數據比對

在MasterCAM Xn版中，對圖1所示工件建模并按點鉆－2mm深、提刀R面高于孔口表面10mm設計五軸鉆孔加工的刀路，使用以上定制修改確立的后處理檔，可自動編制得到如下NC程序:

通過對該程序識讀解析，并與前述手工節點計算的結果進行比較，不難看出，自動編程的NC程序中各孔中心的五軸坐標數據與手工節點計算結果完全一致。更改鉆孔深度數據時，其孔位的X、Y坐標不變，僅Z深度變化，更改偏置距離時將會引起X、Y、Z數據的變化但A、C角度不變，更改A、C零位及旋向時各軸數據都會產生變化。由此可初步判定，以上雙擺臺五軸后處理參數的定制修改是合理可行的。

4 VERICUT的仿真驗證

為驗證程序與數控系統的適應性，我們借助VERICUT軟件，以doosan_vmd600.mch為五軸機床模型，選用FANUC31i數控系統，第一家族按X→Z→主軸→刀具的邏輯關系，第二家族按Y→A→C→附件夾具→毛坯的邏輯關系構成AC雙軸擺臺式五軸機床，并以Y165、Z－125調整AC擺臺的軸間偏置，整個機床模型的邏輯關系如圖6所示。接著添加鉆頭刀具并導入上述NC程序，調入用MasterCAM實體建模后轉換生成的STL毛坯模型，然后執行機床加工仿真，即可以得到期望的加工效果。若更改調整MasterCAM后置中Y、Z偏置數據后重新生成NC程序，并在VERICUT中對AC的軸間偏置做相應調整，同樣可得到期望的加工結果，由此進一步驗證了前述定制修改雙擺臺后處理參數的合理可行性。

5 結語

對CAM軟件而言，在未輸出程序之前的五軸加工刀路設計與采用何種機床無關，通過其內嵌的仿真驗證能一定程度檢查走刀路線的合理性，但其與機床系統及其五軸結構模式是否匹配，仍存在很大程度的不確定性，這與后置設置合理與否是分不開的。對一個成熟的CAM軟件而言，其五軸坐標數據的算法本身應該是可信的，后置中也通常提供有適應各類機床結構模式的相關參數項設置供用戶修改。只是由于五軸坐標數據涉及的空間概念讓編程者無法直觀快捷地對NC程序進行判定，因此對后置設置的修改結果信心不足，從而在很大程度上制約了五軸技術的應用。本文所介紹的簡單的五軸鉆孔案例，對具有常規編程基礎的用戶來說，從計算其孔位節點坐標著手不難手工編制出其加工用NC程序，在此基礎上再進行CAM五軸后置的定制修改，對修改后所輸出的程序中關鍵坐標數據比對一下即可判定其合理性。對于成熟的CAM軟件而言，只要五軸鉆孔自動編制的程序得以驗證通過，其他基本線圓插補、合理設計下的曲面銑削等程序數據均應無原則性錯誤，甚至都不需要借助VERICUT多軸仿真軟件來驗證。至于因刀路設計的不合理導致干涉碰撞的產生，應該說與后處理機床配置方案修改的合理性無關，刀路設計的合理性及干涉碰撞可能性的判定，則必須借助像VERICUT這種面向程序的多軸仿真軟件做進一步的驗證［3］。

［1］孟凡秋.MasterCAM后處理數控加工程序的修改［J］.模具制造，2007(4):11－12.

［2］唐進元，尹風.基于MasterCAM的三大類型五軸機床后處理程序編制方法［J］.制造技術與機床，2010(8):32－38.

［3］胡寧國.VERICUT仿真加工軟件對制造業的重要作用［J］.航空制造技術，2004(2):101.