基于UG的雙轉臺五軸聯(lián)動數(shù)控機床編程及操作

袁　偉

(陜西工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712000)

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基于UG的雙轉臺五軸聯(lián)動數(shù)控機床編程及操作

袁偉

(陜西工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712000)

機床是一個國家制造業(yè)水平的象征，而代表機床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)，從某種意義上說，它反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。五軸聯(lián)動加工中心具有高效率、高精度的特點，工件一次裝夾就可完成五面體的加工。其不但可以對復雜的空間曲面進行高精度加工，更能夠適應像汽車零部件、飛機結構件等現(xiàn)代模具的加工。以雙轉臺五軸聯(lián)動數(shù)控機床配合UG軟件完成立體人物頭像為例，詳細講解了五軸聯(lián)動機床的編程與操作的全過程。

雙轉臺；五軸聯(lián)動數(shù)控機床；UG

制造業(yè)是一個國家的支柱行業(yè)，隨著機床數(shù)字化的發(fā)展，二軸、三軸機床加工范圍已不能夠滿足生產制造的需求，多軸機床，尤其是代表機床制造業(yè)最高境界的五軸聯(lián)動數(shù)控機床，不但對工業(yè)有很大的影響，而且在軍事上也有極其重要的作用。

五軸聯(lián)動是針對一些特殊的有精度要求的復雜曲面而采取的一種高端加工方式。這種方式要求銑刀在曲面上進行連續(xù)的切削動作，以達到曲面成形的目的。五軸聯(lián)動機床有立式、臥式和搖籃式二軸NC工作臺，NC工作臺NC分度頭，NC工作臺90軸，NC工作臺45B軸，NC工作臺A軸以及二軸NC主軸等類型。相對于普通的數(shù)控機床，多軸機床的編程需要依靠CAD/CAM的協(xié)助。本文以人物立體頭像加工為例，介紹雙轉臺五軸聯(lián)動數(shù)控機床配合UG軟件完成多軸零件加工的過程[1]。

1　對刀

雙轉臺五軸聯(lián)動數(shù)控機床相對于普通的三軸數(shù)控機床增加了2個旋轉軸，一個是能夠繞X軸旋轉的B軸；另一個是繞Z軸旋轉的C軸。其特征如圖1所示。

圖1　雙擺臺結構

使用數(shù)控機床來加工，編程時應在所加工的實體或曲面模型上選擇一個基準點，以這個點為加工原點的坐標系就稱為加工坐標系(或稱工件坐標系)。五軸機床比三軸機床多了旋轉軸和擺動軸，因此，五軸機床的加工坐標系是一個五維坐標系，其加工坐標系中X、Y、Z這3個軸一般都與三軸機床的3個軸相同，其余2個軸則因機床結構類型不同而不同。

雙轉臺五軸機床有時要先進行部分對刀操作，然后裝夾工件，并且工件裝夾的位置還需按照對刀的要求進行校正。五軸機床的旋轉軸或擺動軸都是按角度值運動的，因此，對刀還需要校正旋轉軸或擺動軸的零點位置；當機床結構為雙轉臺或雙擺頭時，2個旋轉軸是相關的，這時需要測定2個軸的距離或偏心量。在工件裝夾之前，測量確定2個轉軸軸線和擺軸軸線的交點、轉臺表面到擺軸軸線的距離，還要將轉臺校水平，裝夾工件時校正工件或測量出工件位置偏差，具體步驟如下。

1)校平雙轉臺。

2)校正B軸零位(對刀B軸原點)。

3)找C軸轉臺中心(對刀X、Y軸原點)。

4)找出B、C軸線的交點(對刀Z軸原點)(見圖2)。

圖2　B、C軸對刀

5)裝卡工件。選定C軸的基準邊，把此邊用百分表校到與X軸或者Y軸平行，或者成一定角度，把此時機床坐標的C值輸入到工件坐標系中。用加工所用刀具刀尖接觸C轉臺上表面，然后下降一個擺長值，再把此時的機床坐標輸入到工件坐標系中。

圖3　工件裝夾位置

6)找工件加工原點與回轉臺中心點的偏差(本文把工件X、Y的中心放在轉臺的中心位置，這樣就不用再找二者的差值了)，把百分表架吸到主軸上，讓表頭接觸到工件圓柱體的部位。轉動C軸，讓百分表在圓柱體各個位置的讀數(shù)基本相等，否則調整工件的位置讓表的讀數(shù)基本相等。這樣就保證了工件與旋轉臺同心。把此時機床坐標的X、Y值輸入到機床工件坐標系中。

7)選定C軸的基準邊(對刀C軸原點)，工件在軟件中的位置如圖3所示。

2　五軸編程基本理論

五軸加工就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化，或使刀具軸的矢量與機床原始坐標系構成某個空間角度，利用銑刀的側刃或底刃切削來完成加工。五軸加工的關鍵是如何合理控制刀軸矢量(刀具軸的軸線矢量)的變化。加工不同的曲面，為了實現(xiàn)加工需要，刀軸矢量的改變方式是不同的；刀軸矢量的變化是通過工作臺擺動或主軸的擺動來實現(xiàn)的，不同結構類型的五軸機床其運動學關系是不同的。合理的控制刀軸矢量，既要滿足曲面加工的需要，又要使刀軸矢量變化范圍在所使用機床可實現(xiàn)的范圍內；因此，五軸機床編程的基礎是理解刀軸矢量的變化在實際機床加工中產生的效果。

對于雙轉臺五軸聯(lián)動數(shù)控機床，必須在工件裝夾好后，通過測量確定兩回轉/擺動軸交點在工件坐標系中的位置矢量。

3　UG數(shù)控編程

在UG軟件的多軸編程中，驅動面的制作非常重要，工件上的刀具路徑都要通過驅動曲面上的驅動路徑來產生。本文以立體人物頭例進行分析。在制作驅動曲面之前，應先分析人頭像的形狀特點，制訂加工工藝。人頭像的曲面比較復雜，但其接近于圓柱體形，所以選用螺旋加工的走刀方法。

驅動方式：曲面區(qū)域；刀軸控制：垂直于驅動；投影矢量：刀軸。

3.1驅動面繪制[2]

驅動面繪制如圖4所示。在平行于Z軸和X軸的方向上作幾條線，制作原則是線條不超過人頭像的寬度。

圖4　驅動面繪制

在所做的邊界線間繪制1個圓，與2條線相切，半徑為25 mm，修剪線條把圓弧和直線合并成1條樣條曲線，經旋轉后生成的曲面為1個整面，否則是2個面。合并曲線是做驅動面的關鍵步驟(見圖5)。當合并完曲線后，用旋轉曲面生成一個驅動曲面。驅動曲面已完成，但是經過分析，這個驅動曲面不能滿足要求。因為人頭的正面比較凸出，后腦勺也比較凸出，左、右兩邊較平，所以應把驅動曲面不等比例縮放一下，在UG軟件中沒有這個功能，只能轉到其他有此功能的軟件來實現(xiàn)這一要求。本文把生成的驅動曲面轉換到Mastercam9.1里面來縮放。X、Y和Z軸分別按照0.6、1和1的比例來縮放，然后再轉到UG軟件中作為驅動曲面。

圖5　合并曲線繪制

3.2數(shù)控編程

進入加工模塊，選擇“創(chuàng)建操作”(見圖6)，在彈出的對話框中按照參數(shù)進行選擇。“確定”后在彈出的對話框中選擇加工部件，即“人頭像”。

圖6　創(chuàng)建加工指令

在驅動方式中選擇“曲面區(qū)域”，驅動幾何體選擇前面建立好的驅動面(見圖7)。選擇好驅動面后應注意切削方向和材料方向[3]。

圖7　驅動面選擇

圖8　刀具驅動路徑

定義一把6 mm的球刀，在驅動面上顯示驅動路徑(見圖8)。

主軸轉速、進給速度和Z軸進刀速度的設置根據(jù)具體情況和加工條件而定，主要參數(shù)如圖9所示。

圖9　各參數(shù)設置

最終生成的刀具路徑如圖10所示。

圖10　刀具路徑

人頭像刀具路徑已經生成后，將已經計算好的刀具路徑進行后處理，進行刀位文件到G代碼程序的轉換，最終得到加工代碼如圖11所示。檢查G代碼程序的頭、尾以及各軸的運動情況，可以進行仿真模擬校驗，最終在機床上測試加工[4]。

圖11　生成加工代碼

4　結語

五軸聯(lián)動機床加工多用于加工復雜曲面或三軸加工無法完整加工的曲面，通常情況下程序無法通過手工編制完成，在編程時刀軸的變化最終是由旋轉軸或擺動軸的運動來實現(xiàn)的。本文以立體人物頭像的編程與加工為例，分別從建立工件坐標系、編程原理及思路和UG軟件參數(shù)設置等方面入手，對雙轉臺式五軸聯(lián)動機床的操作進行了較為詳細的分析。

[1] 劉日良，張承瑞，宋現(xiàn)春，等.五軸數(shù)控機床坐標系統(tǒng)的一個特例及其后處理方法[J]. 機械設計與制造工程，2002(3)：61-62.

[2] Jung Y H, Lee D W, Kim J S. NC post-processor for 5-axis milling machine of table-rotating/titling type[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002,130:641-646.

[3] 寧汝新，趙汝嘉.CAD/CAM技術[M]. 北京：清華大學出版社, 2009.

[4] 王華僑, 張穎，等. 實用數(shù)控加工技術應用與開發(fā)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2005.

責任編輯鄭練

CNC Machine Programming and Operations based on Dual Turret Axis based on UG Software

YUAN Wei

(Shaanxi Polytechnic Institute, Xian yang 712000, China)

Machine is a symbol of a country’s manufacturing sector, The five-axis CNC machine tool system represents the highest state of the machine tool manufacturing, and in a sense, it reflects the level of industrial development situation of a country. Five-axis machining center has high-efficiency, high-precision features, and the work can be completed in one clamping of the five-sided machining. Not only it can perform complex space surface precision, but also be more able to adapt the automobile parts, aircraft structural parts and other modern mold processing. The two-turret axis CNC machine tools to complete the three-dimensional portraits with UG is taken as an example, explain the whole process of programming and machining of five-axis machine tools in detail.

dual turntable, axis CNC machine tools, UG

2016-03-04

TG 659

B

袁偉(1980-)，男，講師，碩士，主要從事機械加工及汽車鈑金等方面的研究。