五軸加工中心的編程革新研究

范利洪

（茂名市交通高級技工學校，廣東茂名 525000）

0 前言

數控技術是在生產過程中應用數字控制方法實現生產過程自動化控制的一種技術。在數控編程中主體是數控機床，數控機床全稱是數字控制機床，是在自動化機床中裝入程序控制系統，控制系統是用來對控制編碼和指令程序進行處理的。

1 五軸加工數控編程技術分析

數控編程技術的每一個過程都是緊密結合的，任何一個環節出現了問題，都會影響零件整體加工的質量。數控編程流程見圖1。

圖1 數控編程流程

在數控編程流程中可以看到數控編程的主要過程。在零件制造過程中，首先要通過曲線編輯和實體建模等技術，完成復雜零件的造型設計。在加工處理中為保證數控加工的質量，首先要對加工的工藝參數進行優化選擇，另外刀具的控制方式和走刀路線的優化選擇也是數控編程過程的重點問題，刀具軌跡的生成也是比較重要的，走刀軌跡在三維軟件中可以完成，但是不同的軟件達到的效果也是不相同的，在數控編程中，走刀軌跡的軌跡代碼是一個重點內容，要按照軌跡光滑和切削復合滿足軌跡要求進行設計，復合生成代碼量少并且代碼質量高原則。數控編程后置處理技術也是數控編程的重要技術，數控編程后置處理可以保證零件加工的質量，保證機床可以安全可靠的運行。在數控編程技術的研究中對后置處理的研究比較多，比如多坐標軸數控加工中心的后置處理算法研究，在多坐標軸數控機床模型建立基礎上對機床幾何誤差的后置變換研究等。在針對數控編程系統的研究中，提出了數控自動編程系統的后置處理程序的結構設計。

2 五軸聯動高速加工中心研究

2.1 五軸加工中心機床研究

在高速數控加工領域中，五軸聯動高速加工作為主要的技術，五軸聯動加工中心的最高轉速可以達到13萬r/min。以UCP系列機床為例，UCP系列機床是高精度零件的加工機床，在設計和生產中都是采用最新的材質和最新的技術，這樣在多軸零件進行加工的時候，可以滿足高動態性能的需求。UCP系列機床五軸加工中心機床參數，數控系統采用iTNC530；換刀裝置HSK 40刀位數是36，HSK 63刀位數是30，ISO 40刀位數是30；工作臺采用尺寸是600 mm×600 mm的Clamping Surface，工作臺承重500 kg；X，Y坐標軸的進給速度和快速移動速度分別是20 m/min和30 m/min，Z坐標軸方向進給速度和快速移動速度分別是20 m/min和30 m/min;UCP系列機床工作范圍X軸縱向行程800mm，Y軸縱向行程650 mm，Z軸縱向行程500 mm。

在坐標軸平移的變化中，UDP系列機床是五軸聯動的，具有5個坐標軸的坐標，其中3個是平移坐標軸的坐標，另外2個是旋轉坐標軸的角度坐標，五軸加工中心決定2個旋轉坐標的坐標軸，在五軸聯動的運動方式中，空間運動的向量有6個自由度，圖2為空間6自由度表示的坐標圖。

圖2 空間6自由度坐標圖

在空間6自由度坐標表示圖中，X，Y，Z是 3個平移的坐標，A，B，C 是 3個繞著坐標軸旋轉的坐標，在空間6自由度坐標中，任何的空間位置都可以用X，Y，Z的3個平移坐標和任意2個角度坐標表示出來。所以在五軸聯動的數控機床中，刀位的移動都是以5個坐標軸作為基礎的，在UCP系列機床的五軸加工中，五軸就是指由X，Y，Z的3個平移坐標和A，C的2個角度坐標。

2.2 五軸加工中心軟件編程革新分析

數控系統可以把所有與機床有關的編程和操作的信息顯示出來，數控系統作為通用的控制系統，設計要滿足加工中心的要求，可以對刀具軌跡位置進行優化設計，數控系統的處理速度要達到高速數據傳輸的標準，編輯器要具有大型程序的編輯能力，在數控系統中把NV主控和驅動控制單元分離開，處理器采用英特爾品牌的。在強大的硬件功能的支持下，采用數字化驅動計算，控制器全部實現數字控制。UCP系列的五軸控制機床結構特殊，在配備的iTNC數控系統的時候加入了G，H代碼和基本的輔助功能，數控系統在程序運行的初始階段都有自己的初始化語句的設置，比如對工作毛坯等進行設置。比如一些常用的命令，刀具命令中進給速度F，是刀具的中心移動速度，基本單位是mm/min。進給速度的輸入可以在定位程序塊中進行輸入，也可以在TOOL CALL程序塊中進行輸入。主軸轉速用S表示，S是以每分鐘轉數在TOOL CALL刀具調用模塊程序中進行輸入的。刀具的數據有刀具名稱和補償要求等，L表示刀具的長度數值，刀具長度數值L的計算是刀具的長度和零號刀之間長度L0的差值，也就是刀具半徑的值。

程序的運行和加工功能可以通過輔助功能M進行實現，比如程序停止運行用M00表示，任意選擇的程序執行STOP操作用M01表示，清楚顯示的狀態用M02，刀具更換和主軸停止運行我們用M06表示。M的種類很多，在五軸加工中心被廣泛應用，在iTNC數控系統中的輔助功能命令M有M126指令和M128指令，M126指令按照旋轉軸移動路徑最短為依據，對前置的刀具路徑進行優化處理的，M126指令時數控系統自己的指令，在使用時要預先啟動。M128指令是處理非線性誤差的，保證數控編程的精確性。

3 五軸加工中心的編程革新研究

3.1 五軸加工中心前置處理分析

在現代工業中計算機仿真技術被廣泛應用，在實際的工程中，計算機仿真系統的可靠性和穩定性非常重要。五軸加工靈活性強，五軸加工程序的編制要保證高質量是非常重要的。五軸加工刀位軌跡的編程要保證代碼量少、編程精確度高。高質量刀位軌跡數據計算，對零件加工的過程起著重要的作用，五軸加工中刀具軌跡生產的常用算法是等參數線法，切削行參數沿著u線和v線曲面進行分布，生成刀切軌跡，計算方法簡單，滿足零部件的切削性能。在五軸數控加工中，刀具位置是不斷變化的，刀具位置軌跡的表示我們采用刀具軸線方向質量和刀具位置矢量來表示，切削點位置矢量r，刀具半徑R2，加工表面在P點的單位矢量用n表示，可以計算出刀位點P的位置，見公式（1）和公式（2）。

五軸數控加工中的走刀步長數值的確定，在一條刀位軌跡上2個相鄰的刀位點之間的距離就是走刀步長。刀具軌跡的計算主要由走刀步長進行計算，其中等參數離散逼近法是主要的計算方法。在五軸數控加工中，刀具的走刀步長的計算是由直線逼近誤差確定的，圖3所示離散直線逼近確定走刀步長，其中，ΔS是直線逼近的弧長，用直線長度代替。

3.2 五軸加工中心后置處理分析

刀具軌跡生成之后，可以對刀位數據進行轉換，計算出機床各個坐標軸的運動數據，然后就可以進行后置處理的計算了。加工中心后置處理的、與機床相對應坐標軸中的坐標數據，是通過刀位軌跡數據的6個坐標數據轉換得出的。

圖3 離散直線逼近確定走刀步長

應用機器人運動學知識，通過坐標變換，把刀位數據轉變成機床坐標對應的數據，通過機器人運動學建立直角坐標系，直角坐標系的位置可以通過機器人各活動桿與機器人手臂之間的對應位置表示出來，通過平移變換和旋轉變換來計算坐標。可以用1個3×1的位置矩陣來計算機器人的活動桿和手臂與其他坐標軸之間的位置關系，在O坐標軸和H坐標軸的坐標系中3×1矩陣見公式（3）。

在后置處理中，刀具和工件之間的運動關系要根據機床結構進行確定，把前置處理的6個坐標軸的數據分配到機床的運動軸上，轉換為各坐標軸的分量。后置處理的任務是把刀軌文件轉換成五軸加工中心的NC語言，后置處理流程見圖4。

圖4 后置處理流程

后置處理采用UG的后置處理器設備，建立和機床控制系統匹配的2個文件，分別是定義文件和事件處理文件，從簡單到復雜的控制系統后置處理過程可以有UG處理器來完成。后置處理的2個必要的要素，一個是刀軌，數據進行輸入的時候可以輸入到后置處理界面。一個是后置處理器，作為機床信息處理程序，對刀軌數據進行讀取，然后把讀取的數據轉換成機床可以識別的代碼。后置處理的任務包括非線性誤差處理，進給速度處理，數控程序格式。在后置處理中，數控編程后置處理可以實現進給速度控制，在機床系統中，通過后置處理對給進速度路徑進行有效的調整。

4 總結

隨著數據編程技術的快速發展，五軸聯動數控機床在現代工業制造領域得到了廣泛應用，對五軸加工中心數控編程進行優化設計，實現對數控系統的完美控制，對五軸加工中心的編程革新研究是一項具有實際意義的課題。