基于UG雙轉(zhuǎn)頭五軸數(shù)控機(jī)床無RTCP后處理與仿真驗證

熊江，魏向京

（重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶404155）

0 引言

五軸數(shù)控機(jī)床在數(shù)控加工領(lǐng)域中非常適合加工相對復(fù)雜的曲面或者多面體。在精密復(fù)雜零件加工方面，五軸加工技術(shù)具有三軸加工所不能比擬的優(yōu)勢。許多先進(jìn)的武器，如飛機(jī)、坦克、潛艇等關(guān)鍵部位的零件，都是高性能的數(shù)控機(jī)床制造的。發(fā)達(dá)國家對于五軸加工技術(shù)采取更多的是保密限制。然而，我國五軸機(jī)床在控制系統(tǒng)的核心技術(shù)上仍然處于起步和發(fā)展階段。RTCP（Rotated Tool Center Point）也就是我們常說的刀尖點跟隨功能。RTCP技術(shù)是我國五軸數(shù)控系統(tǒng)的短板之一。控制系統(tǒng)無RTCP模塊的算法，雙轉(zhuǎn)頭五軸數(shù)控機(jī)床的刀具長度變化會導(dǎo)致數(shù)控程序坐標(biāo)值隨之變化。因此需要考慮主軸的擺長及旋轉(zhuǎn)偏差值，這就意味著無RTCP的五軸數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床在編程時必須依靠CAM和后處理技術(shù)相互配合。

后處理技術(shù)是五軸加工關(guān)鍵問題之一，UG_NX后處理構(gòu)造計算與NX_CAM相結(jié)合，是轉(zhuǎn)換成數(shù)控代碼的一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其主要是將軟件NX_CAM產(chǎn)生的加工刀具軌跡轉(zhuǎn)換成指定機(jī)床的數(shù)控代碼。

通常每臺機(jī)器的控制系統(tǒng)也不完全相同，不同控制系統(tǒng)所要求的NC程序格式也不一樣。因此，用戶可以通過修改后處理文件中的參數(shù)來滿足機(jī)床控制系統(tǒng)的要求。本文將對雙轉(zhuǎn)頭五軸數(shù)控機(jī)床無RTCP刀軌進(jìn)行研究，并提出一種計算固定擺長的后處理算法，通過Vericut仿真驗證其正確性。

1 五軸機(jī)床機(jī)構(gòu)、運(yùn)動方式及控制系統(tǒng)

雙轉(zhuǎn)頭五軸機(jī)床的特征是刀具主軸上具有2個線性旋轉(zhuǎn)軸，如圖1所示。刀具主軸前端的線性旋轉(zhuǎn)軸，能繞著Z線性軸回轉(zhuǎn)，通常定義為C軸，C線性旋轉(zhuǎn)軸，廠商通常設(shè)置±360°旋轉(zhuǎn)。C線性旋轉(zhuǎn)軸上還帶有可以繞著X線性軸旋轉(zhuǎn)的A軸或者繞著Y線性軸旋轉(zhuǎn)的B軸，廠商通常設(shè)置±110°旋轉(zhuǎn)。雙轉(zhuǎn)頭五軸結(jié)構(gòu)的機(jī)床優(yōu)點是主軸可以靈活地旋轉(zhuǎn)加工零件，可以設(shè)計行程較大的工作臺。較大的零部件、發(fā)動機(jī)氣缸、螺旋槳等零件比較適合在此類五軸數(shù)控機(jī)床上加工。

在具有RTCP的五軸聯(lián)動加工中，五軸刀路的編程可以不必在數(shù)控代碼生成之前就考慮如何在刀路中體現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的旋轉(zhuǎn)擺長或者工作臺的軸心及其偏差。應(yīng)用在雙轉(zhuǎn)頭形式的機(jī)床上，其原理主要是：補(bǔ)償?shù)氖怯捎诠ぜD(zhuǎn)所造成的的直線軸坐標(biāo)的變化，從而保持刀具中心點和刀具與工件表面的實際接觸點不變。

不具有RTCP功能的五軸數(shù)控機(jī)床，此類機(jī)床的特征是線性旋轉(zhuǎn)軸在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，線性軸X/Y/Z軸不跟隨運(yùn)動，從而X/Y/Z軸的機(jī)床坐標(biāo)保持不變，控制系統(tǒng)不計算刀具擺動的長度，刀具環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸（C軸或者A軸）的中心線旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。

圖1 雙轉(zhuǎn)頭式五軸機(jī)床機(jī)構(gòu)示意圖

具有RTCP功能的五軸數(shù)控機(jī)床，此類機(jī)床的控制系統(tǒng)計算刀具擺動的長度，旋轉(zhuǎn)軸在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，線性軸X/Y/Z軸跟隨運(yùn)動，從而X/Y/Z軸的機(jī)床坐標(biāo)隨之變化，刀具矢量方向發(fā)生改變，刀尖位置始終保持不變，X/Y/Z軸的坐標(biāo)數(shù)據(jù)變換是通過控制系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)補(bǔ)償，如圖3所示。

圖2 不帶RTCP運(yùn)動方式

圖3 帶RTCP運(yùn)動方式

機(jī)床控制系統(tǒng)采用FANUC系統(tǒng)。

2 后處理設(shè)置

進(jìn)入機(jī)床界面設(shè)置“第四軸”、“第五軸”結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖4所示。

對于不具有RTCP功能的五軸數(shù)控機(jī)床，假設(shè)A旋轉(zhuǎn)軸的線性中心和C旋轉(zhuǎn)軸的線性中心有偏差值，則需要測量第四軸中心到第五軸中心的偏差值。偏差值是正值或者負(fù)值，是以機(jī)床坐標(biāo)系為參照，即偏差矢量與機(jī)床坐標(biāo)系正方向相同，則為偏差值為正值，反之為負(fù)值。將數(shù)值填寫入相應(yīng)的界面，若A軸與C軸的旋轉(zhuǎn)軸無偏置，默認(rèn)為“0”，如圖5所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)軸配置

圖5 旋轉(zhuǎn)軸偏置設(shè)置

測量出該五軸數(shù)控機(jī)床的擺長為340.1 mm，樞軸距離輸入值為340.1，如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)軸配置

3 UG_CAM與仿真加工

葉輪零件是比較典型的自由曲面零件，五軸加工刀具軌跡通常采用球頭樣式的刀具通過側(cè)刃加工葉輪產(chǎn)品自由曲面，一次裝夾完成輪轂、葉片、葉根圓的加工，進(jìn)而提高葉輪零件的加工精度和生產(chǎn)效率。葉輪CAD/CAM編程過程如圖7所示。

圖7 葉輪CAD/CAM編程過程

使用制作好的后處理轉(zhuǎn)換生成機(jī)床加工程序，將其輸入到Vericut仿真軟件中，進(jìn)行仿真加工驗證，如圖8所示。

圖8 仿真加工葉輪

4 結(jié)語

對于雙轉(zhuǎn)頭無RTCP的五軸機(jī)床一旦更換了刀具或者刀具磨損，擺長發(fā)生變化則需要重新測量擺長，而測量擺長的過程相對復(fù)雜，降低了機(jī)床使用效率和企業(yè)生產(chǎn)率。因此，研究在無RTCP的情況下通過后處理計算固定擺長，是提高機(jī)床使用效率的重要方向。