基于刀軸矢量程序的五軸后處理器開發

王沿斌

（廣州市技師學院先進裝備制造產業系，廣州 510410）

0 引言

隨著高端制造業的發展和五軸數控技術的普及，越來越多的企業和院校引進了五軸加工中心并開展了五軸CAM技術應用。其中使用后處理器將CAM軟件刀具路徑轉化為五軸機床能夠執行的G代碼程序是五軸技術應用的關鍵環節。目前后處理器生成G代碼程序主要有兩種類型：一種是直接通過坐標的位置和旋轉軸的角度來表達刀具位置和方向的常規程序；另一種是使用坐標位置和刀軸方向來表達的刀軸矢量程序。常規程序由于五軸機床旋轉軸不同，同一條CAM刀具路徑想要在不同結構的五軸機床上運行必須再次通過專用后處理器生成G代碼程序，增加了五軸CAM技術應用門檻和成本；而刀軸矢量程序指令簡潔，使用刀軸在X/Y/Z軸上的空間矢量分量坐標代替A/B/C各軸旋轉坐標，程序代碼不受限于機床旋轉軸結構，可以實現同一條程序在不同結構、相同系統的五軸機床上重復使用，具有良好的通用性。

本文綜述了一種采用NX軟件制作矢量程序后處理器的方法，實現了不同結構的五軸機床加工程序通用。通過刀軸矢量后處理器將CAM刀具路徑轉化為刀軸矢量程序，利用刀軸矢量程序與五軸機床結構形式無關的特點，實現在同一數控系統中不同結構的五軸機床上G代碼程序通用，使五軸加工工藝應用更為靈活，提高了五軸機床使用效率，如圖1所示。

圖1 基于刀軸矢量編程的CAM技術流程

1 刀軸矢量程序

常規五軸程序依據機床的實際結構，分別指定了各個旋轉軸的運動角度，不同結構的五軸機床程序代碼完全不同，以海德漢iTNC530數控系統為例，同一段刀具路徑的BC軸混合型五軸機床常規程序部分代碼如圖2所示，刀軸矢量程序如圖3所示。

圖2 常規五軸程序代碼

圖3 刀軸矢量程序代碼

對比圖2～3，可見兩端程序代碼中的X/Y/X的坐標值相同，但圖3刀軸矢量程序代碼中卻沒有出現用以指定的各旋轉軸角度B/C代碼，而是使用了TX/TY/TZ表達當前刀軸的空間矢量位置。

由于刀軸矢量程序沒有直接給出旋轉軸角度，數控系統在讀取刀軸矢量數據后，需要通過刀具中心點控制指令（TCPM/RTCP指令），在數控系統內部調用機床、工件坐標和刀具補償等參數，從而實時運算解析各軸的實際旋轉角度并控制各軸運動，進而實現五軸加工中的五軸聯動或定向加工[1]。

目前常見的五軸聯動數控系統中，海德漢iTNC530、西門子840D、FANUC30i等都支持刀軸矢量編程，其程序格式和刀具中心點控制指令如表1所示。

表1 常見數控系統矢量程序格式

海德漢iTNC530數控系統的刀軸矢量程序格式如下：LN X_Y_Z_TX_TY_TZ_，其中LN表示開啟三維直線補償功能，X_Y_Z_表示直線程序運動的終點坐標，TXTYTZ表示直線程序運動終點的刀軸方向。

FANUC 30i系統格式如下：G00/G01 X Y Z I J K，其中X、Y、Z表示直線程序運動的終點坐標，I、J、K表示程序運動終點刀軸方向（注：此時I、J、K不表示圓弧中心位置）。

西門子840D系統格式如下：G00/G01 X Y Z A3＝B3＝C3＝，其中X、Y、Z表示直線程序運動的終點坐標，A3＝、B3＝、C3＝表示程序運動終點刀軸方向。

由此可見，對比常規G代碼程序，刀軸矢量程序無需考慮五軸機床的具體結構，可以降低后處理器制作難度并實現五軸CAM后處理器通用。

2 刀軸矢量NX后處理器構建

在NX軟件中，刀具路徑的每個運動位置點都包含了一個空間坐標，可以在五軸程序的CLF格式文件中觀察到該空間坐標數據。當刀軸空間角度變化時，原本一行3組的數據數據會變為一行6組的數據，分別表示當前點的XYZ軸3個坐標點和該點刀軸的方向矢量方向，如圖4所示。

圖4 NX刀具路徑的CLF文件代碼

分析發現只要在普通后處理器基礎上，將CLF文件中每個空間點的3個坐標值和3個方向矢量按照機床數控系統規定的格式輸出就可以生成五軸刀軸方向矢量程序。

經過查閱NX/Post Builder資料[2]，當前位置的3個坐標值可通過普通移動指令獲得，而表示刀軸方向矢量的數據則需要從變量“mom_tool_axis”中使用輸出命令“$mom_tool_axis（0）”、“$mom_tool_axis（1）”和“$mom_tool_axis（2）”獲取。由此可見，在普通三軸后處理器中添加刀具中心控制代碼和上述變量即可構建五軸刀軸矢量后處理器。

下面舉例介紹基于海德漢iTNC530系統的刀軸矢量程序NX后處理器的構建過程。

2.1 創建基本后處理器

進入NX軟件自帶后處理器開發模塊Post_Builder，新建一個后處理器并并設置后處理輸出單位為mm；因為刀軸矢量程序不需要考慮使用的五軸機床實際結構，所以可直接選擇一個立式三軸機床作為模板，控制器直接調用庫中自帶的HEIDENHAIN系統，如圖5所示。點擊確定后進入機床頁面，由于使用刀軸矢量程序不便使用圓弧插補，可將“一般參數”中的輸出圓形記錄關閉，線性軸行程等參數根據實際機床數據設置，本例為默認參數，如圖6所示。

圖5 創建基本后處理器

圖6 設置機床參數

2.2 修改運動事件

點擊“程序和刀軌”頁面，如圖7所示，該頁面是控制后處理器輸出代碼的主要頁面，其中“線性移動”和“快速移動”控制程序中直線運動的參數輸出，默認狀態是輸出當前位置的笛卡爾坐標系的X、Y、Z坐標值。

圖7 設置程序和刀軌

點擊進入“線性移動”，添加一個“新地址”用作輸出刀軸矢量方向，新地址名稱按海德漢iTNC530系統格式要求定義為“TX”，設置表達式中輸入字符“$mom_tool_axis（0）”，后處理器將在線性移動中加入代碼“TX”，并輸出刀軸矢量方向的第1組數據，如圖8所示。

圖8 添加刀軸方向矢量

重復上述操作，添加另外兩組矢量方向數據，分別用TY和TZ命名，并在表達式中輸入“$mom_tool_axis（1）”和“$mom_tool_axis（2）”，最后用文字排序功能，將TX、TY、TZ依次排列在Z后面，并強制輸出，如圖9所示。

圖9 海德漢系統的刀軸矢量程序格式

Post_Builder中的“程序和刀軌”頁面中的“程序起始序列”中添加對應數控系統的刀具中心控制指令（TCPM/RTCP指令，詳見表1），其余選項可依據機床手冊具體要求另做修正[3]，刪減或補充相關G代碼和輔助M代碼，其具體操作方法和普通三軸機床后處理器修改方法一致，在此不做詳細敘述。至此，基于海德漢iTNC530系統格式的刀軸矢量程序后處理器就基本構建完成。

基于FANUC30i系統和西門子840D系統的后處理器構建方法與上述一致，同樣是在“線性移動”中增加符合各自程序格式的矢量方向代碼，即在FANUC30i系統中增加“IJK”代碼，在西門子840D系統中增加“A3＝B3＝C3＝” 代 碼 ， 并 分 別 通 過 表 達 式“$mom_tool_axis（0）”、“$mom_tool_axis（1）”和“$mom_tool_axis（2）”輸出相應格式的刀軸矢量參數[4]，如圖10和圖11所示。

圖10 FANUC系統的刀軸矢量程序格式

圖11 西門子系統的刀軸矢量程序格式

3 刀軸矢量程序驗證加工

為了驗證刀軸矢量程序后處理器的效果，設計了一個試切模型，并用NX編寫了一段“3＋2”定軸加工刀路用于毛坯開粗和一段五軸聯動加工刀路用于側刃精銑，如圖12所示。

圖12 測試模型及五軸測試刀路

使用制作的海德漢iTNC530、FANUC30i和西門子840D數控系統的刀軸方向矢量后處理器，成功生成了定軸和五軸聯動測試程序，其中iTNC530測試程序如圖13所示。

圖13 刀軸矢量測試程序

3.1 VERICUT虛擬測試

選用了3種不同結構的VERICUT虛擬測試機型，分別是Huron公司kx100型刀具旋轉AC軸加工中心、Hermle公司C30U型工作臺旋轉AC軸加工中心和DMG公司DMU60t型混合旋轉BC軸加工中心。測試先采用海德漢iTNC530系統，調用后處理好的測試刀軸矢量程序并設置好坐標系等相關參數，依次選用3種結構類型的五軸機床模型進行測試，3種機床均能完成仿真加工，仿真測試效果如圖14~16所示。

圖14 刀具旋轉型五軸機床仿真測試

圖15 工件旋轉型五軸機床仿真測試

圖16 混合型五軸機床仿真測試

第2次測試采用西門子840d系統的后處理器，第3次測試采用FANUC30i系統后處理器，在VERICUT中調換對應的仿真控制系統，保持機床模型和坐標等參數不變，測試結果全也全部正常，3種不同系統的五軸矢量程序后處理器均能生成程序并順利運行。

3.2 真實五軸加工測試

VERICUT虛擬仿真測試通過后，因測試車間沒有刀具旋轉型五軸機床，選用了2臺其他結構的五軸機床用來測試刀軸矢量程序。

首先選用了哈挺公司的UX600工作臺旋轉型五軸加工中心，該機床為工件旋轉的AC軸結構，配備了海德漢iTNC530控制系統，出廠年份為2011年，測試工件材料為硬鋁6061棒料，刀具為10 mm硬質合金端銑刀。程序導入機床并順利運行，機床在加工過程中運行平穩，測試結果如圖17所示。

圖17 AC軸工作臺旋轉型機床加工測試

第2次測試選用DMG公司的DMU60t五軸加工中心，該加工中心是混合型BC軸結構（B軸為刀具旋轉軸，C軸為工件旋轉軸），同樣配備了海德漢iTNC530控制系統，出廠年份為2012年，材料和刀具不變。直接將程序拷貝至機床，在程序頭部手工修改部分M代碼其余不變，啟動程序后機床能順利讀取識別刀軸矢量代碼并完成工件切削，切削測試結果如圖18所示。

圖18 BC軸混合旋轉型機床加工測試

4 結束語

通過上述實踐驗證表明，刀軸矢量程序能順利實現五軸定位加工和五軸聯動加工，且能在結構不同但數控系統相同的五軸機床上實現程序通用，有助于提高五軸設備使用效率，降低相關生產和教學活動的成本。

基于刀軸矢量程序的后處理器在制作和使用過程中均不需要考慮機床具體的旋轉軸結構，制作過程簡便，各企業和院校的技術人員只需要擁有三軸機床后處理制作經驗，即可參考本文利用刀軸矢量程序和NX/Post_Builder自主開發出通用的五軸刀軸矢量后處理器，該后處理器經過簡單修改就能適配各種結構的五軸機床，降低后處理器開發成本，具有較好的經濟價值和推廣價值。