基于無可變軸許可的五軸3+2后處理開發與驗證

陳明坤， 黃海峰， 楊盛

（上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西 柳州 545007）

0 引 言

使用CAM軟件編程時，輸出的刀路軌跡文件CLSF包含刀位點信息和刀軸矢量信息，但機床不能識別CLSF文件，需要通過后處理器將CLSF轉化成相應機床結構和機床系統識別的NC代碼。CAD/CAM軟件在機加工時主要用于三軸機床的編程加工，無多軸加工功能許可，現以DMU80P帶非正交擺頭機床、無可變軸許可的NX 11.0軟件為條件，以NX軟件的后處理構造器為工具開發DMU80P加工中心后處理器，滿足現場數控加工需求。

1 定向加工后處理器研究流程

1.1 限制條件分析

研究對象DMU80P五軸加工中心機床結構如圖1所示，3個直線運動軸（X,Y,Z），2個轉動軸（B,C）。擺頭為B軸，擺動范圍0~180°，回轉軸線在機床坐標系G19平面內，與Y軸夾角為45°；C軸回轉中心為Z軸，轉動范圍0~360°（無限制），控制系統為Sinumerik 840D sl。

圖1 DMU80P機床結構

DMU80P五軸加工中心B軸與Y軸存在45°夾角，屬于擺頭非正交的“變軸”機床，由于NX 11.0無可變軸許可，不支持變軸加工刀路編程，也不支持變軸刀路的后置處理，基于機床型式與參數開發的后處理器無法使用。

1.2 定軸加工方式分析

目前定軸加工編程方式主要有手工三軸編程、手工“3+2”定向編程、CAM三軸編程、CAM“3+2”定向編程。這4種編程方式同一操作中刀軸矢量不變化，對于五軸加工中心，由2個旋轉軸對刀軸進行定向，加工過程中不做運動，其余3個直線軸做進給運動。這4種編程方式實際上都在三軸編程范疇，只是在三軸數控銑床中，刀軸姿態是恒定不變的，而在五軸加工中心中引入2個旋轉軸定向，刀軸姿態可變。因此三軸數控銑床，無論是手工編程還是CAM編程，都屬于特殊的“3+2”定向編程，如圖2所示。

圖2 定軸加工編程共同點

1.3 五軸機床刀軸定向的實現

1.3.1 刀軸矢量與工件坐標系Z軸正向一致的定向方法

一般三軸機床工件坐標系的建立（可設定框架）由機床坐標系偏移而得到，工件坐標為X0Y0Z0；五軸機床工件坐標系的建立可由機床坐標系經過2個旋轉軸的轉動變換所得，直線軸可與對應機械坐標系直線軸不平行，如通過校準平面后直線軸作為基準面，則工件坐標系的Z軸垂直于基準面。此時刀軸矢量與工件坐標系Z軸正方向一致，可視為無擺動時工件坐標系G17平面內的工件特征，能直接采用三軸編程方式。

1.3.2 刀軸矢量與工件坐標系Z軸正向不一致的定向方法

刀軸矢量與工件坐標系Z軸正向不一致的定向方法需要通過工件坐標系的變換實現，即先將工件坐標系通過“平移→旋轉→再平移”的方式使Z軸正向空間傾斜平面在相互垂直的位置，再進行空間的三軸加工。

在Sinumerik 840D sl數控系統中，坐標系的變換可通過可編程框架TRANS（絕對零點平移）/ATRANS（增量零點平移）和ROT（絕對坐標旋轉）/AROT（增量坐標旋轉）指令達成，也可以通過CYCLE800擺動循環實現。CYCLE800循環相對TRANS/ATRANS和ROT/AROT指令的優勢在于假如系統復位或斷電后可保持回轉框架，便于沿刀軸回退刀具，因此傾斜平面的刀軸定向使用CYCLE800循環指令優于TRANS/ATRANS和ROT/AROT指令。

綜上所述，無論刀軸矢量與初始工件坐標系Z軸正向是否一致，3+2定向加工中刀軸都是基于初始的工件坐標系（WCS）進行變換，而與機床坐標系（MCS）無關，即刀軸的變換由機床數控系統通過回轉數據組完成，與機床結構無關，在后處理器創建中非正交擺頭可定義為正交結構，以適應CAM軟件無可變軸許可的限制。

1.4 后處理器創建

以Siemens NX11的后處理構造工具Post Builder作為平臺，根據機床的實際參數與限制條件新建后處理器，設置相關的運動學、程序、刀軌等各項參數。

研究對象DMU80P五軸加工中心為非正交擺頭+轉臺結構，技術參數如表1所示。

表1 DMU80P機床主要技術參數

1.4.1 后處理基礎信息設定

定義后處理器名為DMG_45xBC，選擇后處理輸出單位為mm；機床為五軸帶轉頭和轉臺銑床；控制器從庫中選擇Sinumerik_840D_basic，其余取默認值。

1.4.2 機床參數設置

配置線性軸行程X=800 mm，Y=1 050 mm，Z=850 mm；回零位置：X=450 mm，Y=-1 mm，Z=-1 mm；定義第四軸為B軸（機頭），旋轉平面為ZOX平面，軸限制為0~180°；第五軸為C軸（轉臺），旋轉平面為XOY平面；軸限制為0~360°。

1.4.3 程序結構配置

根據NC程序的一般要求，結合實際機床結構，在加工程序首次移動前、自動換刀前、加工結束后應自動回安全位置；刀軸定向前應激活工件零點坐標系，防止一個程序中使用2個或2個以上坐標系時默認以上一坐標系為基礎，進行定向以及刀具首次移動執行D指令，避免回安全位置后刀具補償被取消而造成碰撞。

在【程序與刀軌】的“程序”→“工序起始序列”中的“第一個刀具”里面其他塊之前和最后、“自動換刀”里面其他塊之后、“第一次移動”里面其他塊之前添加名為“tool_change_return_home_Z”和名為“tool_change_return_home”的塊。塊“tool_change_return_home_Z”內添加文字命令“SUPA、G0-Rapid Move、Z=-1、D0”，塊“tool_change_return_home”內添加文字命令“SUPA、G0-Rapid Move、X=450 Y=-1、$mom_sys_leader(fourth_axis)=0、$mom_sys_leader(fifth_axis)=0”，完成自動回安全位置命令定制。

在 “初始移動”里面G17平面選擇塊之前添加名為“fixture_offset”的塊，點擊進入塊內添加文字命令“G-offset—用戶表達式”，編輯文字命令，表達式為$mom_siemens_fixture_offset_value，最小值54，最大值599。

在“刀徑”中 “線性運動”和 “快速移動”中的G1/G0命令行后面添加文字命令“D1-Tool Length Compensation”，完成刀具補償指令設置。

1.4.4 3+2定向加工輸出CYCLE800循環

NX后處理器能自動判斷定向加工中刀軸矢量與工件坐標系Z軸正向是否一致，一致則判斷為三軸刀路，輸出旋轉軸定向B0C0；不一致則判斷為3+2刀路，默認輸出TRANS/ATRANS和ROT/AROT指令，通過上述與CYCLE800指令優缺點的論述，該處理器對3+2刀路的定向輸出采用CYCLE800擺動循環方式。

在【程序與刀軌】的 “定制命令”—“PB_CMD_check_block_CYCLE800”中編輯如下代碼:

將R_DATA修改為TC1（機床數據組名稱），同時在【程序與刀軌】的 “程序”→“工序起始序列”→“程序開始”中打開默認設置“PB_CMD_set_Sinumerik_default_setting”編輯如下代碼：

將TRAORI更改為SWIVELING，完成3+2刀路輸出CYCLE800循環的設置。

1.4.5 輸出設置

在【輸出設置】下的“其他選項”中，將N/C輸出文件擴展名改為Sinumerik 840Dsl數控系統的后綴名“MPF”，保存并退出后處理。

2 后處理驗證

后處理的驗證以輸出NC程序的正確性與合理性為標準，在有限條件下通過NC程序的結構合理性、刀具路徑的正確性、定向指令輸出、CYCLE800參數正確性驗證，驗證試加工工件如圖3所示。

圖3 驗證工件結構

2.1 驗證前準備

設定裝夾偏置坐標系G54原點在工件上表面φ20 mm中心，+ZM垂直上表面，+XM為長度方向向右，如圖4所示。回轉坐標系G54-ROT設置在+XM向斜面孔口中心，+ZM軸垂直于斜面，如圖5所示。

圖4 G54坐標系設置

圖5 G54-ROT坐標系設置

G54為G54-ROT父項，G54-ROT設置為坐標系旋轉，由G54通過以下變換產生：X軸偏移22.5 mm→Z軸偏移-2.5 mm→繞Y軸旋轉45°。后置處理時，G54-ROT不應輸出可編程坐標系G指令，應通過CYCLE800指令對系統“框架”靜態轉換，能夠實現3+2軸機床系統通過“平移→旋轉→再平移”的方式把工件坐標轉移到當前所需要加工的傾斜面上，實現空間工件坐標系的旋轉。

編制部分典型刀路，如圖6所示，工藝過程如表2所示。

表2 刀路驗證工藝

圖6 典型刀路驗證

2.2 NC程序驗證

編制的刀路通過構建的后處理輸出NC程序。

2.2.1 程序邏輯結構

通過輸出的程序與后處理結構設置對照，驗證后處理輸出NC程序結構的正確性，如圖7所示。

圖7 程序邏輯結構設置與實際NC輸出結果對照

2.2.2 刀路正確性驗證

利用G代碼模擬軟件CIMCOEdit分別對刀路進行檢查，如圖8所示，NC程序模擬的刀路與NX軟件編制的刀路一致。

圖8 刀路檢查

2.2.3 CYCLE800循環輸出參數檢查

傾斜面上的特征加工，輸出CYCLE800循環及解析如下：

（1）基于G54的變換（父項）。

（2）回退方法（固定值）。

（3）數據組名稱（與設備一致）。

（4）坐標平面（固定值，新建）。

（5）回轉模式（固定值，繞軸旋轉）。

（6）先平移（X軸平移22.5 mm，Y軸平移0，Z軸平移-2.5 mm）。

（7）再旋轉（繞X軸旋轉0，繞Y軸旋轉45°，繞Z軸旋轉0）。

（8）再平移（X軸平移0，Y軸平移0，Z軸平移0）。

（9）優先方向（固定1或-1，1為正向）。

（10）增量回退（不用）。

根據輸出的CYCLE800循環與設置的G54-ROT對比，兩者邏輯一致，輸出數據組名稱和參數正確。

2.2.4 試加工驗證

驗證數模編制的所有特征加工刀具軌跡并后置處理成NC程序，上機床試加工，加工結果如圖9所示，加工結果與編程數模一致，后處理器驗證成功。

圖9 試加工驗證結果

3 結束語

以DMU80P五軸聯動加工中心為例 ，在CAM軟件功能限制和有限的工具條件下，采用NX軟件內置的處理構造器，開發了可用于Sinumerik840Dsl系統非正交擺頭/轉臺五軸加工中心的3+2后處理程序，通過程序結構檢查和利用CIMCOEdit軟件模擬刀路以及解析定向循環參數的方式驗證后處理器輸出NC程序的正確性，并以實際加工驗證了后處理的結果，該后處理器匹配了NX軟件無可變軸許可的限制條件，發揮五軸機床加工的優勢。