基于展開輪廓三軸代碼轉換的軸類零件四軸加工研究

文豪，黃東，鄒偉全，張小明

(廣東省科技干部學院機器人學院，廣東珠海 519090)

0 前言

軸類零件是一種非常典型的機械零件，廣泛應用于機械行業等工業領域[1]。對應地，車削加工是該類零件最常用的加工方法，其軸向端面、圓柱面、階梯面、錐面、螺紋、內孔、內外槽、二維曲線回轉曲面等常見特征結構均可直接在數控車床加工成型[2]。然而一些非回轉的結構特征，如鍵槽、銷孔、軸面方槽、軸面凸臺、徑向平面等，則無法通過車削加工的方式直接成型，需要拆卸已完成回轉特征加工的零件并使用其他設備如數控銑床進行二次裝夾加工。車銑復合機床在數控車床的基礎上添加了主軸裝置，可實現軸類零件常見簡單或特定非回轉結構特征的非拆卸直接加工[3]，但仍無法自適應完成具備復雜展開輪廓外圓柱面或扭曲葉片等各種復雜結構特征的軸類零件加工。

目前機械行業中更普遍的做法是，在三軸數控機床上添加回轉工作臺[4]，并改造為四軸數控機床[5]。這種四軸數控機床結構可實現3個正交直線軸及唯一旋轉軸的多軸聯動加工[6]，直接解決軸類零件回轉特征、非回轉特征及復雜結構特征[7]的一體加工成型[8]。然而該種結構的四軸數控機床的運動控制及代碼生成更為復雜，不僅需要計算加工路徑的刀位坐標，還需要選擇合適的刀軸矢量方向驅動回轉工作臺的旋轉軸坐標回轉[9]。UG是目前機械行業中應用最廣的商用CAM軟件，可有效實現這種四軸數控機床的刀具路徑生成[10]。在此基礎上，通過四軸數控機床對應后處理器的數控代碼生成[11]，即可解決具備各種復雜結構特征的軸類零件加工問題[12]。由于四軸數控加工的刀具運動相對復雜易錯，實際加工前也常使用Vericut軟件對刀具路徑進行加工路徑及效果的仿真校驗[13]，以避免干涉撞刀等加工問題的出現，優化零件的實際加工質量[14]。

具備復雜展開輪廓外圓柱面的軸類零件是一種非常典型的軸類零件[15]，但其加工相對困難。上述的四軸數控機床可完成該種零件的數控加工，目前UG等商用CAM軟件也可實現其加工路徑生成。然而其中的軟件操作相對復雜，對操作人員的技術水平要求相對較高，實際操作不穩定，實際應用效率相對較低，無法滿足工業領域的生產要求。

對此，以具備復雜展開輪廓外圓柱面的軸類零件為研究對象，研究其展開輪廓三軸代碼轉換四軸代碼的方法。基于四軸數控機床結構及運動控制機制，分析UG軟件中復雜展開輪廓外圓柱面的數控代碼生成操作方法。研究復雜展開輪廓三軸代碼的刀位坐標與四軸代碼的數據轉換關系，開發軸類零件外圓柱面展開輪廓的四軸代碼轉換軟件。通過UG及所開發代碼轉換軟件的具體操作，生成軸類零件復雜展開輪廓外圓柱面的四軸數控加工代碼，并于Vericut軟件中仿真驗證。所研究方法可直接實現軸類零件復雜展開輪廓外圓柱面的四軸數控代碼生成，具備了穩定性與速度效率的優勢。

1 當前展開輪廓外圓柱面的四軸加工

1.1 四軸數控機床結構

四軸數控機床可實現4個自由度的刀具運動加工，并由3個正交直線軸及1個回轉軸組成，且回轉工作臺一般安裝在床身導軌的工作臺上。四軸數控機床常使用立式結構，主軸垂直分布。C軸的回轉運動與主軸平行，可使用XOY平面的軌跡插補代替C軸的回轉運動。因此，根據運動控制方式，常用的四軸數控機床可以劃分為兩類：

(1)XYZ+A軸，適用于旋轉類零件的加工及車銑復合加工。

(2)XYZ+B軸，其工作臺尺寸較小且主軸剛性差，僅適合加工小零件。

根據運動控制方式的特點，應選擇XYZ+A軸的四軸數控機床實現軸類零件復雜展開輪廓外圓柱面的四軸加工。圖1所示為一款常用的XYZ+A軸四軸數控機床。

1.2 當前技術的操作流程

具備復雜展開輪廓外圓柱面的軸類零件常用于機械行業，其外圓柱面具備復雜的結構特征，一般在圖紙上使用展開輪廓表達這些結構特征的尺寸，且這些特征的端部與底部仍為半徑恒定的圓柱面。圖2所示的KN95口罩機齒模就是一個具備復雜展開輪廓外圓柱面的軸類零件。

圖2 KN95口罩機齒模Fig.2 KN95 mask machine tooth die

使用XYZ+A軸的四軸數控機床可完成該種軸類零件復雜展開輪廓外圓柱面的數控加工，其中主軸立銑刀應垂直于零件軸線方向，Y軸坐標與軸類零件回轉軸坐標對齊，X、Z及A軸聯動插補走刀，Z軸控制徑向切深，X和A軸控制加工刀具的切削位置。

數控機床的走刀加工需要對應加工零件的數控代碼，其中在CAD軟件中完成零件模型的三維建模再調用CAM模塊的功能生成各加工工序的數控代碼是目前計算機輔助設計與制造技術中的最常用方法。然而對于該類具備復雜展開輪廓外圓柱面的軸類零件，大多數商用計算機輔助軟件均無法完成主軸立銑刀與零件三維模型關于四軸加工刀軸矢量方向控制的有效布爾運算，即無法直接在零件三維模型的數據基礎上生成主軸立銑刀的四軸加工代碼。因此對于該類零件的四軸加工代碼生成，目前的解決方法是創建外圓柱面走刀加工的輔助空間曲線驅動四軸加工的數控代碼生成。目前UG軟件中針對軸類零件復雜展開輪廓外圓柱面的四軸加工代碼生成操作如圖3所示。由于商用軟件并沒有集成展開輪廓三軸刀路直接轉換為四軸加工代碼的功能模塊，必須輔以大量計算機軟件的人工操作。先將展開輪廓的三軸加工代碼轉換為曲線，再重新導入并纏繞在外圓柱面，從而形成外圓柱面走刀加工的輔助空間曲線。但其中的工作量極大，耗時長，所生成的四軸加工刀路的進刀與退刀易出現干涉碰撞等問題，需要人工經驗操作以優化解決，對于技術人員的專業技能水平要求甚高，不利于工業中的實際應用。因此，研究基于展開輪廓三軸代碼轉換的軸類零件四軸加工方法具備實際應用的價值與意義。

2 展開輪廓的加工代碼轉換

2.1 代碼轉換的基本原理

基于XYZ+A軸的四軸數控機床，針對軸類零件復雜展開輪廓外圓柱面的四軸加工代碼生成，分析展開輪廓三軸刀路與四軸刀路的刀位坐標位置轉換關系。設四軸刀路坐標系XYZ位于軸類零件中央位置，每個軸線方向對應于四軸數控機床的運動控制方式，是四軸數控機床加工軸類零件的實際加工坐標系；三軸刀路坐標系X′Y′Z′對應于展開輪廓的中央位置，且展開輪廓繪制于X′O′Y′平面上。如圖4所示，將兩坐標系調整移動至圖示位置，即兩坐標系的3個直線軸互相平行且方向相同。坐標系X′Y′Z′的原點O′位于坐標系XYZ的原點O的+Z方向，展開輪廓所在的X′O′Y′平面與軸類零件外圓柱面相切，即兩坐標系坐標原點O與O′的距離為外圓柱面半徑R。

圖4 刀位坐標的位置轉換關系分析Fig.4 Analysis on position conversion relationship of tool position coordinates

基于以上的幾何數據基礎，展開輪廓三軸刀路的刀位坐標P′(x′，y′，z′)與軸類零件四軸刀路的刀位坐標P(x，y，z，a)存在明顯的幾何數值關系。具體分析的結論如下：

(1)刀位坐標于軸向方向上沒有任何相對位移，故有x=x′。

(2)展開輪廓外圓柱面的四軸加工必須使刀軸矢量遠離軸類零件的回轉軸，即主軸立銑刀的切削刃方向必須對準回轉軸，固有y=0。

(3)展開輪廓三軸刀路的刀位坐標P′位于X′O′Y′平面上，軸類零件四軸刀路的刀位坐標P則位于XOY平面上。XOY平面與X′O′Y′平面平行，且其距離為外圓柱面半徑R，故有z′=z+R。

(4)四軸刀路刀位坐標P的A軸旋轉角度對應于展開輪廓三軸刀路刀位坐標P′在Y′軸方向上的移動位置。根據弧長計算公式可知，l=α×R。其中，l為展開輪廓三軸刀路刀位坐標P′轉換到外圓柱面所對應的圓周弧長，α為圓周弧長對應的圓心角弧度數。Y′軸的正方向移動對應于A軸的負方向旋轉，弧度制需要轉換成角度制，且A軸的旋轉角度范圍為0°～360°，故有a=180°-180°y′/πR。

根據以上的分析結論，可總結展開輪廓三軸刀路刀位坐標P′(x′，y′，z′)與軸類零件四軸刀路刀位坐標P(x，y，z，a)的數據轉換關系：

(1)

因此，只要將展開輪廓三軸刀路的后處理代碼生成強制輸出所有的刀位坐標，再通過以上數字轉換關系的數值運算處理，即可直接獲得軸類零件復雜展開輪廓外圓柱面的四軸加工代碼。

2.2 轉換系統的軟件開發

基于以上總結展開輪廓三軸刀路刀位坐標與軸類零件四軸刀路刀位坐標的數據轉換關系，使用Python計算機編程語言，開發軸類零件外圓柱面展開輪廓的四軸代碼轉換軟件。軟件界面如圖5所示，該轉換軟件可實現強制輸出所有刀位坐標的展開輪廓三軸加工代碼直接轉換為軸類零件外圓柱面的四軸加工代碼。

圖5 軸類零件外圓柱面展開輪廓的四軸代碼轉換軟件Fig.5 Four-axis code conversion software for shaft part with cylindrical surface

3 代碼轉換的操作驗證

3.1 具體操作過程

對應于所研究展開輪廓三軸代碼轉換的軸類零件四軸加工方法，其操作流程如圖6所示。

圖6 四軸代碼轉換生成的操作流程Fig.6 Operation process of code conversion for four-axis code generation

結合UG軟件，具體操作過程說明如下：

步驟一，在計算機輔助軟件中，根據零件圖紙繪制展開輪廓，并生成展開輪廓的三軸刀路。UG中某軸類零件的展開輪廓及其三軸刀路效果如圖7(a)所示，其中三軸刀路可以采用分層切削的方式，但必須切削至加工坐標系的XOY平面。

步驟二，對四軸數控機床的后處理器進行修改，將所有的圓弧走刀轉換為直線逼近，并強制輸出完整的刀位坐標數據。直線走刀只包含終點刀位坐標的三維坐標，但圓弧走刀的數控代碼還包含圓弧半徑或圓心位置等數據信息，無法根據空間幾何關系直接處理，影響三軸代碼轉換為四軸代碼的數據處理操作。可通過修改后處理器，將所有的圓弧走刀轉換為直線逼近。UG中設置后處理器將所有的圓弧走刀轉換為直線逼近如圖7(b)所示。UG中設置后處理器強制輸出完整的刀位坐標數據如圖7(c)所示，三軸代碼的所有刀位坐標必須包含完整的三坐標數據，以滿足展開輪廓三軸刀路刀位坐標與軸類零件四軸刀路刀

步驟三，在計算機輔助軟件中，使用步驟二修改的后處理器，將步驟一所生成的三軸刀路后處理輸出為只包含直線走刀及完整刀位坐標數據的三軸數控加工代碼。

步驟四，使用軸類零件外圓柱面展開輪廓的四軸代碼轉換軟件，通過展開輪廓三軸刀路刀位坐標與軸類零件四軸刀路刀位坐標的數據轉換關系數值運算，將三軸數控加工代碼中直線走刀的刀位坐標數據轉換為四軸加工的數控代碼數據，實現軸類零件復雜展開輪廓外圓柱面四軸代碼的轉換生成。如圖5所示，所開發軟件的數值運算還需要設置軸類零件外圓柱面半徑，以保證四軸數控機床的Z軸徑向切深。

3.2 仿真效果驗證

借助Vericut8.2.1數控加工仿真系統，使用山東辰榜數控AVL650e虛擬四軸加工中心(圖8(a))，對上述代碼轉換操作獲得的四軸數控加工代碼進行仿真驗證。圖8(b)為虛擬仿真的切削加工過程，代碼轉換操作獲得的四軸數控加工代碼可有效驅動四軸數控機床完成軸類零件復雜展開輪廓外圓柱面的聯動加工，且軸類零件展開輪廓外圓柱面的最終仿真加工效果如圖8(c)所示。

綜上所述，通過代碼轉換的具體操作與仿真驗證可知，基于展開輪廓三軸刀路刀位坐標與軸類零件四軸刀路刀位坐標的數據轉換關系，軸類零件復雜展開輪廓外圓柱面的四軸數控加工代碼可由展開輪廓的三軸代碼直接轉換生成。與現有操作方法相比較，所研究方法無需復雜的人工技術操作，精簡了軸類零件復雜展開輪廓外圓柱面四軸代碼生成的操作步驟，降低了對操作人員專業技術水平的要求，具備了穩定性與速度效率的優勢。

4 結論

面向具備復雜展開輪廓外圓柱面的軸類零件，針對其復雜展開輪廓外圓柱面四軸數控加工代碼生成的不穩定、耗時長及效率低的問題，研究該類零件展開輪廓三軸代碼轉換四軸代碼的方法。基于四軸數控機床結構及運動控制機制，分析了UG軟件中復雜展開輪廓外圓柱面的數控代碼生成操作方法。研究了復雜展開輪廓三軸代碼的刀位坐標與四軸代碼的數據轉換關系，開發了軸類零件外圓柱面展開輪廓的四軸代碼轉換軟件。通過UG及所開發代碼轉換軟件的具體操作，生成了軸類零件復雜展開輪廓外圓柱面的四軸數控加工代碼，并于Vericut軟件中仿真驗證。測試結果表明，所研究方法可直接實現軸類零件復雜展開輪廓外圓柱面的四軸數控代碼生成，具備了穩定性與速度效率的優勢。