基于UG的五轴联动机床后置处理器研究与实现*

梁蔓安，唐清春，黎家宏

(广西工学院重型车辆零部件先进设计制造教育部工程研究中心，广西柳州 545006)

基于UG的五轴联动机床后置处理器研究与实现*

梁蔓安，唐清春，黎家宏

(广西工学院重型车辆零部件先进设计制造教育部工程研究中心，广西柳州 545006)

在UG前置处理输出的刀位文件的基础上，针对AC回转工作台式五轴联动数控机床结构，分析了后置处理中重要的机床运动轨迹坐标变换;就加工表面曲率变化较大时，旋转自由度大幅摆动导致加工表面质量下降的问题，提出了进给速度修正的方法。并论述了数控系统SIEMENS 840D特有的钻削循环类指令的后置处理方法。所开发出的后置处理程序的正确性通过在BV－100机床上某叶轮样件的加工得到了验证。

数控系统;后置处理;速度调节;UG

0 引言

后置处理是数控自动编程过程中一个重要组成部分。其主要任务是对前置处理中生成的刀位文件进行转换，生成特定数控系统能够识别的控制指令。不同于三轴联动机床，五轴联动机床由于回转工作台或摆动主轴的加入，一方面导致机床结构多样，运动轨迹坐标变换算法不尽相同;另一方面，在加工表面曲率变化较大时，需要动态调整进给速度以确保加工件表面质量。此外对于不同的数控系统，一些特殊功能对应的G、M代码的意义和格式存在差异。随着五轴联动机床的国产化，迫切需要开发出与机床结构、加工对象和配套系统相适应的后置处理软件。本文在UG输出的刀位文件基础上，对配以SIEMENS 840D系统的AC转动工作台式数控机床的后置处理进行了研究和开发。

1 机床运动轨迹求解

UG的前置处理是依据三维造型，利用辅助编程功能将加工时相对于工件坐标系的刀具位置轨迹和其它数控操作信息输出至刀位文件中，此文件语法遵循APT格式。其中最重要的刀具位置，在五轴机床中需要通过刀心坐标和刀轴矢量联合描述Pw(x，y，z，i，j，k)。后置处理最重要的任务则是依据具体机床结构，通过相应的坐标变换，将刀具位置转换成为机床坐标系下由五个相互独立驱动轴控制的运动坐标 Pm(X，Y，Z，A，B，C)，并选择合适的插补方式构成这些坐标间的运动进给指令。

AC回转工作台式数控机床的结构如图1，在直角三坐标平移自由度的基础上，工件可以通过回转工作台C绕Z轴自由独立旋转C角;通过回转工作台A自由独立摆动A角。两旋转轴线垂直相交。机床运动坐标的求解思路:首先是通过坐标平移，使工件坐标系平移距离d后，原点与机床运动坐标系原点重合，接着利用两回转工作台的旋转完成如图2的坐标旋转:回转台C旋转角度C，使刀轴矢量绕Z轴转到YZ平面内，再利用回转台A旋转角度A，使刀轴矢量绕X轴最终转至与Z轴正方向一致［1］。则旋转角度C、A与刀轴矢量的关系:

将刀位文件中的Pw依次通过上述坐标变换转换为机床运动坐标Pm，并结合上下文中的RAPID、CIRCLE等关键字，即可生成NC代码中主要的运动位置控制类指令，如G00、G02等。

2 进给速度的修正

进给速度是数控加工切削用量中的一个重要参数，直接影响到加工表面质量。数控代码中的进给速度指的是各轴的伺服控制速度，而伺服控制速度以对应轴的位移合成来确定［2］。虽然理论上端铣加工时多轴控制下的刀具切削点相对于工件的实际进给距离是和刀位文件中连续刀心之间的距离保持一致的。但在加工一些表面曲率变化较大的工件时，曲率较大处旋转自由度的大幅摆动而刀心的微小移动容易在切削处留下刀口状切痕，使局部粗糙度增大。因此有必要在后置处理中依据加工表面曲率变化对数控代码中的进给速度进行修正。

在多轴联数控系统中，对运动加工进给速度的控制指令G94有效时，数控代码段中的F值被定义为进给速度，即:

而在UG的前置处理中依据加工工艺要求在FEDRAT关键字给出的进给速度f是没有考虑旋转自由度的。若直接效仿三轴联动的后置处理，则:

为了避免上述因旋转自由度大幅摆动导致的表面粗糙度增大，当前一些较新的数控系统普遍采用扩展线位移的方法，即把旋转自由度的位移也等同于平移自由度位移看待，一起计入合成位移之中［3］。则:

式中的λ是根据走刀轨迹曲率变化程度确定的修正系数。此时的多轴联动加工NC程序中的F代表的是单位时间内产生的当量位移。

因此，考虑旋转自由度的影响，在依据加工工艺要求选择f的基础上，对NC程序中F进行修正:

需要注意的是:在某些NC程序段，当在工件坐标系中两个连续刀位点的刀心坐标不变，仅刀轴矢量发生变化时，由上式修正后得到的进给速度F趋于无穷大，超出实际数控系统允许的进给速度指令的极限值。对此NC程序段相应的进给速度F需要设定一个极限值 Fmax。

3 钻削循环后置处理

由于各数控系统、机床厂家提供功能的多样性等原因，仍有大量未做统一规定的代码在各数控机床上根据需要自行定制。常用的钻削循环，在FANUC和SIEMENS系统中的代码就不尽相同，并且由于加工工艺的变化，随后的加工参数也存在较大差异。因此需要在后置处理中根据具体的数控系统，将刀位文件中的相应代码转换成为系统能够识别的NC程序。

SIEMENS 840D系统提供的钻削固定循环指令CYCLE81～CYCLE89是一类钻削工艺子程序，借助它可以有效实现各类孔系的复杂钻削加工过程［4］。

其中多次进刀、带退刀排屑功能的深孔钻削加工(指令CYCLE83)工艺过程如图3。与其相对应的在UG前置处理输出的深孔钻削刀位文件格式:

图3 深孔钻削工艺过程

表1列出了840D系统CYCLE83指令的参数和与之对应的UG刀位文件关键字的工艺要求。

表1 CYCLE83参数对应关系

(续表)

后置处理程序需要在处理CYCLE/DRILL，DEEP关键字时，选择CYCLE83指令，并依据各工艺参数的对应关系，完成指令后参数的变换。结果如下:

4 结束语

基于上述五轴联动机床后置处理方法的研究，以UG前置处理输出的刀位文件为输入，在Visual C++环境下开发了以SIEMENS 840D为数控系统、具有AC回转工作台结构的五轴联动机床的后置处理软件。

在BV-100数控机床上加工某叶轮样件以验证后置处理算法的正确性，如图4。经检测，工件表面粗糙度分布不均的现象得到了有效改善，证实了进给速度修正的可行性。开发的后置处理软件具有较好的生产应用价值。

图4 加工的叶轮样件

［1］刘雄伟，等.数控加工理论与编程技术［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［2］周瑞红，成群林，穆英娟，等.基于Pro/E的多轴联动数控加工进给速度控制技术研究［J］.制造技术与机床，2009(1):123－125.

［3］唐清春，吴汉夫.叶片五坐标联动加工后置处理开发及应用［J］.汽轮机技术，2009，51(6):475－477.

［4］西门子Sinumerk 840D循环编程手册［M］.SIEMENS公司，2008.

［5］王宏莲.Sinumerk 802D孔加工固定循环后置处理分析与开发［J］.制造技术与机床，2009(10):157－159.

(编辑 李秀敏)

Research and Im plement of Post Processing on Five-Axis Machine Based on UG

LIANG Man-an，TANG Qing-chun，LIJia-hong

(Engineering Research Center of Advanced Design and Manufacture of Heavy-duty Vehicle Components，Guangxi University of Technology，Guangxi Liuzhou 545006，China)

Based on cutter location file generated by UG Pre-Processing,five-axis machine equipped w ith AC rotary workbench is objective,coordinate transformation ofmachine trajectory which is the major part ofpost processing is analyzed.Feed rate rectification is proposed to avoid surface quality decline due to rotary degree sw inging when process surface curvature changing greatly.Post processing of instructions ofdrilling cycle on SIEMENS 840D CNC system is discussed.Post processing program is developed and validated on BV-100 machine w ith an example process on a impellermodel.

CNC system;post processing;velocity regulation;UG

TP391

A

1001－2265(2011)06－0017－03

2010－11－08

广西教育厅科研资助项目(200908LX178);广西科技厅科技攻关项目(桂科攻0992002－6)

梁蔓安(1978—)，男，南宁人，广西工学院硕士，讲师，主要研究领域为机电一体化设计，(E－mail)manan_liang@163.com。