经济型五轴数控机床后置处理系统研究与应用

孙杰金珊

(辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001)

五轴联动数控是数控技术中难度大、应用范围广的技术。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，是加工连续、平滑、复杂曲面最重要的手段之一。目前我国开展的五轴数控加工技术还只是限制在高档、先进的模具加工以及汽车零部件、飞机结构件等精密、复杂工件的加工。至今发达国家还在限制五轴联动数控系统和机床对中国的出口，如果用户使用国外的数控系统就必须签署严格的定向使用协定，并接受检查。由此带来的高设备成本和高技术难度就限制了五轴数控加工技术在中小企业中的应用。本文旨在通过利用中小型企业现有的加工设备和通用的计算机控制系统，寻求一种低成本，高效率的五轴数控加工技术的应用，对该技术的普及和应用提供一种有效的技术途径［1－2］。

本文利用自行改制的双转台结构五轴机床试验台(图1所示)。在UG/Post Builder通用后置处理器的基础上，对经济型双转台式五轴联动数控机床的后置处理进行研究。针对双转台式经济型五轴联动数控机床选配特定数控系统，设定机床参数、程序和刀轨参数、NC代码格式设置等，在程序的相应位置添加G代码和M代码指令，采用TCL语言编写自定义用户命令，添加旋转轴角度计算和平动轴位移坐标计算子程序。同时开发出基于UG/POST Buider的通用双转台式五轴机床后处理模块，生成的NC代码不需要人工二次处理，对五轴联动数控机床加工的普及应用具有一定的积极作用［3－4］。

1 五轴数控机床坐标系的数学模型

在三直线轴(X、Y、Z)联动情况下，编程员一般不需要关心是工作台运动还是刀具运动，因为机床厂家均按照国际标准来定义机床的坐标系及其运动方向，不同系统的后处理变化不大。而五轴数控机床加上了A、B、C三轴中的两轴旋转，机床转动与主轴头的坐标是不同的，再加上机床厂家在生产时不一定按国际标准来定义机床的坐标系及其运动方向，因此对于不同的系统或旋转坐标不同的后置处理相差很远［5－6］。本文研究的是双转台五轴联动机床，其结构简图如图2。

旋转运动A、B、C相应地表示其轴线平行于X、Y、Z的旋转运动，其方向按照右旋螺纹旋转的方向。面向机床，Z平行刀具旋转轴，Z+向上，X+向右，Y+向里，与设计坐标系完全相同。X、Y机床坐标由设计坐标系绕Z轴旋转C角后所得，再绕X轴旋转A角，计算较为复杂。

如图3所示，CAM加工坐标系为OmXYZ，机床加工坐标系为OrXYZ，工作台C回转轴与Z轴方向一致，工作台A回转轴与X轴方向一致，OrXYZ坐标系原点设在A、C回转轴交点上。CAM加工坐标系OmXYZ与机床加工坐标系OrXYZ的Z轴方向一致，其余二轴相互平行，OmOr=d，工件可绕OrXYZ坐标系的X轴转动A角(0≤A≤120°)，工件可绕OrXYZ坐标系的Z轴转动C角(0≤C＜360°)。刀具参考点Oc在CAM加工坐标系OmXYZ中的坐标为(xc，yc，zc)。刀轴矢量(一个位于刀具的轴线上，从刀具参考点指向刀柄方向的矢量)a为单位矢量，在CAM加工坐标系OmXYZ中的坐标为(ax，ay，az)。为计算方便，以刀具参考点Oc为原点建立刀轴矢量坐标系OcXYZ，与CAM加工坐标系OmXYZ各相应轴平行。根据以上已知条件，计算机床的运动坐标值(相对OrXYZ坐标系)X、Y、Z及相应的回转角度A、C。

1.1 A、C 转角的计算

工作台(工件)相对刀具转动，其转角以顺时针方向为正方向。将刀轴矢量a绕Zc轴顺时针转动C角到(－Yc)(+Zc)平面上，再将刀轴矢量绕Xc轴顺时针转动A角到与Zc坐标方向一致，如图3所示。这样就完成了刀轴矢量的转换，即刀具相对于工件的转动或摆动。对于双转台式五轴数控机床，为实现以上转换，工作台的动作为工作台绕C回转轴顺时针转动C角，工作台A回转轴顺时针转动A角。

计算角度变换的数学模型为:

(1)C角的计算(4种情况)

(2)A角的计算

1.2 机床运动坐标X、Y、Z的计算

根据前述工作台的旋转过程，并且考虑机床结构、工件装夹情况，坐标变换过程可归纳如下:①首先使工件坐标系的原点与机床坐标系的原点一致，OmOr=d=0;②工件绕Z轴顺时针旋转C角，坐标变换矩阵为T1;③工件绕A轴顺时针旋转A角，坐标变换矩阵为T2。

上述过程用数学公式描述为

［X Y Z 1］= ［xcyczc1］T1T2

刀轴矢量绕Z轴旋转C角，变换矩阵为

刀轴矢量绕X轴旋转A角，变换矩阵为

计算后，可得双转台五轴加工坐标变换的数学模型为

2 基于UG/Post Builder开发的专用后置处理器

利用UG/CAM加工模块产生刀轨，首要目的是为了加工工件，但我们不能直接将这种未修改过的刀轨文件传送给机床进行切削工件，因为机床的类型很多，每种类型的机床都有其独特的硬件性能和要求来进行后处理文件的制作。双转台五轴机床属于标准结构的机床，可以直接用UGPost－Bullder制作五轴联动专用后处理程序［7］。UG后处理的原理图如图4。

2.1 设置机床参数

如图5所示，在对话框中选择五轴双转台数控铣床，配备五轴数控系统，根据机床运动结构在图6所示的一般参数、四轴、五轴窗口，编辑设置圆弧刀轨输出、直线轴行程极限、机床零点、直线插补最小分辨率、机床快速移动速度、初始轴坐标、旋转轴等相关机床参数。

2.2 设置程序和刀轨参数

在程序和刀轨窗口中定义、修改和用户化所有机床动作事件的处理方式。在程序窗口中，定义、修改和用户化程序设置。后处理程序包括:(1)程序开头;(2)操作头;(3)刀轨事件;(4)操作尾;(5)程序结尾。

在G代码窗口，定义后置处理中用到的所有G代码，包括快速运动、直线运动、顺圆运动、逆圆运动、加工平面、刀具半径偏置、绝对/增量编程和固定加工循环等。在M代码窗口，定义后置处理中用到的M代码，包括程序结束、主轴顺转、主轴逆转、主轴停、冷却开、冷却停以及换刀等。在字地址定义窗口，设置各关键字格式;在字符顺序窗口，定义字符优先顺序;在用户自定义命令窗口，添加用户自定义程序命令，如图7所示。用TCL语言编写子程序，实现后置处理算法中旋转轴角度的计算、坐标变换矩阵、平动轴位移坐标值的计算、增加切削时间等任务。在程序和刀轨参数窗口的用户自定义命令中，导入已经实现的旋转轴角度计算和平动轴位移计算等符合实际加工条件的子程序到用户命令列表中。

2.3 NC数据格式设置

在NC数据参数设置窗口中，定义NC数据格式。如图8所示定义使用的G、M字地址以及使用的FORMAT格式。

完成上述设置后，生成定义文件.def、事件处理文件.tcl和参数文件.pui，即开发生成了专用双转台式五轴后置处理器。

3 加工实例

在自行研制的一台采用步进电动机驱动的双转台式五轴机床试验台上进行实际加工实验，采用UGNX软件构建一个直径46 mm高25 mm的圆柱小半球组合体［8］，在上边铣削两个不同角度的斜面，在两斜面的垂直方向钻孔，并在球面上雕铣字母和数字，UG模型如图9所示。

加工刀路用UG加工模块分5步建立:①粗加工(型腔铣，刀具为φ6 mm立铣刀，刃长20 mm，加工余量为0.5 mm);②半精加工(剩余铣，刀具为φ4 mm球头铣刀，刃长10 mm，加工余量为0.2 mm);③精加工(可变轮廓铣，刀具为φ4 mm球头铣刀，刃长10 mm，加工余量为0);④多面钻孔(钻头为φ4 mm，孔深8 mm);⑤在半球面刻字(30°平底尖刀，字深0.6 mm)。用本文编制的后置处理程序转换成5组加工G代码，图10为采用自行研制的五轴数控试验台加工完成的试验模型工件。从加工测试结果可看出，文中所建立的基于UG的后置处理系统可以有效地实现经济型五轴数控机床的联动加工。

［1］游华云，叶佩青，杨开明，等.机床工业亟需发展五轴数控技术［J］.制造技术与机床，2002(12):25－28.

［2］梁铖，刘建群.五轴联动数控机床技术现状与发展趋势［J］.机械制造，2010，48(1):5 －7.

［3］廖效果.数字控制机床［M］.湖北:武汉华中理工大学出版社，1998.

［4］刘新宇.五轴数控机床回转工作台的设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2009(6):99－101.

［5］张玉峰，白红英.基于UG/POST五轴后置处理技术研究(上)［J］.金属加工，2010(5):79 －80.

［6］张玉峰，白红英.基于UG/POST五轴后置处理技术研究(下)［J］.金属加工，2010(7):72 －74.

［7］高长银，臧稳通，赵汶.UG－NX6.0数控五轴加工［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［8］肖世宏.UG －NX5数控加工［M］.北京:人民邮电出版社，2008.