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五軸加工中心的編（biān）程革新研究

2018-10-19 來源：茂名市交通（tōng）高級（jí）技工學（xué）校（xiào）作者：範利洪

摘（zhāi）要：五（wǔ）軸聯（lián）動數控機（jī）床可以實現零（líng）部件的自動化加工，但是針對數（shù）控編（biān）程的研發和使用還存在很多問題。研究五軸加工中心的數控編程理論基礎以及前置和後置處理。

關鍵詞：五軸加工；數（shù）控編程（chéng）；後置處理；數據加工

0 前言

數（shù）控技術是在生產過程中應（yīng）用數字控製方法實現生產（chǎn）過（guò）程自動（dòng）化控（kòng）製的（de）一種（zhǒng）技術。在數控編程（chéng）中主體是數控機床，數控機床全（quán）稱（chēng）是數（shù）字控（kòng）製機床，是在自動化機床中裝入程序控製係（xì）統，控製係統是用來對控製編碼和（hé）指令程序進行處理的。

1 、五軸加工（gōng）數控編程技術分析

數控編程技術的每一個過程都是（shì）緊密結合的，任何一個環節出現了問題，都會影響零件整體加工的質量。數控編（biān）程流程見圖1.

在數控編程流（liú）程中可以看到（dào）數控編程（chéng）的主要過程。在（zài）零件製造過程中（zhōng），首先要（yào）通過曲線（xiàn）編輯和實體建模等技術，完成（chéng）複雜零件的造型設計。

在加工處理中為保證數控加工的質量，首先要對加工的工藝參數進行（háng）優化選擇，另外刀具（jù）的控製方式和走（zǒu）刀路線的優化選擇（zé）也是數控編（biān）程過程的重點問題，刀具（jù）軌（guǐ）跡（jì）的生成（chéng）也是比較重要的，走刀軌跡在三維軟件中可以（yǐ）完成，但是不同的軟件達到的效果也是不相（xiàng）同的（de），在數控編程（chéng）中，走刀軌跡的軌跡（jì）代碼是一個重點內容（róng），要按照軌跡光滑和切削複合滿足軌跡（jì）要求進行設計（jì），複合生成（chéng）代碼量少並且代碼質量（liàng）高原則。

數控編程後置處理技術也是數控編程的重要技術，數控編（biān）程（chéng）後置處理可以（yǐ）保證零件加工的質量，保證機床可以安全可靠的（de）運行。

在數控編程技術的研究中對後置處（chù）理的研究比較多，比如多坐標軸數控加工中心的後（hòu）置處理算法研究，在多坐（zuò）標軸（zhóu）數控機床模型（xíng）建立（lì）基礎上對（duì）機床幾何誤差的（de）後置變換研究（jiū）等。

在（zài）針對數控編（biān）程係統的研究（jiū）中，提出了數控自動編程係統的後置處理程序的結構設計。

2 、五軸聯動高速加工中心研究

2.1 五軸加工中心機床研究

在高速（sù）數（shù）控加工領域中，五軸聯（lián）動高速加工作為主要的技術，五軸聯動加工中心的最高轉（zhuǎn）速可以達到（dào） 13 萬 r/min。以UCP 係列機（jī）床為例，UCP 係列機床是高精度零件的加工機床，在設計和生產中都是采用最新（xīn）的材質和最新的技術，這樣在多（duō）軸零件進行加工（gōng）的時候，可以滿（mǎn）足高動態性能的需求。

UCP 係（xì）列機床五軸加工中心機床參數，數控係統采用 i TNC530；換刀裝置 HSK 40 刀位數是 36，HSK 63 刀位數是 30，ISO 40刀位數（shù）是 30；工作台采用尺寸是 600 mm×600 mm

的 ClampingSurface，工作台承（chéng）重 500 kg；X，Y 坐標軸的進給速度和快速移動速度分別是 20 m/min 和 30 m/min，Z 坐標軸方向進給速度和（hé）快速移動速度分別是 20 m/min 和 30 m/min; UCP 係列機床工作範圍 X 軸縱向行程 800mm，Y 軸縱（zòng）向行程 650 mm，Z 軸縱（zòng）向行程 500 mm。

在（zài）坐標軸平移的變化中，UDP 係列機床是五軸聯（lián）動的，具有 5 個坐標軸的坐標，其中 3 個是平（píng）移坐標軸的坐（zuò）標，另外 2 個是旋轉坐標軸的角度坐標，五軸加工中心決定 2 個旋轉坐標的坐標軸，在五軸聯動的（de）運動方式中，空（kōng）間運動的向量有 6 個自由度，圖 2 為空間 6 自由度表示的坐（zuò）標（biāo）圖。

在空間 6 自由度坐標表示圖中，X，Y，Z 是 3 個平移的坐（zuò）標，A，B，C 是 3個繞著坐標軸旋（xuán）轉的坐標（biāo），在空（kōng）間 6自由度坐（zuò）標中（zhōng），任何的空間位置都可以用 X，Y，Z 的 3 個平移坐標和任意 2個角度坐標表示出來。

所以在五軸聯動的數控機床中（zhōng），刀位的移動都（dōu）是以5 個坐標軸作為基礎的，在 UCP 係列機床的五軸加工中，五軸就是指由 X，Y，Z 的3 個平移坐標和 A，C 的（de） 2 個角度坐標（biāo）。

2.2 五軸加（jiā）工中心軟件編程革（gé）新分析

數控係統（tǒng）可以把所有與機床有關的編程和操作（zuò）的（de）信息顯示出來，數控係統作為通用的控製係統，設計要滿足加工中心的要求，可以對刀具軌跡位置進行優化設計，數控係統的處理速度要達到高（gāo）速數據傳輸的（de）標準，編輯器要具有（yǒu）大型程序的編輯能力，在數控係統中把 NV 主控和驅動控製單元分離開，處理器采（cǎi）用英特爾品牌的。

在強大的硬件功能的支持下，采用數字（zì）化驅動計算，控製器全部實現數字控製。UCP 係列的五（wǔ）軸控製機床結構特殊（shū），在（zài）配備的 i TNC 數控（kòng）係統（tǒng）的時候（hòu）加入了 G，H 代碼和基本的輔助（zhù）功能，數控係統在程序運行的初始階段都有自己的初始化語句的設置，比如對工作（zuò）毛坯等進行設置。

比如（rú）一些常用的命令，刀具命令中進給速度 F，是刀具的中（zhōng）心移動（dòng）速度（dù），基本單位是 mm/min。進給速度的輸入可以在定位程（chéng）序（xù）塊中進行輸入，也可以在 TOOL CALL 程序塊中（zhōng）進（jìn）行輸入（rù）。主軸轉速用 S 表示，S是以每分鍾轉數在 TOOL CALL 刀具調用模塊程序中進行輸入的。

具的數據有（yǒu）刀具名稱和補（bǔ）償要求等，L 表示刀具的長度數值，刀具長度數（shù）值 L 的計算是刀具的長度和零號刀之間長度 L0的差值，也就（jiù）是刀具半徑的值。

程序的運行和加工功能可以（yǐ）通過（guò）輔助功能 M 進行實現，比如程序停止運（yùn）行用 M00 表示，任意選擇的程（chéng）序執行 STOP 操作用 M01 表（biǎo）示，清楚顯示的狀態用 M02，刀具更換和（hé）主軸停止運行我們用 M06 表（biǎo）示。M 的種類很多（duō），在五軸加工中（zhōng）心被廣泛（fàn）應用，在 i TNC 數控係（xì）統（tǒng）中的輔助（zhù）功能命令 M 有 M126 指令和M128 指令，M126 指令按照旋轉軸移動路徑最短為依據，對前置的刀具路徑進行優化處理的，M126 指令時數控係統自己的指令，在使用時要（yào）預先啟（qǐ）動。M128 指令是處理非線性誤差的，保證（zhèng）數控編程的精確性。

3 、五軸加工中心的編程革新研究

3.1 五軸加工中心前置處理分析

在現代工業中計算機仿真（zhēn）技術被廣泛應用，在實際的工程中，計算（suàn）機仿真係統（tǒng）的可靠性和穩定性非常重要。五軸加工靈活性強，五軸加工程序的編製要保證高質量是非（fēi）常重要（yào）的。五軸加工刀位軌（guǐ）跡的編程要保證代（dài）碼量少、編程精（jīng）確度高（gāo）。高質量刀位軌跡數據（jù）計算，對零件加工的過程起著（zhe）重要（yào）的作用，五軸加工中刀具軌跡生產的常用算法是（shì）等參數線法，切削行參數沿著 u 線和 v 線曲麵進行（háng）分布，生成刀切軌跡，計算方法簡單，滿足零部件的（de）切削性能（néng）。

在（zài）五軸數（shù）控（kòng）加（jiā）工中，刀具位置是不斷變化的，刀具位置軌跡的表示（shì）我們采用刀具軸線方向質量和刀具（jù）位置矢量來表示，切（qiē）削點位置矢量 r，刀具半徑 R2，加工（gōng）表麵在 P 點的單位矢（shǐ）量用 n 表示，可以計（jì）算（suàn）出刀位點（diǎn） P 的位置，見公式（1）和公式（2）。

五軸數控加工中的走刀步長數值的確定，在（zài）一（yī）條刀位軌跡上 2 個相鄰的刀位點之間的距離就是走刀步（bù）長（zhǎng）。刀具軌跡的計算主要由走刀步長進行計算，其中等參數離散（sàn）逼（bī）近法是主（zhǔ）要的計（jì）算方法。在五軸數控加工（gōng）中，刀具的走（zǒu）刀步長（zhǎng）的計算是由（yóu）直線逼近誤差確定的，圖 3 所示離散直線逼近確定走刀步（bù）長，其中，ΔS 是（shì）直（zhí）線（xiàn）逼近的弧長，用直線長度代替。

3.2 五軸加工中心後（hòu）置處理分（fèn）析

刀具軌跡生成之後，可以對刀位數據進行轉換，計算出機床各個坐標軸的運動數據，然後就可以進行後置處理的計算（suàn）了。加工中心後置處理（lǐ）的、與機（jī）床相對應坐標軸中的（de）坐標數據，是通過刀位軌跡（jì）數據的 6 個坐（zuò）標數（shù）據轉換得出的。

應用機（jī）器人運動學知識，通過坐標變換，把刀位數據轉變成機床坐標對應的數（shù）據，通過機（jī）器人運動學建立直角坐標（biāo）係，直角坐標係的位置（zhì）可以通（tōng）過機（jī）器人各活動杆與機器人手臂之間的對應位（wèi）置表示出來，通過平移變換和旋轉變換來計算坐標。可以用1 個 3×1 的位置矩陣來計算機器人的活動杆和手臂與其（qí）他坐標軸之間的位（wèi）置關係，在 O 坐標軸（zhóu）和 H 坐標軸的坐標係中 3×1 矩陣見公式（3）。

在後（hòu）置處理（lǐ）中，刀具和工件之間（jiān）的運（yùn）動關係要根據機（jī）床結構進行確定，把前置處理的 6 個坐標軸的數據分配到機床的運動（dòng）軸（zhóu）上，轉換為各坐標軸的分量。後置處理的任務是把刀軌（guǐ）文（wén）件轉換成五軸加工中心的（de） NC 語言，後置處理流程見圖 4。

後置（zhì）處理采用 UG的後置（zhì）處理（lǐ）器（qì）設備，建立和機床控製係統匹（pǐ）配（pèi）的 2 個文件，分別是定義文件和事件處理文件，從簡單到複雜的（de）控（kòng）製係統後置處理過程可以有UG 處理器來完成。後置處理的 2 個必要的要素，一個（gè）是刀軌，數據進（jìn）行輸入的時候可以輸入到後置處理界麵。一個是後置（zhì）處理器，作為（wéi）機床信息處理程序，對刀軌數據進行讀取，然後把讀取的數據轉換成機床可以識別的代碼。

後置處理的任務包括非線性誤差處理，進給速度（dù）處理，數控程序格式。在後置處（chù）理中，數控編程（chéng）後置處理可以實（shí）現進給速度控製，在機（jī）床係統中，通過後置處理對給進（jìn）速度路徑進行（háng）有效的（de）調整。

4 、總（zǒng）結

隨（suí）著數據編程技術的快速發展，五軸聯動數控機床在現代工業製造領域得到了廣泛應用，對五軸加工中心數控編程進行優化設（shè）計，實（shí）現對數控係（xì）統的（de）完美控製，對五軸加工中（zhōng）心的編（biān）程革新研（yán）究是一項具有實際意義的課題。

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