基於 VC + + 的車銑複（fù）合機床（chuáng）後（hòu）置處理器開發及（jí）應用研究
2021-1-4 來（lái）源：陝西國防工業職業技術學院數控工程學院 作者：曹旭妍
摘要: 基於 VC + + 開發出（chū）適用於車銑複合機床的後置（zhì）處理器，通過對前置刀軌文件（jiàn）進行後置處理（lǐ），快速獲取加工所需 NC 程序; 通過 VEＲICUT 仿真（zhēn）平台構建（jiàn）車銑複合機床的虛擬仿真係統，采用仿真加工預判加工中可能存（cún）在的幹涉、碰（pèng）撞等加工問題，進而實現對（duì） NC 程序的正確（què）性檢驗。結果表明: 通過該方法能快速實現複雜零件 NC 程序的獲取及正確性（xìng）檢驗，提高車銑複合機床的（de）使用效率，同（tóng）時保障機床的使用安全。
關鍵詞: 車銑複合; VC + + ; 後置處理; 虛擬仿真（zhēn）
車銑複合機床不僅能夠進行車削、銑削（xuē）等加工，還能夠實現多軸聯動下的複合加工，尤其適合複雜零件（jiàn）的一次成型，因此（cǐ）該類機床在（zài）航空、航天、汽車等領（lǐng）域得到廣（guǎng）泛（fàn）應用。由於該類機床結構較為複雜，加工中機床運動（dòng）軸位姿變化多樣，因此在進行複雜零件（jiàn）編（biān）程時（shí），依靠手工編程基本無法實現。借助於 UG、CATIA 等（děng）三維軟件（jiàn）能夠方便地對零件進行工藝處理，生（shēng）成零件加工的走刀軌跡文件，但該文件尚不能直接用於機床加工。當前主要（yào）通過後（hòu）置處理器對刀（dāo）軌文件進行處理，將其轉化為（wéi）機床能夠直接（jiē）讀取的 NC 程序，從而實現（xiàn）複雜零件的加工。本文以 WFL M65 車銑複合加工中心為研究對象，對機床結構（gòu）展開研究，基於 VC + + 開（kāi）發適用於該機床的（de）後置處理器，實現零件（jiàn）的 NC 自動化（huà）生成，並基於 VEＲICUT 仿真平台構建機床的虛擬仿真加工係統，實現工件的（de）仿真加工，驗證 NC 的正確性，保障機床使用安全（quán）。
1、機床結（jié）構介紹
WFL M65 車銑複合加工中心的運（yùn）動結構如圖1 所示，該機床（chuáng）共有 7 個運動（dòng）軸，包括: 3 個平動軸X1，Y1，Z1，分別繞 Y 軸和 Z 軸旋轉的 B1 軸、C1 軸，中心架運動的 Z2 軸，尾座運動的 Z4 軸（zhóu）。機床具有2個主軸: 車削主軸 S1 和銑削主軸 S3。在車削模式下繞 Z 向旋轉的主（zhǔ）軸為車削（xuē）主軸（zhóu） S1，當機（jī）床轉換到銑削模式下（xià），車（chē）削主軸切換（huàn）為 C1 軸。
圖1：WFL M65 機床運動（dòng）結構
2、機床運動學建（jiàn）模與後（hòu）置處理算法研究
數控加（jiā）工（gōng）係統中，坐標（biāo）點的變換是在（zài）三維空間中進行的，其具體變化可分為旋（xuán）轉變換（huàn）和平移變換。開發後置處理器時，定義（yì）物體（tǐ）繞坐標軸旋轉的正方向為右手螺旋方向，三維旋轉變換可看（kàn）作是三個二維旋轉變化的合成，即分別繞 X，Y，Z 軸的旋轉; 平移變（biàn）換也可視為分別沿著X，Y，Z軸（zhóu）的平移變換的合成。後（hòu）置處理時（shí），對機床運動的求解就是（shì）將刀具軌（guǐ）跡點的坐標值從工件坐標係轉換到機床坐標係中。圖形變換的齊次變換方程為：
D*= DT
式中: D*為（wéi）變換後圖形上點的坐標矩陣; D 為變換前圖形上點的坐標矩陣; T 為圖形幾（jǐ）何變（biàn）換矩（jǔ）陣。
WFL M65 車銑複合加工中心坐標係統如圖 2所示，Om2Xm2Ym2Zm2為與回轉軸 B 固聯的坐標係，方向與機床坐標係一致; 原點 Om2為回轉軸線與刀具軸線的交點; Om1Xm1Ym1Zm1為與（yǔ）回轉軸 C1固聯的坐標係，方向（xiàng）與機床坐標係（xì）一致; 坐標原點 Om1可在回轉軸線上任意選取。顯然，其運動關（guān）係即是刀具坐標係 OtXtYtZt相對於工件坐標係 OwXwYwZw的變換關係（xì），進一 步可 分 解 為 OtXtYtZt相 對 於OmXmYmZm的（de）平動和OmXmYmZm相對（duì）於 OwXwYwZw的轉動。
圖2：機床坐標係統
設圖 2 所示為機床初始狀態，其中刀具軸線（xiàn）平行於 Z 軸，工件坐（zuò）標係方向與機床坐標係（xì）一致，刀具坐標係與工件坐標係原點重合。通過 OtXtYtZt相對（duì）於 Om2Xm2Ym2Zm2旋 轉（zhuǎn）、Om2Xm2Ym2Zm2相對於Om1Xm1Ym1Zm1平 移 和 Om1Xm1Ym1Zm1相 對 於OwXwYwZw旋轉的坐標變換，可得:
式中: T 和 Ｒ 分別為平移和回轉運動的齊次坐標變換矩陣; μx，μy，μz為刀具三維坐標值; Px，Py，Pz為刀軸矢量值（zhí）; rs為刀具坐標係相對工件坐標係的變（biàn）換矢量; rm1為與 C 軸固連的坐標係相對工件坐（zuò）標係的變換矢量; rm2為與（yǔ） B 軸固連的坐標係相對工件（jiàn）坐標（biāo）係（xì）的變換矢量; θB為繞 B 軸的旋轉角度; θC為繞 C 軸的旋轉角度。根據圖形學知識，將矩（jǔ）陣T，Ｒ 代入（rù）式( 2) 、( 3) 中求解，可得機床各（gè）運動軸的計（jì）算公式。B 軸（zhóu）轉角 θB的計算公式（shì）如下:
在標準右手笛卡（kǎ）爾坐標中，B 軸轉角範圍為0° ～ 180°，k 值應當取正值，但 WFL M65 車銑複合（hé）加工（gōng）中心中 B 的角度設置區間為 － 90° ～ + 90°，因（yīn）此 θB的計算公式（shì）應修正為：
C 軸轉角 θC的求解應根（gēn）據 μx和 μy的取值情況進行（háng）分類分析:
X，Y，Z 軸的運動（dòng）計算公（gōng）式如下:
式中: sx，sy，sz分別為工件（jiàn）坐標係下機床 X 軸、Y 軸、Z 軸的坐標值; mx，my，mz分別為刀尖的三維（wéi）坐標（biāo）值; px，py，pz為刀軸的矢量值; L 為刀具長度補償值。
3、基（jī）於 VC + + 的後置處（chù）理器開發
後置處理（lǐ）的過程就是通過後置處理器（qì）將工藝處理（lǐ）過程中生（shēng）成的刀（dāo）具軌跡文件（jiàn）根（gēn）據機床結構及控製係統進行轉化（huà），生（shēng）成（chéng）機床能夠直接（jiē）識別（bié）的 NC代碼，其基本過程（chéng）如圖 3 所示。開發後置處理器，其（qí）程序（xù）語言需要匹（pǐ）配（pèi）實際機床的控製係統，WFLM65 車銑複合加工中心控製係統為 SINUMEＲIK840D，開發時（shí）需根據該控製係統的功能代碼（mǎ）進行專門的後置（zhì）處理器配置。
Visual C + + 2010 是（shì）一款可視化應用程序開（kāi）發（fā）工（gōng）具，本文基於其提供的（de） Ｒibbon 界麵，完成（chéng）車銑複合加（jiā）工（gōng）中心五軸後置處理器“5AXIS － POST”的（de）開發。刀具軌跡文件中包含了刀具的位置、矢量、加工換刀、進給等所有加（jiā）工信息，後置處理器需對其進行定（dìng）義（yì）和轉（zhuǎn）換，使之成為機床能直接識別的NC 程序。處理器開發過程中，最複雜的內容就（jiù）是對走刀路徑的數值轉換，刀軌（guǐ）文件中所提供（gòng）的數值（zhí）為刀尖點的（de）空間坐標和刀軸矢量 ( x，y，z，i，j，k) ，需將其轉化為機（jī）床運動軸 X，Y，Z，B，C 的數值。程序處理中，通過提取刀位點數值（zhí），並根據前文所得（dé）計算公式求解各運動軸數值。
圖3：後置（zhì）處理器開發流程（chéng）
4、虛擬仿（fǎng）真加工
由於後置處理所生成 NC 的正確性無法保證，因此需要對（duì） NC 進行正確性檢驗。傳統的 NC 驗證是通過樣件試切的方式來完成，然而對於車銑複合（hé）機床（chuáng）而言（yán），機（jī）床加工時刀具空間位姿複雜多變，一步出錯就可能導致撞刀（dāo）等危險情況發生，給企（qǐ）業帶來較大損失。本文通過（guò）虛擬仿真技術，基於VEＲICUT 仿真平台，構建 WFL M65 虛擬仿真係統（tǒng），並以葉輪零件為樣件實現仿真加工，檢驗 NC的正確性，同時驗證後置處理器的正確（què）性。圖 4 所示為 WFL M65 車銑複合加工中心的虛擬仿真係統，通過該係統（tǒng）能夠對 NC 加工過程（chéng）中機（jī）床各運動軸狀態進行（háng）監管，預測加工中可能存在的幹涉、碰撞等危險情況，方便技術人員（yuán）對加工中出現的（de）問題（tí）進行原因（yīn）分析，從而對加工工藝進行改進，確保加工過程中（zhōng） NC 的正確性。
圖4：WFL M65 虛擬仿真加工（gōng）係統
仿真加工結（jié）束後，可（kě）以對加工中存在的過切、欠切問題進行分析，進而查找前置工藝處理中存（cún）在的（de）問題並進行修改、優化。圖5 所示為葉輪零件的仿真加工結果，圖 5( a) 中（zhōng）將（jiāng）加工（gōng）精度設置為0． 2mm，零件表麵及（jí）葉片根部存在較多陰（yīn）影區域，顯示存在較（jiào）多欠切部分; 圖 5( b) 中將加工精度設置為0．7 mm，欠切部分主要集中在葉輪邊緣和葉片頂（dǐng）部區域（yù）。比較加工後的結果，明顯看出葉輪表麵存在欠切部分，尤其是葉片根部，當加（jiā）工精度要求進一步提高時（shí），需通過清根、磨削等（děng）加工來滿足質量要求。
圖5：仿真加工結果檢驗
5、實際加工
將虛擬驗證後的 NC 載入實際（jì）機床中，添加毛坯並定義與仿（fǎng）真中一致的加工坐標後，進行葉輪零件的樣件加工（gōng），加工過程（chéng）如圖 6( a) 所示; 加工完成後對加工結果進行檢測，如圖 6( b) 所示，葉輪表（biǎo）麵（miàn）及葉片根（gēn）部存在較多殘（cán）留，與仿真加工結果一致。通過對加工過程的觀察及對加工結果的檢測，證實了 NC 程序的正確性，進而驗證了本文所開發的後置處理器的正確性和可（kě）靠性。
6、結束語
圖6：葉輪實際加工驗證
本文以 WFL M65 車銑複合加工中心為對象，基於 VC + + 平台開發了（le）適用該機床的專用後置處理器，經實際驗證其能準確、可靠地實現 NC 程序的自動化獲取。但由於不（bú）同機床的運動軸結（jié）構不同，該處理器尚無法實現通用，後期需通過總結更多機床結構，進行係列化設計開發，拓寬該後置（zhì）處理器的應用範（fàn）圍。
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