五轴龙门摆头机床Cimatron后置处理的研究

周 吉, 尹冠群, 杨家荣

(上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070)

无论是哪种CAM软件,其主要用途都是要生成在机床上加工零件的刀具轨迹(简称刀轨)。一般而言,由于各种类型的机床在物理结构和控制系统方面可能不同,它们对NC程序中指令和格式的要求也可能不同,因此CAM软件内部生成的刀轨数据必须经过处理才能适应每种机床及其控制系统的特定要求[1]。Cimatron软件是目前国内应用较为广泛的一款优秀的CAM软件,对其后处理的研究有一定的实际意义。

数控机床是按数控程序进行加工的。在应用CAM软件生成数控程序时,先要产生刀位文件,再通过后处理文件,将刀位文件编译成数控程序,不同于手工编程[2]。刀位文件是反映刀具运动轨迹的文件,是CAM软件按照编程员的加工工艺,在假定工件固定不动,而刀具运动的情况下,由软件自动计算产生的。这样做,是因为不同的数控机床采用的控制系统的指令是不同的,为使软件能够通用化,就先产生刀位文件,然后再根据具体的控制系统,用后置处理工具,产生专用的后处理文件,并通过它将刀位文件编译成数控程序。不同的CAM软件,后置处理软件也不尽相同,本文以QLM305龙门五轴摆头机床为例,介绍Cimatron软件中后置处理软件的使用方法,并给出了定制SE300数控系统专用后置处理文件的实例。

1 Cimatron两种后置处理软件 GPP和IMSPOST的功能特点

GPP(General Post Processor)是 Cimatron公司开发的后置处理工具,通过对demo.def和demo.exf模板后处理文件作适当修改,可以生成符合用户需要的后处理文件,主要特点是修改完成后使用方便。目前该方法主要用于三轴以下机床的后处理。

Imspost是基于宏汇编的后处理程序编辑器,可支持各种CAD/CAM软件生成的刀位文件的后置处理,并提供了多种后置处理文件库,可支持更广泛的数控机床。同时也提供了非常丰富的定制功能,可生成任意形式的后置处理文件,从而可更好地提供支持高速加工、多轴加工的后置处理。所有用户需要的后处理程序都可以通过执行Imspost后生成[3]。在多数情况下,用户只需在Imspost软件的对话窗口和菜单项中编辑和定义宏参数,不必进行任何宏程序的编制就可以得到为机床定制的后处理文件。在IMSPOST中不但可以定制后处理文件,也能用定制后的后处理文件把刀位文件转换成数控程序。如在Cimatron中将刀具轨迹生成apt文件(需要把apt.def和apt.dex文件放到Cimatron安装目录varpost中),然后在 Imspost主菜单中选择 execute process,在Input栏中选择要转换apt文件,默认Output栏中的文件名,在Input type栏中选择CIMAT RON类型,然后点击Go,窗口就会显示转换进度。利用这个软件工具,还可转换如 CATIA,DELCAM,EUCLID,PTC,UNIGRAPHICS等其他CAM软件产生的刀位文件,注意需要在Input type栏中选择对应的类型。

2 QLM305龙门五轴摆头机床结构

QLM305龙门五轴摆头机床为定梁定柱五轴联动龙门加工机床,由上海庆强数控机床有限公司联合上海电气中央研究院生产。它是一种工作台固定,装有AC铣头的横梁沿X向运动、滑板沿横梁Y向运动、滑枕铣头沿滑板Z向运动、铣头摆动和回转的五轴联动数控龙门加工中心。五轴五联动A,C轴双摆头,可完成空间任何方向的定轴加工和曲面连续摆轴加工,控制定位准确、安全,由于采用动梁式机床结构,再加上1.6 m×3 m的工作台,所以机床可最大承载22.5 t的工件重量。可一次装夹工件进行五轴联动加工和任意空间方向的铣、樘、钻等工序加工。控制系统自动化程序高,采用上海电气中央研究院研制的SE305开放式数控系统,该数控系统具有开放性,用户可以订制人机操作界面,自行开发特殊的功能模块,集成到数控系统中去,与专用数控系统相比,具有较高的性能价格比。QLM305龙门五轴摆头机床结构如图1所示,适用于航空航天、模具、船舶、汽车等需加工大中型复杂零件的制造领域。

图1 QLM305龙门五轴摆头机床

3 Cimatron后置处理的准备工作

在Cimatron软件生成后置处理文件之前,必须知道机床各轴的空间位置、对应关系、行程范围、相对距离等相关数据,这些数据都要进行严格的测量才能生成准确的后置处理文件。现针对QLM305龙门五轴摆头机床,给出测量和得到所需数据的方法。

3.1 X,Y,Z,A,C轴的行程范围

各轴的行程范围一般在机床技术说明书中可以找到,若找不到说明书,可以通过移动机床各轴到软限位或硬限位,从数控界面中得到。这些参数在设置后置处理中需要使用,如果行程设置得不正确,将会出现机床碰撞的危险,故这些参数的准确性尤为重要。

QLM305龙门五轴摆头机床的各轴行程范围见表1。

表1 五轴龙门摆头机床各轴行程

3.2 X,Y,Z,A,C轴的回零点位置和最大进给速度

X,Y,Z,A,C轴的回零点位置和最大进给速度在机床技术说明书上可以找到,同时这些数据也可以在机床数控界面上找到。有些机床回零点位置可能不为0,需要准确记录这些数据。

QLM305龙门五轴摆头机床的数据见表2。

表2 五轴龙门摆头机床各轴回零点位置和最大进给速度

3.3 A,C轴的测量

如果 A,C轴是从厂家购买的标准产品,则在技术说明书上会有这些技术参数,如果是非标产品那就要根据以下方法测量出 A,C轴的相关数据。

(1)A,C轴的运动形式。A,C轴的运动形式指轴的运动类型是直线运动还是旋转运动,是数值大小代表运动方向还是正负号代表运动方向。

不同的机床和数控系统在定义A,C轴的运动形式时都有不同的定义方式,若在Cimatron后置处理中定义A,C轴的运动形式时出错,就会产生程序错乱。

QLM305龙门五轴摆头机床 A,C轴都是旋转轴,正负号代表方向。如数控指令G0 C45代表C轴向正方向转到45°,数控指令G0 C-45代表C轴向负方向转到 45°。

(2)A轴与C轴中心的偏差距离。在A轴与C轴制造和安装过程中都会出现微小的误差,导致 A轴中心和C轴中心不在同一直线上,而这些微小的误差在五轴加工时也会导致加工精度的偏差,从而使整个零件报废。Cimatron后置处理中就能补偿这些误差的参数,只要测量准确,生成的后置处理文件就能得到保证。

A轴与C轴中心的偏差距离的测量可以用一把φ 20的立铣刀,把A轴移动到0°,C轴也移动到0°,在一块平板试件上加工一条直线,并停在平板试件的中间,再将C轴移动到180°,此时若 A轴与C轴中心的距离出现偏差,那么在平板试件上会产生2个相交的圆,通过测量这2个相交圆的距离就可以得到A轴与C轴中心的偏差距离。

经过测量QLM305龙门五轴摆头机床A轴与C轴中心的偏差距离为0.8 mm。

3.4 A轴旋转中心到刀具刀尖的测量

QLM305龙门五轴摆头机床上加工的刀具为φ 20球头刀,以此为例来讲解如何测量和计算A轴旋转中心到刀具刀尖的距离。

第1步,将装有φ 20球头刀的刀尖移至基准件的表面,如图2所示,并记录下当前点Z的坐标值,QLM305龙门五轴摆头机床记录的当前点坐标值为Z1=-876.394。

图2 A轴中心到刀具刀尖的测量示意图1

第2步,将 A轴旋转90°,以球头刀的侧刃接触基准件的表面,如图3所示,并记录下当前点Z的坐标值,QLM305龙门五轴摆头机床记录的当前点坐标值为Z2=-1450.769。

第3步,计算C轴中心到刀具刀尖的距离L=Z1-Z2+D/2

图3 A轴中心到刀具刀尖的测量示意图2

式中,L为A轴旋转中心到刀具刀尖的距离；D为刀具直径。

QLM305龙门五轴摆头机床 A轴中心到刀具刀尖的距离L=-876.394-(-1 450.769)+(20/2)=584.375。

4 Cimatron后置处理设置

4.1 后置处理的定义

Cimatron刀具路径生成后,会将刀具路径输出为刀具位置源文件。刀具位置源文件是一个包含标准刀具控制程序自动编制系统(Antomatically Programmed Tools,APT)命令的文本文件,不是数控程序,需要设法把刀具位置源文件转换成指定数控机床能执行的数控程序,才能进行零件的数控加工,这种转换过程称为后置处理。

后置处理过程是对刀具位置源文件的解释执行。对于五轴数控加工,后置处理算法与数控机床控制器类型、机床运动关系等因素有关。按照实际使用的数控机床的硬件布置和控制系统,通过后置处理程序,将刀具位置源文件转化成NC代码,就可以输出到数控机床进行零件的加工。

4.2 Cimatron三轴后置处理与五轴后置处理的区别

从轴数上看,三轴机床为X,Y,Z 3根轴,五轴机床为X,Y,Z,C,A,五轴机床比三轴机床多2根轴。所以在五轴后置处理时要多比三轴后置处理多设置2根轴。从机械结构上看,三轴机床的X,Y,Z轴都是直线轴,五轴机床是X,Y,Z直线轴加上2根旋转轴。所以五轴五轴后置处理时在设置机床部件和结构时要比三轴后置处理设置更为复杂。五轴后置处理需要计算和设置各根旋转轴之间的距离、旋转轴到刀尖的距离,而三轴后置不需要考虑这些。

4.3 QLM305龙门五轴摆头机床后置处理设置

QLM305龙门五轴摆头机床采用的是3直线轴加2旋转轴的五轴机床,后置处理使用Cimatron自带的IMSpost后置编译器。利用IMSpost后处理可非常方便地设置相应的数控系统,IMSpost提供了如 Funuc,Siemens,Heidenhain和Mazak等数控系统的后处理程序,提供了宏程序功能,能处理绝大多数其他CAM软件生成的刀位文件[4-5]。用户也可开发适合自己数控系统的后置处理程序。

后置处理的构建是NC程序能否正确运行的关键,五轴后置处理的关键是如何正确设置机床模型的各项参数,现根据QLM305龙门五轴摆头机床进行设置。

(1)机床类型选择。Cimatron后置处理中提供了三轴至五轴各种机床的机床模型,五轴机床主要有双转台五轴、双摆头五轴、转台加摆头五轴3种形式的机床。根据QLM305龙门五轴摆头机床的结构形式选择双摆头五轴机床模型,如图4所示。

图4 机床类型选择

(2)机床限位设置。每个数控机床都有行程限制,五轴数控机床也不例外,在Cimatron后置处理中 Machine travel limits设置QLM305龙门五轴摆头机床的行程范围,数据设置按照表1填写。

(3)机床轴设置。轴设置包括轴类型、轴方向、正负号代表运动方向、最大进给速度等,QLM305龙门五轴摆头机床按照表2和 A,C轴的运动形式设置。图5为C轴的轴设置。

图5 C轴设置

(4)机床参考点设置。如图6所示,包括 A轴与C轴中心的偏差距离和A轴旋转中心到刀具刀尖的距离,这2个参数设置是五轴后置处理中的重中之重,因为若这2个值偏差一点,体现在五轴数控加工时的偏差将会出现几何倍数的增长。

图6 机床参考点设置

5 Cimatron后置验证

刀路加工轨迹是否正确,可以用Cimatron高级仿真来验证。而Cimatron后置处理文件的正确性,则要依靠其他数控加工仿真软件来检验。如Vericut数控加工仿真软件。Vericut采用了先进的三维显示及虚拟现实技术,对数控加工过程的模拟度达到了极其逼真的程度,可以同时进行刀具轨迹和机床运动仿真[6]。

五轴零件在Cimatron软件中生成刀路加工轨迹,轨迹确认无误后,采用Cimatron后置处理软件生成的后置处理库文件对刀路加工轨迹进行后置处理,后置处理形成数控系统可识别的NC代码程序。

采用Vericut数控加工仿真软件对Cimatron软件生成的NC代码程序进行加工仿真,设置同实际机床同样结构、行程的机床模型,配置加工所需的刀具,导入待加工五轴零件毛坯和NC代码程序。运行NC代码程序,查看机床仿真加工过程,通过加工效果、干涉碰撞等检查,验证加工程序的正确性和刀路轨迹的合理性[7]。如果加工效果和要求的一样,那么后置处理是正确的,否则还要进一步修改。图7为龙门五轴摆头机床叶片仿真加工。

图7 龙门五轴摆头机床叶片仿真加工

6 结 语

Cimatron软件为用户提供了功能强大的通用CAD/CAM系统,但目前用户对其后置处理程序的使用比较陌生,特别是五轴联动后置处理方面,用户在使用软件时由于不了解情况,没有对后处理文件进行适当修改,导致不能生成符合要求的NC程序,在进行手工修改时,如果没有全部更正,很可能造成事故。用本文介绍的方法生成后置处理文件,经实际操作使用验证,完全符合要求,希望对有关人员有所启发。

[1] 唐立山.CAM后置处理研究[J].航空精密制造技术,2006,42(3)：60-62.

[2] 唐 林.数控加工的后置处理技术[J].新技术新工艺,2008(7)：24-25.

[3] 赵敏颖.浅谈Cimatron E的二次开发[J].模具制造,2007(6)：78-80.

[4] 余红华,吕 强,陈伟锋.Cimatron软件的后置处理程序及应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2005(11)：82-84.

[5] 杨轶峰,郝永刚,李 刚.基于 CIMAT RON的五轴3+2定位加工实践[J].新技术新工艺,2009(4)：63-65.

[6] 李云龙,曹 岩.数控机床加工仿真系统 VERICU T[M].西安：西安交通大学出版社,2005：1-2.

[7] 邓维鑫,周 奎,司徒渝,等.基于VERICU T的水轮机叶片五轴联动数控加工仿真技术研究[J].机械,2009(7)：28-30.