AC回转工作台式五轴机床后置处理器研究与实现

宋世柳，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，柳州 545006）

0 引言

后置处理是在CAM功能完成刀位文件生成的前置处理基础上，依据特定机床结构生成特定数控系统所能够识别的数控代码的过程,是数控自动编程过程中一个重要组成部分。五轴联动机床由于在三平移自由度的基础上加入了回转工作台或摆动主轴，机床结构变化多样，运动轨迹坐标变换算法也不尽相同，CAM模块难以实现各类机床结构的后置处理功能。此外各类数控系统中的某些特殊功能所对应的G、M代码的意义和格式也存在差异。开发与机床结构和配套系统相适应的后置处理软件是五轴联动机床国产化的迫切需求。本文在UG输出的刀位文件基础上，针对配以SIEMENS 840D系统、轴线垂直相交的AC回转工作台式数控机床的后置处理进行了研究和实现。

1 机床运动轨迹坐标变换

UG前置处理输出的刀位文件主要描绘的加工走刀轨迹，是一系列由刀心坐标Pw(x,y,z)和刀轴矢量Uw(i,j,k)联合描述的刀具位姿的集合，是建立在工件坐标系上的。而数控系统能够识别的NC代码则是建立在机床坐标系上。因此，后置处理最重要的任务是根据具体机床结构，通过相应的坐标变换，将刀具位姿转换成为机床坐标系下由五个相互独立驱动轴控制的平移坐标Pm(X,Y,Z)和旋转坐标Um(A,C)，并根据上下文中的APT语法格式，选择合适的插补方式构成这些坐标间的运动进给指令。

图1 机床结构

图2 坐标关系

轴线垂直相交的AC回转工作台式数控机床的结构如图1所示，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A或C分别绕X轴或Z轴自由独立旋转A角或C角；两旋转轴线垂直相交。机床运动坐标的变换求解如图2所示，回转类零件的工件坐标系OwXwYwZw原点通常取在自身回转轴线上，并且装夹于回转工作台C上，与机床坐标系OmXmYmZm原点的位置关系是主轴Z方向d距离的平移。首先进行坐标平移变换TZ,使工件坐标系原点与机床运动坐标系原点重合；由于机床结构限制了加工时刀具轴线必须平行于机床Z轴，所以机床需要分别驱动A、C两回转工作台旋转A、C角度，以满足工件坐标系下的刀轴矢量Uw要求。对应的是要求工件坐标系再进行RC和RA坐标旋转变换。A、C角度与Uw的关系如图3所示。回转台C首先旋转角度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。

图3 A、C角度与Uw的关系

由上述的坐标平移和坐标旋转，可知机床坐标系下的平移坐标Pm与工件坐标系下的刀心坐标Pw的变换关系：

其中：

将刀位文件中的Pw、Uw依次通过上述坐标变换转换为机床运动坐标Pm、Um，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。如下段刀位文件：

SPINDL/RPM, 2500, CLW

RAPID

GOTO/64.9943, -74.8217, -83.2519, 0.2074234,0.1841824, 0.9607562

FEDRAT/200.0000

GOTO/80.7726, -71.9147, -71.6944, 0.2235172,0.1467847, 0.9635841

后置处理得到的NC代码如下：

S2500 M03

GOO X-99.103 Y-19.282 Z70.677 A0.281 C2.297

G01 X-104.449 Y-43.516 Z51.950 A0.271 C2.152 F200.00

2 钻削循环后置处理

出于方便编程和工艺功能多样性的原因，各数控系统提供了大量未做统一规定的功能代码；数控机床厂家也会根据具体需要自行定制功能代码。例如常用循环加工，在FANUC Oi Mate和SIEMENS 840D系统中的代码就不尽相同，并且其后的加工参数也会由于工艺的变化而存在较大差异。因此针对这些非标准的数控功能代码，在后置处理中需要将刀位文件中的相应伪码转换成为系统能够识别的NC程序。

通常数控系统将孔系的钻攻镗循环加工实现于一类钻削工艺子程序中，并将不同孔系的复杂钻削加工过程简化为子程序参数设置[2]。例如具有退刀排屑功能的深孔钻削循环工艺过程如图4所示。与其相对应的在UG前置处理输出的钻削循环部分刀位文件APT格式如下：

CYCLE/DRILL,DEEP,STEP[,data[,data…]],DWELL

[,data],RAPTO[,data],FEDTO[,data],RTRCTO[,data], MMPM[,data],OPTION GOTO ……CYCLE/OFF

图4 带退刀排屑功能的深孔钻削工艺

表1列出了实现这一钻削循环加工对应的840D系统CYCLE83指令和Oi MA系统G83指令的参数及对应的工艺要求和APT关键词。

表1 深孔钻削循环指令参数对应关系

对于SIEMENS 840D数控系统的机床，后置处理程序顺序读取刀位文件时，在CYCLE/DRILL，DEEP关键字处，需要选择CYCLE83指令，并依据上述各工艺参数的对应关系，完成指令参数的变换。结果如下：

UG刀位文件：

CYCLE/DRILL,DEEP,STEP,40.000,35.000,30.000,D WELL,1.00 0,RAPTO,5.000,FEDTO,-105.000,RTR CTO,10.000,MMPM,200.000,OPTION

GOTO 150.000,35.000,140.000,0.000,0.000,1.000

GOTO -150.000, 35.000,140.000,0.000,0.000,1.000

CYCLE/OFF

相应后置处理结果：

G00 X150.000 Y35.000 Z150.000 F200.000

CYCLE83(150.000,140.000,5.000,,105.000,,40.000,

5.000,1.000,,1,1)

G00 X-150.000 Y35.000 Z150.000 F200.000

CYCLE83(150.000,140.000,5.000,,105.000,,40.000,5.000,1.000,,1,1)

3 结束语

对AC回转工作台式数控机床的后置处理中主要的运动轨迹坐标变换进行了研究，给出了坐标变换求解方法；并对840D、Oi Mate数控系统中的某类非标准功能代码的转换进行了论述。最后在以UG前置处理输出的刀位文件基础上，使用Visual C++对上述后置处理功能进行了实现。在具有此类机床结构的BV-100数控机床上加工某叶轮样件验证了后置处理算法的正确性，如图5所示。开发的后置处理软件具有较好的生产应用价值。

图5 叶轮样件的加工

[1] 王爱铃, 沈兴全, 吴淑琴, 等.现代数控编程技术及应用[M].北京: 国防工业出版社, 2005.

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

[3] 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.

[4] 梁蔓安, 唐清春, 黎家宏.基于UG的五轴联动机床后置处理器的研究与实现[J].组合机床与自动化加工技术,2011 (6): 16-20.

[5] 周立波, 李厚佳.基于UG的加工仿真及后置处理器的开发[J].制造业自动化, 2007(2): 47-50.