基于CAD与NC加工验证的五轴加工中心设计方法

王 准

（安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000）

当前，我国的制造业正在不断地向高柔性、高精度、高技术密集方向发展，作为高端制造装备的五轴加工中心，日渐成为不少数控机床设计与制造企业新的研制、开发、推广目标，也是未来很长一段时间内，该类公司的新利润增长点;同时各类机械加工生产企业，对这类高端机床的需求欲望也日益强烈。

从机床设计、制造角度看，五轴加工中心相对于普通三轴、四轴加工中心而言，其结构布局更加复杂，CNC配置更加灵活。其机械本体与所用CNC之间的整体协调性，机床静态布局与其动态位姿匹配则是总体设计阶段首先要解决好的问题。为此，笔者研究了各类计算机辅助设计（CAD）平台和数控加工验证平台，提出了一种融合两方面技术，实现五轴加工中心高效率、高质量研发的方法。

1 五轴加工中心的特点及总体设计工作

1．1 五轴加工中心类型

所谓加工中心的五轴，是指3个移动轴（X/Y/Z）和两个转动轴（A/B/C中任意两个）。不同转动轴的组合方式，就形成了不同的五轴加工中心类型;不同的类型，其总体性能特点和适用范围也不相同。

从两个转动轴所依附的机械本体而言，可以把五轴加工中心大致分为3种基本型:（1）两个转动轴都由工作台来完成;（2）两个转动轴都由主轴来完成;（3）混合方式——一个转动轴由工作台完成，另一个转动由主轴来完成。进一步考虑A/B/C以及主轴的立、卧方式，可以细分出更多具体的配置方式。不同的配置方式，各有不同的优缺点。

考虑到第3种类型——混合方式，具备第1、2两种类型的一些共同特性:高刚度和大行程，可以实现重载与高速数控加工。因此，本文以第3种基本型——混合（复合）型，并结合立、卧两类布局，详细说明融合CAD技术和数控加工后置验证技术，分析五轴加工中心总体设计的基本原理和方法。

1．2 五轴加工中心总体布局CAD

由于历史沿袭和使用习惯原因，国内不同地域、不同企业使用的CAD平台，各不相同。从低端专用产品设计软件包到集大成的Catia不等，但其中，计算机辅助产品开发的基本原理是相同的，即:从市场需求中获取产品工程特征要素，把这些工程要素，转换成产品总体特征模型;对该总体模型进行可行性、可靠性、技术经济性等初步评估（也称产品概念设计）;结合手工分析和各个层次的CAE技术，包括使用产品各个层级的数字样机技术，进行产品各个次级零部件细化设计（CAD过程中，特征信息不断地被传递、升级、完善），此细化过程中实质是融合DFX（Design for Manufacturing，Design for Assembly，Design for Dismantle…）理念的并行设计;数字样机被验证无误之后，便是物理样机的试制、评估、量产、市场反馈、更新……不断迭代升级而使产品持续地被完美化。显而易见，这一复杂过程中，产品的总体设计起着统领全局的关键作用。对于五轴加工中心这类高端产品而言，更是如此。现以Inventor和Solidworks两个CAD平台中，进行立、卧两种混合型五轴加工中心总体布局设计为例，分析说明其中的关键问题。

如图1所示，是Inventor中立式混合型五轴加工中心总体布局方案:X/Y/Z+C轴数控回转工作台+B摆动轴（主轴依附其上，实现±90°～120°摆动）;如图2所示，是Solidworks中卧式混合型五轴加工中心总体布局方案:X/Y/Z+B轴数控回转工作台+A摆动轴（主轴依附其上，实现±90°～120°摆动）。此总体布局方案是通过TopDown设计和BottomUp装配确定的。

以Topdown方式进行布局设计时，设计平台的“组件”环境，类似于“产品开发部”。由于带回转工作台的加工中心，一般以转台的边长为主参数，整体加工中心就以回转工作台的几何特征为驱动源——“回转工作台”是该类机床型谱结构变化中，控制全局的零件。所以在“产品开发部”顶层节点就是“回转工作台”（参看图3），并由此逐级展开且关联式创建:可以跟随工作台变化的加工中心总体布局特征模型。此过程不再赘述，读者可以参看文献［1］。

以BottomUp方式进行加工中心装配时，设计平台的“组件”环境，类似于“装配车间”。在此“装配车间”进行五轴加工中心组装时，一个重要问题就是该数字样机的“机床原点”与设计平台缺省的坐标原点的一致性问题。一般情况下，五轴加工中心的“机床原点”是各个转轴的交点，而X/Y/Z方向必须符合右手直角笛卡尔坐标系规范，由此可以建立机床坐标系。此坐标系应该与所用CAD平台内缺省坐标系重合。这一要求，必须在BottomUp组装中得到充分保证。需要注意的是:不同CAD平台往往缺省的坐标系方位是不同的，如Solidworks和Catia同属一个母公司，但两者缺省坐标系方位完全不同。本文中，涉及到的Inventor和Solidworks也是不同的:Inventor缺省的Z是朝上的（图1，与立式布局一致）;Solidworks缺省的Z轴是水平的（图2，与卧式布局吻合）。

在CAD平台内完成的五轴加工中心总体布局，是否能够与数控加工所需的复杂运动要求相适应?即，与配套的CNC协调一致性如何?目前，从低端到高端的CAD平台内，是不能够解答这些疑问的。在所设计的五轴加工中心物理样机被制造出来之前，解决这些问题的可行性手段，便是借助专业数控加工验证平台，对疑问进行逐步排解。下面以Vericut软件为例，针对五轴加工中心总体布局设计，具体说明处理这些问题的基本方法和关键措施。

2 数控加工验证所需的准备工作

2．1 根据机床用途选择典型加工零件

图1和图2所示的混合型五轴加工中心，在复位状态时，主轴分别处于竖直和水平姿态。显然，图1展示的机床总体布局属于立式数控机床范畴，图2则为卧式数控机床范畴。这两种机床的主轴依附在摆动转头上，工作运动时，主轴可以分别实现水平和立式姿态;使用这类机床加工箱体类零件时，一次装夹便可以完成，除底面之外的其他各个表面上所有加工要求。所以，笔者选择2个减速器下箱体作为典型被加工零件，来进行五轴加工中心总体布局相关问题的探索。

如图4和5所示，是两种不同类型的上下合盖式减速器的下箱体。完整的减速器上下合盖加工工艺规程设计，不属于本研究、讨论范围，本文选择其分体粗加工阶段、使用五轴加工中心，完成下箱体各个相关表面的预加工工序，以研究五轴加工中心机械本体与由CNC驱动的运动之间，协调性与合理性方面的问题。

2．2 完成典型零件的数控程序

从图4和图5可以看出，下箱体的预加工阶段，需要对顶面、两轴承盖侧面以及注油口侧面（含斜面和垂面）上的孔系和平面进行初步加工。考虑到柔性制造的发展趋势，本例中，用组合夹具实现工件的装夹要求。图6和图7分别是两个零件预加时，在立、卧五轴加工中心上被装夹后的状态展示。计算机辅助数控编程（CAM）时，可以连同夹具一起导入到CAM平台，也可以单独把下箱体（预加工终了状态特征结构）导入CAM平台，来完成数控程序。

完成的数控程序和相应刀具信息，将是加工中心后置验证时的基础信息。有关G代码解读与修改等数控程序后置验证问题，不是本文研究的重点内容。

2．3 创建机床验证模型树及其模型

首先在Vericut中创建与立、卧五轴加工中心各零部件结构拓扑关系一致的模型树。在模型树的相应节点，导入CAD平台中已经完成的各个零部件模型文件（与此过程相关的细节，请参看文献［1］）。如图8和图9所示，分别是在Vericut验证平台中，立式和卧式五轴加工中心的验证模型树和模型。

2．4 把工装信息和数控程序导入验证平台

在模型树的“Fixture”节点导入组合夹具模型文件;在模型树的“Stock”节点导入“本工序前工件状态”模型（毛坯）文件;在模型树的“Design”节点导入“本工序终了工件状态”模型文件。数控程序可以直接在“NC Programs”中，导入由CAM平台创建的数控文件。

而数控加工中的多把刀具信息，则必须借助CAM平台和Vericut平台之间的无缝连接技术，进行数据的传递。如图10所示，分别是 Catia/CAM（左）和 Siemens NX/CAM（右）平台下激活Vericut对话框。与此相关的一些具体方法，读者还可以参看文献［1］。

3 五轴加工中心的加工运行验证及改进案例

3．1 为验证模型设定CNC型号

在模型树的Control节点，根据机床制造企业实际为五轴加工中心配置的CNC型号，从Vericut控制器数据库中选择相应的“*．ctl”文件进行加载。参看图8和图9左上角线框部分，本次研究中，选择的是Fanuc15M控制器。

3．2 MDI方式初步验证及RTCP功能观察实例

在MDI调试环境中，逐行输入相关G代码指令，驱动机床运动。此方式可直观目测:主轴摆动、工作台转动、X/Y/Z向直线移动等是否合适。进而，可以初步判断五轴加工中心机械本体与CNC的协调性好坏与否。下面，以RTCP功能动作为例，进行说明。

RTCP是五轴加工中心工作中，考虑刀具长度三维补偿时特有的问题。有关RTCP编程及后置验证方面的问题，不是本文讨论的重点。此处，笔者从机床设计角度，讨论针对CNC的RTCP功能，在五轴加工中心总体布局确定过程中，需要注意的问题。

五轴加工中心在激活RTCP功能的情况下，如果刀具需要相对瞬时被加工面的法向，进行角度调整时，其主轴将以刀位点为枢轴进行转动，转动的角度是通过对应的X/Y/Z向直线位移增量来获得的。此时，刀杆越长，转角越大，需要X/Y/Z向移动的行程就越大。作为机床总体布局设计而言，这个因素是需要考虑在内的（若不修改G代码，机床就需要额外增加行程空间）。如图11～13，展示的是不同长短刀具、不同转动角度下，可以直观发现的行程问题。

MDI方式并不能预知五轴加工中心在复杂、多变的实际加工状态下，是否能够顺利实现工作运行。因此，就需要借助对实际数控加工程序的运行观察，来完成机床运动协调性的全面验证。

3．3 总体布局的全面验证

五轴加工中心，将来面对的工作任务，大体可以分为两种情况，一种是“多面定向加工”场合;另一种为“五轴联动”方式加工复杂自由曲面。对五轴加工中心设计者而言，需要查看的是:在加工运动过程中或在不同极限方位时，五轴加工中心机械本体的各个零部件是否协调?对此，用前一种方式——“多面定向加工”，可以更加快捷地解决问题。2.1和2.2节中所涉及到的减速器下箱体预加工程序，便是出于此目的而准备的。

该预加工程序运行时，将驱动五轴加工中心，完成工作台360°范围的分度转动，同时还配合有主轴±90°摆动。可看出加工运行中，涵盖了绝大部分可能的机床姿态，而且耗时少，设计者能够立竿见影地判断:机床布局合理与否。图14展示的是立、卧五轴加工中心，钻削下箱体45°斜面注油孔时，瞬间运行位姿。

3．4 发现及解决问题案例

在MDI方式的初步验证和运行完整数控程序的全面验证过程中，机床局部拓扑结构及尺寸上的不合理性，特别是总体布局上的不协调等诸多问题被发现和纠正。现举一个布局由此而改进的实例进行说明。

本文研究的五轴立式加工中心，在早先的配置方案中，直接借鉴了一般四轴立式加工中心的布局结构。众所周知，常见的立式加工中心工作台是类似万能立式铣床的“十字滑台”配置方式:工作台依附在X滑台上，X滑台依附在固定的Y导轨上，从而实现X/Y直线位移。如此布局的五轴立式加工中心，在加工减速器下箱体侧面时，工作台是处于左右两个极端位置，此时的重力载荷，将使机床的承载呈现极不对称性。如图15所示:B轴刀具摆头转动45°，C轴工作台转动90°，进行下箱体注油孔及端面加工。此时整体X导轨副因为左边悬空而承受颠覆力矩。这对机床导轨磨损、受力和热平衡上的稳定性，机床的振动，机床的寿命都会产生负面影响。图16展示的是改进X/Y结构布局后，相同工步的瞬时姿态。显而易见，前述问题就不存在了。

4 结论与展望

对于五轴加工中心这类高端制造装备而言，无论是设计与制造者，还是终端用户，都需要借助计算机辅助技术，来改善其在与此类产品相关生产活动中的质量、效率、成本目标。本文，从机床设备设计与制造者角度出发，以混合型五轴加工中心研发工作为研究对象，分析、阐述了在不同CAD平台（Inventor和Solidworks）中进行五轴加工中心总体设计以及在专业数控加工验证平台（Vericut）进行机床运行验证的基本方法、工作原理和流程。结果证明:五轴加工中心机械本体与其配套CNC间，协调性上的困惑;机床自身各个零部件间，布局合理性中的疑问，都可以非常快捷而准确地被判断并解决。高端数控机床设计与制造者可以在其习惯使用的CAD平台，借助这些通用原理与方法，来改善其五轴加工中心的设计与制造工作。

五轴加工中心进一步的设计工作中，可以把数控加工运行验证中的运动信息输出到CAE平台，而在CAE平台内，可以结合CAD平台的详细工程特征信息，进行加工中心运动学与动力学方面的实时分析;还可以使用FEA方法，对机床各个零部件的物理、机械性能进行定性和定量判断。另外，五轴加工中心的设计与制造者，也可以把加工中心总体布局几何模型，提供给该类机床的终端用户，以方便其在机床使用过程中各个具体的数控程序的后置验证工作。

［1］王准．四轴卧式加工中心上后置加工仿真的实现［J］．制造技术与机床，2012（12）:229－233．

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［5］FIDIA S．p．A．．Fidia c class user and programming manual［CP/DK］．Italy:FIDIA S．p．A．July 2006．

［6］全国机床标准化技术委员会．中国机械工业标准汇编:数控机床卷（上、中、下）［M］．北京:中国标准出版社，2003．

［7］宋放之．数控机床多轴加工技术实用教程［M］．北京:清华大学出版社，2010．

［8］杨胜群．VERICUT数控加工仿真技术［M］．北京:清华大学出版社，2010．