（A-C）式双摆头五轴机床旋转角的选择及优化*

唐清春，马仲亮，刘 谦，张 健

（广西科技大学工程训练中心，广西柳州 545006）

（A-C）式双摆头五轴机床旋转角的选择及优化*

唐清春，马仲亮，刘 谦，张 健

（广西科技大学工程训练中心，广西柳州 545006）

非模态主轴的五轴双摆头机床C轴不能360°自由回转，文章针对这个问题，基于该类机床的基本后置处理算法，提出了一种旋转角优化选择方法，并结合JAVA语言，开发出对该机床的专用后置处理器。最后，通过对某QQ零件的加工验证了旋转角优化选择法在多轴数控加工中具有重要的实用价值，同时此法也为其他同类机床解决旋转角受限问题提供了一定的参考。

双摆头五轴机床；旋转角；后置处理；JAVA

0 引言

近年来，我国的航空航天、船舶、模具以及汽车等行业飞速发展，随之而来零件的尺寸、复杂程度越来越高，原有的三轴机床已不能满足加工要求，各类五轴机床逐渐问世，五轴机床按照结构特点，大致分为三类：双转台五轴机床、刀具摆动工作台回转五轴机床、双摆头五轴机床；前两类机床适用于加工比较复杂且尺寸较小的零件，最后一类机床适合加工尺寸较大、形状复杂的零件。五轴机床的主轴分为模态主轴和非模态主轴两类，带有模态主轴的五轴机床旋转轴均能整周回转，但带有非模态主轴的五轴机床旋转轴不能整周旋转，导致机床加工不到位，严重影响加工效率［1］。本文以汉川机床厂研发的XH/2420五轴双摆头机床为例，此机床为（A-C）式五轴机床且主轴为非模态主轴，A角的摆动范围为（-95°，+95°），C角的摆动范围为（-200°，+200°），无法进行整周加工，因此，本文针对五轴机床带有非模态主轴不能整周回转加工这一问题提出一种角度选择优化方法。

1 五轴双摆头后置处理算法

在研究后置处理中旋转角的选择之前，通常应该先对该机床的后置处理算法进行推导。本文以汉川机床厂研发的XH/2420五轴双摆头机床为例，因在参考文献［2］中已对该机床的后置处理算法进行推导，故计算该机床实际运动坐标值X、Y、Z、A、C的后置处理算法如下［2］：

式（1）中K为主轴端面到摆动中心之间的距离；式（2）、（3）中（ai，aj，ak）为刀位点的刀轴矢量。

2 A、C旋转角的选择

五轴双摆头机床的旋转轴在理想状态下，应该是能自由旋转的。但在实际上的双摆头五轴机床旋转轴的旋转角度都是有所限制的，这样对于需要自由加工的零件十分麻烦。传统方法是将工件先在此位置划线，采用角度测量仪测量将工件旋转一定角度然后再加工，或者在编程时考虑机床的极限旋转角度，在其在其限位点划分加工区域，重新编程再后置处理程序加工。但，此传统方法需经常装拆工件，产生定位误差，或是增加编程麻烦，以及得后处理多个程序，加长了企业的生产时间，且不能保证加工精度［3］。本文提出一种新的方法，既不需要装拆零件，又能解决机床旋转角限位问题。

根据汉川机床厂研发的XH/2420五轴双摆头机床参数得知，A角的摆动范围为（-95°，+95°），C角的摆动范围为（-200°，+200°），由前置处理后得到的刀位源文件经式（2）、（3）所计算出的A、C角均为正值［4-5］。现如今令：

将A，C与A1，C1所赋的值分别代入式（1）展开得：

观察式（4）与式（5），显然结果相等。可以说明求出一对已知角时，将旋转角A变为负值，将旋转角C旋转180°，刀位点的坐标值不变。由此可以看出，可以将超出机床自身旋转范围的C角度变换个180°，再将A角变为相反数即可解决机床加工的盲区问题。根据式（2）、（3）对于上述问题做详细讨论：

图1 角度示意图

（1）根据具体机床旋转轴 C轴的最大极限角αCmax，定义双摆头五轴机床C轴的旋转限位角βC，其旋转限位角是根据具体机床旋转轴C轴的最大极限角αCmax设定的，设定时一般让令旋转限位角βC略小于最大极限角αCmax。一般βC∈（180°，360°），具体参看角度示意图如图1所示。采用式（2）、（3）计算出此刀位源文件中的所有旋转角C，放到一个数组中。提取一个最大旋转角Cmax；比较机床最大旋转角αCmax与刀位点的最大旋转角Cmax；

（2）如果Cmax＞αCmax，再一次采用式（2）、（3）进行计算，保存首行刀位点的旋转角值C1，在计算第二行的刀位点的旋转角值C2，比较C1与C2；

（3）如果Cmax≤αCmax，采用式（2）、（3）进行计算，一切按照算法输出，将转换好的NC代码返回主程序。

通过上述步骤，就可解决第五旋转轴的旋转角度超过机床自身的极限角度，导致超程报警以及有些过限区间无法加工等问题，具体流程参看图2所示。

图2 旋转角选择流程图

3 加工验证

根据上述A、C角的选择方法，结合高级语言JAVA［6］，进行编写后置处理软件［7］，对刀位源文件进行转换，进而得到带有合理A、C角的数控程序，以方便实际加工。

3.1 数控程序验证

本文以某特型零件QQ为加工实例。首先在ug软件中建好QQ的三维模型，其次采用ug软件中自带的自动编程功能，设置好各类加工参数生成合理的刀路轨迹，将刀路轨迹导出为刀位源文件，最终，采用加入A、C角的选择方法的后置处理器与未使用A、C角的选择方法的后置处理器分别对该刀位源文件进行转换，转换后的结果如图3a、图3b所示。

图3 两种选择法的数控程序

3.2 实际加工验证

将上述处理好的数控程序，导入机床仿真软件VERICUT中，模拟仿真切削，将仿真无误后的NC代码传入XH/2420五轴机床内进行实际加工，加工过程中，机床没有出现报警超程的错误信息，且刀路平稳、无转刀、碰撞等现象。加工后的实物图如图4所示。

图4 QQ实物图

4 结束语

本文针对XH/2420五轴加工中心为例，为解决五轴机床在实际加工中因机床自身旋转角的限制问题导致无法满足一次装夹完成整周加工等问题，本文提出了一种对机床旋转A、C角选择法。并通过对某QQ零件进行实际加工验证了此旋转角选择法的正确性，同时免去多次装夹，节省了实际加工时间，大大提高了企业的经济效益。

［1］唐清春，吴汉夫.叶片五坐标联动加工后置处理开发及应用［J］.汽轮机技术，2009，51（6）：475-477.

［2］唐清春，张健，马仲亮，等.国产双摆头五轴机床后置处理的研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2014：35-37.

［3］武跃，王宇晗，毕庆贞.五轴联动数控加工中旋转角的优化和选择［J］.组合机床与自动化加工技术，2009（5）：1-3.

［4］赵世田，孙殿柱，孙肖霞.基UGPOST五轴联动加工中心专用后置处理器的研发［J］.组合机床与自动化加工技术，2006（1）：26-29.

［5］唐清春，吴汉夫.基于CimatronE的四轴后置处理软件开发［J］.设计与研究，2010（6）：15-17.

［6］赵真等编著.Eclipse开发技术详解［M］.北京：化学工业出版社，2010.

［7］周莹君.基于UG NX的5轴联动高速铣削加工中心后置处理软件的研发［D］.上海：同济大学，2005.

（编辑 李秀敏）

The Selection of（A-C）Double Swing Five-axis Machine Angle of Rotation

TANG Qing-chun，MA Zhong-liang，LIU Qian，ZHANG Jian
（Engineering Training Center，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou Guangxi 545006，China）

The non-modal spindle of double swing five axis machine's C axis can not be freely rotated 360 degrees，aiming at this problem，on the basis of the subsequent processing algorithm，proposed a rotation angle optimization selection method，combined with the JAVA language，developed the special post processor for this machine.Finally，through the process of a QQ parts which verified rotation angle optimization selection method has important practical value in multi-axis NC machining，while this same method can also solve the problem of limited angle of rotation for other similar tools provide some reference.

dual swing five-axis machines；rotation angle；post processing；Java

TH165；TG65

A

1001-2265（2015）01-0016-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.01.005

2014-05-15

广西教育厅项目“国产双摆头五轴联动机床后置处理软件的开发”（项目编号：0314101401）

唐清春（1972—），男，四川绵竹人，广西科技大学副教授，硕士，研究方向：多轴数控加工工艺及软件开发，（E-mail）gxtangqingchun@ 163.com。通讯作者：马仲亮（1988—），男，陕西渭南人，广西科技大学硕士研究生，研究方向：多轴数控加工工艺及软件开发，（E-mail）569662485@qq.com。