基于五轴联动机床后处理的开发与验证

孙耀恒,王科健

(白银矿冶职业技术学院,甘肃 白银 730900)

0 引 言

五轴数控加工具有高速、高效、高精、高稳定性等特点，广泛的应用于航空航天、医疗器械、汽车、精密模具等精密加工中[1]。目前，五轴数控机床的用户越来越多，国产的五轴控制系统与国外的控制系统差距越来越小，尤其是企业和高校也投入了五轴数控设备，五轴数控机床的控制系统繁多，机床结构也存在着差异。[2]与之配套的CAM软件也很多，由于软件和硬件之间的差异性，影响着五轴加工的范围。要解决上述的问题，必须进行深入的研究五轴后处理。[3]

五轴数控机床有配套的CAM软件才能助力五轴数控机床作用发挥，但CAM软件后处理文件严重制约着五轴机床的功能，后处理文件需通过软件供应商专门化定制方可使用，价格昂贵[4]。针对上述问题，以IMSpost为平台，开发万能后处理文件，将UG、Mastercam刀位文转换为五轴NC代码，以FEELER U600五轴机床为例进行切削验证，验证后处理文件的正确性和可靠性。

1 后处理文件的开发

1.1 刀位文件数学分析

在UG软件中输出.CLS刀位文件，刀位文件包含了刀具数据、切削参数、各轴坐标点等信息。如图1所示，刀位文件中有6个关键数据，三个线性点坐标和三个刀轴向量值，如果三个向量值不为零时，说明刀轴发生了倾斜，需要多轴加工。

图1 刀位数据文件

实际加工中刀轴始终垂直于水平面，依靠转台的翻转和工作台的旋转实现加工。根据三个刀轴向量值，计算出A、C轴旋转角度，如图2所示，三个向量值分别是I0.7173189,J0.4630699,K0.5205957。通过这三个数据计算出A=58.628，C=57.155。

进一步分析得出：将刀轴的三个向量值转换为A、C轴的旋转角度即可。五轴机床结构如图3所示。

图2 A、C轴旋转角度分析

机床A轴正向行程仅有40°，避免A轴超程将C轴旋转180°，使A向负方向翻转，即：A=0-A，刀轴在第一象限C=360-C，第二象限C=0-C，第三象限C=180-C，第四象限C=180+C。通过数学方法得到了五轴联动的数控加工程序如表1所示。

图3 双摆台五轴机床机构

表1 刀位数据对应的NC代码

由于五轴联动的刀位文件点数据庞大，需第三方的软件转换处理[5]。IMSpost软件可识别多种CAM软件的刀位文件，通过数据计算并转换，将刀位文件转换为五轴NC代码，通过模拟验证即可实际切削加工。

1.2 后处理文件的开发

开发专属后处理文件需熟知机床结构和控制系统[5]。FEELER U600为双摆台正交结构五轴机床，配有海德汉iTNC530系统，可实现除装夹面以外所有面的加工，完成高精度零部件加工，机床主要技术参数如表2所示。

表2 FEELER U600五轴加工中心主要技术参数

该控制系统具有RTCP功能，开发后处理文件，需从“程序开始部分、运动控制部分、程序结束部分”三部分为切入点，编辑宏命令，添加符合海德汉iTNC530的程序代码。关键是开启RTCP功能，具体操作如图4所示选择“宏管理器”，搜索“RTCP”宏指令并编辑，“ SYSTEM.COORD_RTCP = 1”为开启RTCP功能，“SYSTEM.COORD_RTCP = 0”为关闭RTCP功能。

图4 IMSpost宏指令编辑

编辑宏命令：RTCP/* SYSTEM.COOD_RTCP=0

IF(MODE.RTCP<>"OFF")

OUTPUT(MODE.RTCP.OFF,NEWLIN)

_FORCE_REGISTER = 1

ENDIF

SYSTEM.COORD_RTCP = 1

SYSTEM.CIRCTYPE = GLOBAL.CIRCTYPE_SAV

ENDCASE

编辑宏命令：INIT_CFG/* menu-generated code start，添加程序开始指令，取消RTCP功能、取消倾斜功能、取消坐标系平移、激活加工坐标系、启用高速高精加工模式。

OUTPUT("FN 0: Q501=+0.0", NEWLIN)

OUTPUT("FN 0: Q502=+0.0", NEWLIN)

OUTPUT("FN 0: Q503=+0.0", NEWLIN)

OUTPUT("M05", NEWLIN)

OUTPUT("M127", NEWLIN)

OUTPUT("M129", NEWLIN)

OUTPUT("LBL 170", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 7.0 DATUM SHIFT", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 7.1 X+0", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 7.2 Y+0", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 7.3 Z+0", NEWLIN)

OUTPUT("PLANE RESET STAY", NEWLIN)

OUTPUT("LBL 0", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 247 DATUM SETTING Q339=+1 ; DATUM NUMBER", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.0 TOLERANCE", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.1 T0.100", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.2 HSC-MODE:1 TA0.5", NEWLIN)

编辑宏命令：LOADTL/* menu_0-generated code start，添加换刀前指令，刀具交换前需关闭切削液、主轴停转、各坐标轴归零，防止刀具与附件发生干涉。

IF (GLOBAL.FTOOL = -1)

OUTPUT("L ZQ503 R0 FMAX M91", NEWLIN)

OUTPUT("L XQ501 YQ502 R0 FMAX M91", NEWLIN)

OUTPUT("L A+0.0 C+0.0 FMAX", NEWLIN)

ENDIF

编辑宏命令：LOADTL/* menu_2-generated code start，添加换刀后指令，刀具交换后需开启旋转轴短路径运动、添加RTCP指令、主轴正转。

IF ((GLOBAL.FTOOL = -1) AND (GLOBAL.TOOLCHG_BLOCK=0))

OUTPUT("M126", NEWLIN)

OUTPUT("M128", NEWLIN)

OUTPUT("M03", NEWLIN)

ENDIF

编辑宏命令：FINI_CFG/*menu-generated code start，添加程序结束指令，关闭冷却液、主轴停转、取消倾斜功能、关闭旋转轴短路径运动、取消RTCP功能、各坐标轴返回参考点、程序结束。

OUTPUT("L M09", NEWLIN)

OUTPUT("L M05", NEWLIN)

OUTPUT("PLANE RESET STAY", NEWLIN)

OUTPUT("L M127", NEWLIN)

OUTPUT("L M129", NEWLIN)

OUTPUT("M140 MB MAX", NEWLIN)

OUTPUT("L ZQ503 R0 FMAX M91", NEWLIN)

OUTPUT("L XQ501 YQ502 R0 FMAX M91", NEWLIN)

OUTPUT("L A+0.0 C+0.0 FMAX", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.0 TOLERANCE", NEWLIN)

OUTPUT("CYCL DEF 32.1", NEWLIN)

OUTPUT("M30", NEWLIN)

叶轮是验证五轴联动后处理文件的典型案例，叶轮模型如图5(a)所示，为验证后处理文件的可靠性，用UG粗加工叶轮如图5(b)精加工叶片如图5(c)所示，Mastercam精加工轮毂如图5(d)所示。输出并保存粗精加工刀位文件，UG刀位文件后缀名为.CLS，Mastercam刀位后缀名为.NCI。叶轮加工工艺参数如表3所示。

图5 叶轮模型及加工轨迹

表3 叶轮加工工艺参数表

2 后处理文件的验证

2.1 刀位文件转换

在IMSpost软件中，用开发的后处理文件对UG及Mastercam输出的刀位文件进行转换，如图6(a)所示，选择文件输入类型，并指定保存路径。转换后的部分精加工部分程序如图6(b)所示，程序初始部分、运动控制部分、程序结束部分完全符合开发要求。

图6 IMSpost刀位文件转换及转换后的程序

2.2 后处理验证

后处理文件的正确性采用虚拟仿真和实际切削验证如图7所示，Vericut虚拟仿真开启碰撞检测和过切检查，经验证无碰撞和过切现象，仿真结果如图7(a)所示。

图7 叶轮加工

U600的五轴加工中心上实际切削加工，完全满足加工要求，实际加工如图7(b)所示。

3 结 论

(1) 阐述了后处理文件的重要性，以双摆台正交五轴机床结构为研究对象，分析了各坐标轴的运动关系。

(2) 分析了刀位文件，通过数学模型计算出转台的旋转角度，并以IMSpost软件为平台，编辑宏语言开发了五轴后处理文件。

(3) 通过验证，将UG和Mastercam刀位文件转换的NC代码采用仿真和实际切削验证，其结果与加工要求一致。

通过实际加工，开发的五轴后处理文件更好的发挥了五轴的加工优势，开发安全有效的后处理文件解决了五轴加工中的技术瓶颈，对提高编程效率和加工可靠性有重要意义。