双摆五轴机床极轴处理分析

苏庆双 欧玉俊

（中国商飞上海飞机制造有限公司 上海 201306）

1 C轴回转以及重新定位过程

如图1所示，典型型腔零部件结构是一带有20°拔模角度的型腔零件，在进行型腔内部侧面加工时，需要涉及到B轴的正负摆角以及C轴在整个360°范围内的四个典型位置的角度，对于C±200°的机床来说，典型位置的角度为0°、±90°、±180°；而B轴则只有±20°两种情况。

图1 典型拔模型腔零件

在C轴超程处理以及C轴重新定位的过程中，机床会执行一系列类似于宏程序一样的运动，以便C轴可以继续完成后续程序段的切削运动，一般是刀具沿着当前切削点法向矢量退刀所指定的距离（如图 2所示，从P1点运动到P2），之后沿着 Z轴方向运动到所指定的安全平面（图2中从P2点运动到P3点），在所指定的安全平面位置，C轴完成回转、重新定位，B轴完成相应的角度重新定位，之后刀具再沿着 P3→P2→P1→切削点的逆运动继续执行切削运动。

图2 C轴回转、重新定位运动示意图

对于刀轴非垂直于零件表面法向位置的回转，P1→P2则是当前的刀轴方向，回转重新定位之后，P2→P1→切削点的逆运动仍然是刀轴方向,距离|P1P2|则均为沿着刀轴方向的空间距离。

在所指定的安全平面上，C轴完成回转以及重新定位，B轴按照三角函数匹配出相应的摆角，在这个过程中，C轴角度至关重要，C轴的取值可以按照行程范围内的正、负极限位置取值也可以按照C轴靠近 0°位置取值，上述三个位置则涉及到极轴的几种处理模式，在具体工况下，选择特定的处理模式，编制出最好的数控程序。

2 C轴回转、重新定位的几种选择

2.1 C轴角度顺序编译

后置软件则根据CAM软件所生成的APT文件逐行计算C轴角度并生成相应的NC文件，这种编译不会考虑并规避后续程序所出现的C轴超程及其所带来的C轴回转、重新定位问题。

换言之，C轴的下一次摆角会在上一摆角角度下做出继续运算。

2.2 C轴角度优化编译

在这种模式下，后置软件则会分析两个G00快速定位之间的程序段，在程序段的开始位置进行C轴重新定位处理，尽可能减少程序段内的C轴回转。

需要特别指出的是，这种模式下，C轴尽可能规避了机床在加工进给过程中的C轴回转处理，避免了重新切削所带来的接刀问题以及额外的空刀路问题。

C轴在按照这种模式处理的情况下，在算法上需要对CAM软件所生的APT语言进行必要的区域分割、在实际机床运动过程中，除了切削进给之外，其他过渡刀路均是机床自行执行G00运动，因此在2个G00之间进行程序段的分割则是最佳选择，所生成的重新定位运动均在G00过程执行，使得加工程序效率最大化。

因此RAPID指令往往是程序编译分割的标识，如图3所示。

图3 APT语言分割标识

2.3 C轴优先原则（B或A轴单向原则）

C轴优先原则则是在特殊机床结构下，B轴（或者A轴）只能单向旋转（多数情况下也可以小角度反方向旋转），反向大角度旋转，主轴尾部区域产生干涉，这种情况下，则需要对C轴摆角进行干预控制进而限制B轴（或者A轴）只单向摆角，即只有两种形式，即只选择C轴正向或者只选择C轴负向，在C轴选择不同的情况下，B轴（或者A轴）则正好匹配出相反的角度，最典型的例子则是偏心双摆头五轴，如图4所示。

图4 偏心双摆五轴及其切削

2.4 人为强行定位干预策略

利用 ISO4343的后处理代码 ROTATE或者MOVETO指令，在程序内加上一定预旋转角度，预旋转角度则会后续C轴角度值，进而消除或者减少切削过程中的C轴回转。

这种情况下，对编程人员有着比较高的要求，需要对机床运动模式等有着清晰的认知。

3 典型型腔零部件分析

如之前所述，机床C轴行程为±200°，B轴行程为±110°，所选择的典型零件的编程选择顺铣加工，其刀路如下（红色为G00运动、黄色为进刀运动、绿色为切削加工运动、蓝色为退刀运动），内侧面分别为侧面1至侧面4，进刀位置位于侧面1的中间位置，退刀位置亦为侧面1的中间位置，如图5所示。

图5 刀路示意图

3.1 C轴顺序编译处理

在进行APT语言处理时，在C轴顺序编译模式下，所生成的角度如表1所示。位置3与位置4之间的C轴超程回转位置则位于3与侧面4拐角位置，如图6所示。

表1 C轴顺序编译模式下生成的角度表

图6 回转位置示意图

经处理后，所生成的程序段如图7所示。

图7 回转程序段

经上面的处理分析可知，从侧面3到侧面4切削的过程中，C轴理论上将从180°运动到270°，由于机床 C轴行程只有±200°，因此，在C顺序处理模式下，从侧面3到侧面4切削的过程中将产生C轴的回转及重新定位，且整个程序则产生一次C轴回转。

3.2 C轴角度优化编译处理

这种模式下，程序员需要对编程过程进行必要的细节处理，在程序段的初始以及结束为止加上或者设置必要的 G00运动（或者插入必要的 RAPID后处理语言），在具有多个程序段区域（以 RAPID为分割区域标识），在一个程序段结束后，后处理会进行下一个程序段C轴摆角的判断，并预先对C轴进行必要的处理以便下一程序段C轴回转数量的最小化。

经处理后，所生成的角度如表2所示。

表2 C轴、B轴位置角度表

所生成的程序段如图8所示。

图8 C轴优化处理的NC代码

上述两种模式下，C轴角度优化编译处理直接消除了整个切削过程的C轴超程处理，显然第二种程序优于第一种程序。

同时在这种处理模式下，可以对C轴进行必要的预旋转处理或者靠近C0°位置处理。

靠近C0°位置处理则代表每一次C轴回转，C轴重新定位所选择的角度值优先选择靠近 0°位置的角度值。预旋转NC代码如图9所示。

图9 预旋转NC代码

3.3 C轴优先原则（B或A轴单向原则）

在这种情况下，所生成的NC代码里面，B轴代码则只有一个正值，在B值锁定的情况下去匹配计算C值，但是这种情况下，是否产生回转则至于C轴匹配出的角度值是否超程有关，B轴只允许正向旋转情况下，所生成的NC代码如图10所示。

图10 C轴优先策略（B轴正向策略）

B轴只允许负向旋转情况下，所生成的NC代码如图11所示。

图11 C轴优先策略（B轴负向策略）

3.4 人为强行定位干预策略

ISO4343标准定义了诸多后处理指令功能代码，利用这些代码的输出可以对机床做出比较精细、准确的控制，在五轴编程领域得到了越来越多的应用。

如前面所述，在一个程序段内（RAPID代码标识）加入ROTATE，则可以让机床在切削运动开始之前预旋转一定的角度，这个预旋转角度值则影响后续C轴的角度取值。ROTATE指令代码为模态代码，其指令格式为 ROTATE/CAXIS,Angel,其中Angel为旋转角度数值，关闭ROTATE指令的代码格式则为 ROTATE/OFF，需要特别说明的是，ROTATE指令生效必须在刀轴为（0,0,1）时才可以。

以CATIA CAM模块为例，在进退刀通过添加相关ROTATE指令即可。所生成的NC代码如图12所示。

图12 ROTATE指令干预后的代码

而未利用ROTATE指令人工干预所生成的NC代码如图13所示（顺序编译）。

图13 未使用ROTATE指令干预的代码

由上面的两种代码可知，利用ROTATE指令可以干预NC代码的生成形式，进而影响C轴的取值。因此，在一些情况下，亦可以利用上述方式对五轴切削运动进行有效的控制。

上面几种模式均是基于C轴超程的策略，C轴产生回转、重新定位的另一种状况则是相邻插补点刀轴摆动过大，在精加工切削时，摆动过大会在零件表面产生切削凹痕影响零件质量。因此在切削刀路中，如果产生摆动过大情况，机床仍将按照图 2所示运动形式在安全平面上进行重新定位，进而继续加工，在靠近工件的过程中，机床执行的是进刀进给值。

4 结语

针对双摆头五轴机床的运动，通过实例分析多种运动处理模式，对五轴机床在多种工况的切削代码选择有了更加清晰直观的认知，可以更好地理解双摆五轴机床技术，通过选择合适的数据处理，使得数控程序可以更好的得到控制，对于提高加工效率与产品质量有着重要的意义。