基于PowerMill 的北京精雕五轴机艺术精雕的研究与实践

戴少鹏

（中国美术学院实验教学和设备管理中心，浙江 杭州 310024）

1 实验室中北京精雕五轴机的现状及存在的问题

五轴联动数控机床是用于加工复杂曲面的高精密度机床，这对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业有着举足轻重的影响力。

在艺术院校里艺术创作、设计和教学中常常有大量的复杂造型需要通过精雕来成型，如果设计造型的细节分布在多个角度，往往需要通过五轴机才能完成。五轴机编程技术含量高、编程难度大，如果考虑不周或编程不当就会导致有缺陷的刀路程序在五轴机精雕执行时出现撞刀甚至撞机，造成严重损失，基于编程的难度及可能出现的后果常常使得实验人员保持审慎的态度。

北京精雕是国内顶尖的精雕机生产厂家，在国内企业及高校有很高的保有量，北京精雕自己开发精雕编程软件，分免费版和多轴版，免费版可以编三轴刀路，但五轴刀路必须用多轴版来编程，且只有插上唯一的USB 加密狗才能打开软件进行编程，这意味着只能有一人可以进行编程，在客观上造成其他专业人员难以有学习编程的机会。

编制五轴刀路程序必须要考虑刀具的刀长、摆台在旋转和摆动时与主轴是否存在干涉及刀路之间的转换等，相比三轴刀路需要考虑更多的安全因素，五轴刀路编程及五轴机上精雕相比三轴精雕要花费更多的时间与精力，而精雕实验室设备多人员少，导致使用率不高，也影响了艺术创作和设计中复杂造型成型的可实现性，使得造型上往往受到技术的限制。

本研究通过查阅资料，自行编写AC 摇篮式五轴精雕机相适应的后处理就可以让PowerMill 编程的刀路用于北京精雕五轴机，但五轴机资料很少，有很多技术难度，需要不断去摸索。

2 北京精雕JD45 系统五轴精雕技术要点

2.1 JDSoft SurfMill 刀路编程

要让机器实现精雕，需要在电脑上用精雕软件对数字三维模型进行刀路编程，观察模拟刀路是否顺畅及有无干涉，如果和预先设计的一样就可以把刀路程序通过精雕机来进行雕刻。一般情况下北京精雕五轴刀路编程用厂家提供的自主研发的软件JDSoft SurfMill 并插上唯一的USB 加密狗进行编程，输出ENG 格式刀路文件，ENG 文件不能被记事本之类的软件打开，对于初学者来说不用去了解文件里的代码指令等，入门操作更容易。其他厂家的精雕机有些采用了通用的程序代码，对此需要了解并熟悉程序代码，通过阅读程序代码就能知道每一行代码的作用、清楚精雕机在做什么。

2.2 AC 摇篮式五轴机的路径转换

最为常见的精雕三轴机只有长宽高三个空间维度，不需要考虑刀具的摆动和旋转，只要把编程时设置的加工坐标系、原点及精雕机器上工件材料毛坯的工件原点保持一致就可以正常工作。

精雕五轴机中刀轴矢量根据曲面表面的形状摆动[1]，除长宽高三个维度外增加了摆动角度和旋转角度，变成了五个维度，空间的复杂程度远超三轴。AC 摇篮式五轴精雕机采用了双回转工作台，A轴为摆动轴，绕X 轴摆动，C 轴为旋转轴，A 摆动轴轴线和C 旋转轴轴线的交点作为转台中心[2]，并以转台中心作为原点建立机床坐标系，从刀具路径计算的角度看,以原点作为基准去计算刀尖某一点的空间三维坐标值、摆动角度及旋转角度，计算难度就会降低很多。

转台中心是摆动轴轴线和转动轴轴线的交点，通过刀尖难以准确获取其坐标位置，装上工件毛坯后转台中心在毛坯的下面，更加无法通过对刀来取得其坐标位置数据。在转台中心上方的毛坯顶部是最容易对刀的地方，从可操作性的角度出发一般会选择容易对刀的毛坯顶部位置作为后处理编程加工原点。

AC 摇篮式五轴精雕机采用以转台中心为坐标原点的机床坐标系，因此必须在五轴精雕机上通过多轴路径转换器将刀具路径编程时后处理设置的加工坐标原点转换到五轴精雕机上的机床坐标原点，即转台中心。多轴路径转换器根据实际测得工件毛坯上加工原点X、Y、Z 值和转台中心的坐标差值计算出原点偏移值，然后通过“根据转台中心转换路径”将后处理中采用编程原点的刀具路径转换成以转台中心为加工原点的真正执行刀路，刀路上的坐标值通过转换计算出新的机器执行的坐标值，完成了编程刀具路径到AC 摇篮式五轴精雕机上极为重要的刀路转换。

经过路径转换后的工件坐标不再是对刀测得的值，要改成转台中心的坐标值，对刀测得的值加上原点偏移值就是转台中心的坐标值，直接按计算原点X、Y、Z 就会自动计算填入，不用手动输入；五轴机工作原点还包括摆动角A 和转动角C，按加工毛坯固定后对刀时的值，不需要也不能转换摆动角和转动角。

从电脑刀路编程到精雕机器上执行实际上进行了二次变换，工件基准原点的变化引起刀路X、Y、Z、A、C 五个轴向值的改变。第一次在多轴路径转换器中把刀路编程的加工原点转换到转台中心，导致机器执行刀路的X、Y、Z 坐标值及摆动和旋转角度都进行了改变；第二次在主界面中把刀路编程时的工件原点通过计算转成转台中心，因为此时刀路已经转换过，刀路的坐标原点已是转台中心，工件在摆动和旋转时加工原点坐标从非中心位置转换到中心位置，五个轴向值计算难度降低。

2.3 三轴刀路

用JDSoft SurfMill 免费版进行编程的三轴刀具路径在五轴精雕机上也能使用，同样需要把后处理设置的编程原点转换到转台中心，通过多轴路径转换器把以编程中心为坐标原点的三轴刀具路径转化成以转台中心为坐标原点的五轴刀具路径，用计算出的转台中心坐标值作为工件原点。由于多轴路径转换的存在，AC 摇篮五轴机有一定的独立性，且有较强的适应性。

2.4 铣面

如果是单纯的铣面，不是一个刀路文件，就不能进行转化，这时其工作原点就是对刀所得，不能用多轴路径转换器计算得到工作原点，因为计算所得的工作原点在转台中心，往往在工件毛坯下方，如果不注意就会引起严重扎刀甚至撞机。

3 在AC 摇篮式JD45 系统五轴机上使用PowerMill 编程的刀路

3.1 PowerMill 具备丰富的五轴加工策略及完善的加工仿真

PowerMill 功能强大，提供丰富的加工策略，也是主要的刀路编程软件之一。用户可以选择最优的加工方案，从而提高加工效率，减少手工修整，快速产生粗、精加工路径，对二三轴、多轴的数控加工以及对刀柄刀夹完整的干涉检查与排除，完善加工实体仿真，让用户在加工前了解整个加工过程及加工结果，有效地提高加工的安全性。

PowerMill 通用性好，五轴编程资料也很丰富，在网络上可以找到各种讲解视频，让学习变得相对容易。

在刀路编程中，根据工件的材料、模型和毛坯确定选用何种刀具、刀具长度，选择二轴、三轴、四轴或五轴加工策略。在二轴、三轴加工策略中设置相应的参数，开始和结束点、切入切出连接、进给和转速等，计算后观察生成的刀路有没有问题，可以通过多次调整各种参数来产生合理、均匀光顺的刀具路径。

五轴路径由于增加了转动或摆动二个轴向，需要创建并选用不同方位的用户坐标系，刀轴不一定像三轴那样垂直，往往要考虑刀轴矢量控制方法，计算出的五轴刀路有可能引起刀具摆动比较大或跳刀等，不像三轴刀路的刀具始终垂直在毛坯上方可以清楚预见刀的轨迹，在选五轴策略时一般要求选用的刀具还应该设置和实际使用一致的刀柄和夹持，通过刀路仿真观察刀路是否顺畅、有无干涉，确保安全以避免造成重大损失。

3.2 JDSoft SurfMill 五轴刀具路径的解析

JDSoft SurfMill 内置多种数控系统的后处理，选择不同数控系统的刀路文件只能在相应系统的精雕机器上使用，不同版本之间并不能通用。本研究选择AC 摇篮式JD45 系统五轴后处理，输出时选择通用可读的NC 格式而不是默认的ENG 格式，以便于编写后处理。

JDSoft SurfMill 中选用NC 格式，后处理文件选择JD45-5ax-AC.epst，在高级设置中选A 轴为主动轴，A 轴一般选正向、角度行程为0 到90 度，然后输出成NC 文件。

3.3 PowerMill 后处理编写

PowerMill 编程的刀路要在五轴精雕机上使用，必须用针对此款精雕机的后处理，经过后处理的刀路代码才能够使精雕机按照文件指令执行，然而厂家并不会提供五轴精雕机的PowerMill 后处理，需要自己去编写。

不同厂家不同机型的五轴精雕机往往有自己的特色，北京精雕AC 摇篮式五轴机不同系统的后处理也不一样且不能混用，由此可见编写五轴精雕机后处理并不容易，考虑不周就会出错。在实际工作中，往往根据机床结构、数控系统将已有相对应的后处理文件进行适当修改。

通过分析JDSoft SurfMill 生成的NC 文本文件中的代码，理解程序头部和程序尾部每行代码的作用，可以编写JD45 系统AC 摇篮式五轴机的PowerMill后处理。

经过分析比较，选用Fanuc AC 摇篮式五轴的后处理作为模板[3]，PowerMill 后处理编辑软件中对其中的G 代码和M 代码进行修改，使其和JDSoftSurfMill 输出的JD45 系统五轴机NC 程序文件的程序头和程序尾保持一致，在设置菜单的“机器运动学”中类型选设置转动轴C 最小值为-36 000，最大值为36 000，摆动轴A 的最小值为0，最大值为90，另存后可以使用。

3.4 JD45 五轴精雕机上测试

在PowerMill 中经过仿真没有问题的刀路按加工工艺要求进行有序输出，用自己编写的后处理生成NC 刀路文件，并在记事本软件中打开仔细检查，如果没有发现什么问题，就可以到五轴机上进行测试，此时加工文件应选NC 格式而不是默认的ENG格式，完成匹配检查。如果刀路程序代码有问题，就不能输入到精雕机中；如果检查通过，同时在精雕机上的操作流程和用JDSoft SurfMill 编程的刀路文件是完全一致的，为了安全起见，一定要用手轮试切的方式进行精雕。对五轴刀路的转动和摆动会有更深刻的理解，就会知道哪些刀路是可以实现，哪些是不能的。

PowerMill 按照模型、加工策略、用户坐标、参数设定等来计算刀路，是一种比较理想的状态，但是在五轴精雕中摆动和转动的角度都限制在有限范围内，也会有五轴刀路因为不符合机床运动规律使得无法通过后处理输出，如何选择最优的五轴刀路就显得尤为重要。

4 结语

在科技快速发展的背景下，科技越来越多地融入艺术创作和艺术教学中，这已经是大家的共识。精雕实验室对中国美术学院开放，能够精雕复杂造型的五轴精雕机备受关注，不同专业的学生和老师看到一些展示品会产生感性认识，也会结合自己专业产生联想，促进其产生灵感，去创作新的艺术形式。

更具灵活性和更大精雕行程的机器人精雕也开始进入艺术精雕领域，其刀路编程和五轴编程是一样的，只是后处理不一样而已，学好五轴机精雕其前景无疑是广阔的。