基于UG的五轴联动数控机床后置处理开发

黄 成, 陶浩浩, 李同杰*, 李良军

(1.安徽科技学院 机械工程学院,安徽 凤阳 233100;2.日照市五莲县汪湖镇卫生院,山东 日照 262300)

五轴联动数控加工技术是近些年用于工业行业的一种先进制造技术,随着中国工业行业的快速发展,对一些复杂零件和自由曲面,如汽轮机转子、大型采油机曲轴等精度要求也日益提高。三轴数控机床在加工复杂曲面时,需要经过多次装夹,提高了劳动成本且不能加工复杂工件。五轴联动数控机床主要适用于具有复杂曲面零件的加工制造,具有装夹次数少、自动化程度高、加工效率高、生产周期短以及加工质量高等优点,因此得到了广泛应用,为企业获得了良好的经济效益,提高了企业的市场竞争力[1]。目前,五轴联动数控机床在加工过程中存在编程难度大、程序指令复杂等问题,且不同机床系统的代码存在坐标差异,代码格式不同,导致无法创建通用的后置处理,这就需要根据机床的特点和代码差异创建符合机床自身要求的后置处理[2-4]。

张伟等[5]研究了基于UG宏程序后置处理的二次开发技术研究。唐清春等[6]以旋转摇摆式机床为研究对象利用Pro/E软件对其进行了二次开发,开发出了适用于叶身型线复杂曲面加工的后置处理程序。赵世田等[7]基于UG/Post针对特定的倾斜45°双转台形式数控机床开发了后置处理器。胡赤兵等[8]利用建立刀具数控和加工参数在数控铣床加工进行了二次开发,通过后置处理实现了数控铣床的自动编程。上述研究可以看出,在后置处理开发过程中,二次开发是经常出现的问题,因此在后置处理开发的过程中必须对此情况进行考虑。

本研究以EMCO 600HD五轴联动数控机床为研究对象,利用UG/Post Build功能,结合机床自身的结构原理和特性,开发符合机床自身要求的后置处理文件,可直接用于机床实际加工,避免二次开发,降低编程难度。以S形检测试件为样件进行仿真和加工试验,验证所开发后置处理的正确性和可行性。

1 机床的模型

本研究采用的五轴联动数控机床是奥地利EMCO公司设计的一款五轴联动数控机床,可以实现高精度的五轴数控加工,完成各种复杂零件的加工要求。EMCO 600HD五轴联动数控机床是摇篮型五轴机床,有3个平动轴(X、Y、Z)和2个旋转轴(A、C),其中3个平动轴X、Y、Z的极限行程分别是500、580、600;2个旋转轴A、C的极限行程为(±120°)和(±360°),机床结构如图1所示。

图1 EMCO 600HD五轴联动数控机床结构Fig.1 EMCO 600HD 5-axis CNC machine structure注:1为床身;2为X轴;3为Y轴;4为Z轴;5为A轴;6为C轴;7为工件。

2 S形检测试件工艺分析

ISO国际标准试样在众多检测试件中被广泛采用,主要用于三轴机床的精确度检测,可以很好地检测机床平动轴的动态精度,但不能对多轴机床转动轴进行精度测量。为此不断推出新的测试样品,以弥补该检测试件的缺陷。成都飞机工业集团公司研制了一种“S”型检测试件,用于弥补ISO轮廓加工试件、NAS979系列试件的不足。2012年,ISO第74届会议将此试样列入ISO 10791-7标准附加检测试件,并于2020年正式成为国际标准检测试件。S型检测试验件是中国机床工业率先提出的一项国际加工检验标准,弥补了常规测试方法在五轴数控机床动态精度测试方面存在的缺陷,具有薄壁、开闭角、可变曲率等特点,能很好地描述薄壁结构的基本特点,并能较全面地反映出数控机床的整体加工精度,重点考察了机床的表面加工性能,并在国内外机床验收中广泛使用,作为检验多轴机床综合精度的有效检测试件,在行业内得到了认可[9-10]。

2.1 模型基本尺寸

S形检测试件是一个由矩形基座和S形的等厚缘条组合而成,加工曲面由上、下两条扭曲的S形3次样条曲线生成的非可展直纹面。建模如图2所示,材料和尺寸参数如表1所示。

图2 S形检测试件模型Fig.2 Model of S-shaped inspection specimen

表1 S形检测试件的尺寸和材料参数

2.2 刀具的选择及规划

刀具的选择是数控加工的重要内容之一,编程时,要从机床的加工性能、工作内容、工件材料等因素来选择刀具。

被加工零件的基本特性主要是由材料成分决定,它决定了零件加工方法及切削参数的选择。该工件选用的是7075材质的铝块,强度高、构造紧密。加工时选用Ф20铣刀进行粗加工,去除该零件多余余量,保留工件所需的几何特征,便于半精加工,减少加工时间。在粗加工完成的工件上平面需要进一步的加工,其作用是方便后期精加工时的观察与数据的检测,同样选用Φ20铣刀进行。精加工分2次进行,2次均选用Φ20铣刀。具体的S形检测试件加工流程见表2。

表2 S形检测试件加工工序卡

3 编程及后置处理的生成

3.1 文件刀轨及编程

UG软件是一款强大而实用的应用软件,在国内外都运用十分广泛,不仅建模制图设计功能中得以运用,在设计过程中可用于有限元分析、运动学分析等方面,还可以进行仿真模拟从而提高设计的可靠性和安全性。此外,可用建立的三维模型直接生成产品加工所需的代码,其后处理支持多种类型的数控机床。

按照UG编程流程,首先打开S形检测试件三维模型,进入UG加工编程环境,按照表2中S形检测试件加工工序卡的流程工序,分别选择不同的工序类型,进行加载和设置,每个工序生成对应的编程数据和刀轨路径(图3)。

图3 多轴编程刀路轨迹及编程Fig.3 Multi-axis programming toolpath trajectory and programming

3.2 后置处理程序的开发并生成NC代码

在后处理过程中,有两种处理方式:一是GPM图形处理模块,它的应用领域相对狭窄;二是UG/Post Build功能,根据机床的运动特征、坐标参数和控制命令格式,将数据读入UG/Post Build中然后输出符合机床结构及其控制系统要求的数控代码。刀具轨迹数据经过加工,以满足机床和控制系统的具体需求,一般称为“后处理”。经过加工后,刀具轨迹数据就会转化为能被机床识别的刀具轨迹的数据,即NC代码。后置加工程序基于标准刀具轨迹和数控加工程序的运动结构和控制指令,包括机床坐标运动变换、非线性运动误差校验、进给速度校验、数控程序格式转换和数控程序输出等内容,因此只有采用正确的后置处理才能将刀位轨迹输出为相应数控机床正确进行加工的数控程序,编制正确的后置处理系统模块是数控编程和加工的前提条件之一[11-13]。

3.3 开发流程

在开发后处理文件过程中,软件自动生成通用后处理无法适用于所有机床,需根据机床自身结构特点进行分析,创建适用于机床自身的后置处理,后处理开发流程如图4所示。

图4 后处理开发流程图Fig.4 Post-processing development flow chart

新建UG后置处理文件,点击“UG/Post Builder”对话框,再选择“File”点击“New”,根据机床型号及特点创建一个符合该机床的专用后置处理器(图5)。根据机床各个轴的最大行程、最大进给率等对机床参数进行设置,设定符合要求的机床参数,机床X、Y、Z的最大行程分别是500、580、600(图6)。选择用户编辑“Creat New Post Processor”界面对话框中的“OK”选项,在“Machine Tool”属性页的窗口结构中进行相关的参数设置,完成设置后,选中“Display Machine Tool”选项点击完成,系统显示数控机床简图(图7),A、C旋转轴的参数和运动方向参数设置分别为(±120°)和(±360°)。在Program & Tool Path参数页面进行其他参数设置,选中Program start Sequen选项,根据机床系统要求格式添加要求(图8)。最后,通过上述机床类型、机床参数的设置,完成后置处理构建,将编程好的文件导入后处理,得到该机床的后置处理指令和NC代码。

图5 新建后处理对话框Fig.5 New post-processing dialog box

图6 机床一般参数设定Fig.6 Machine tool general parameter setting

此次加工中,后置处理NC代码的部分代码如下:

N12 T01 M6

N14 G54

N16 G43.4 H1

N18 G17 G0 G90 X-111.212 Y86.92 S6000 M3

N20 Z13.005 B-11.352 C0.81

N22 X-105.812 Y86.54 Z-25.409

N24 G94 G1 X-105.777 Y86.538 Z-25.664 F1000

N26 X-105.305 Y86.241 Z-26.879

N28 X-104.346 Y85.666 Z-27.636

4 仿真验证

CIMCOEdit是一款强大而优秀的仿真工具和数控编程软件,包含了数控程序编辑功能、智能文件处理、模拟仿真刀位轨迹、DNC数据传输功能,且还可进行存储和检索NC程序、优化NC程序、后处理、以及NC程序的快速仿真。该程序性能稳定、性价比高,是航空、汽车、铸造和精密仪器等领域必备的数控仿真软件。

为验证所开发的后处理是否可用,将UG生成的NC代码文件以G代码格式导入CIMCOEdit仿真软件中进行仿真验证,这样既可以模拟检查机床在实际加工过程中有没有出现过切或欠切,又能及时发现是否有刀轨生成混乱的状态,避免实际加工过程中出现机床的碰撞或切坏工件等情况,以便在后续实际加工时做出预判和修改,其验证结果如图9所示。通过CIMCOEdit8仿真可知,该机床开发生成的后置处理开发是成功的,没有出现坐标错乱、刀轨混乱及部分代码缺失等问题。

图9 验证后置处理的结果Fig.9 Verification of the results of post-processing

5 加工试验验证

在实际加工中,通过所开发的后置处理程序实现一个完整S形检测试件的加工。加工中使用EMCO 600HD五轴联动数控机床,利用UG生成刀位数据,通过所开发的后置处理转换为相应五轴联动数控机床的NC代码。试验加工过程如图10所示,加工成品如图11所示。从图10～11可见,加工过程连续且完整,并没有出现撞刀和过切等现象,验证了本研究开发的后置处理是正确可行的。

图10 S形检测试件实际加工Fig.10 S-shaped test specimen in actual processing

图11 加工成品实物图Fig.11 Physical drawing of the finished product

6 结论

通过分析EMCO 600HD五轴联动数控机床的机床结构特点和相关指令,利用UG平台开发出了符合该机床的加工程序及后置处理文件,无需进行二次开发,降低了编程难度,可直接传到数控机床进行加工。通过仿真分析和S形测试件作为实际案例,进行试验加工验证,结果显示本研究开发的加工程序和后置处理在实际加工中可以成功实施,验证了该后置处理的正确性和可行性,为其它五轴数控机床的后置处理开发提供了参考。