王虎奇，張 健，唐清春

(廣西工學(xué)院機(jī)械工程系，廣西柳州 545006)

0 引言

通常在三軸數(shù)控加工中，為滿足恒功率加工，編程時(shí)所設(shè)置的進(jìn)給速度一般為恒定值。但在五軸數(shù)控加工中，使用的五軸機(jī)床是在三軸數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上加入兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，可以使刀軸的方向在空間范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣便可以加工具有復(fù)雜曲面類零件和多面類零件，既可以避免刀軸與工件發(fā)生干涉，又可以在一次裝夾的情況下完成所有面的加工。但是在帶來(lái)上述優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也帶來(lái)了一定的問題，加工中為滿足恒功率切削，刀心點(diǎn)的線速度必須相對(duì)工件加工表面平穩(wěn);而對(duì)于五軸雙擺臺(tái)類結(jié)構(gòu)的機(jī)床，回轉(zhuǎn)中心在工作臺(tái)下一固定位置，加工過程中因各軸之間的位置變化，造成回轉(zhuǎn)中心與刀心之間的距離是一個(gè)變量［1-3］。因此，刀心點(diǎn)的速度應(yīng)是一個(gè)變值。倘若采用恒定值加工，必然會(huì)產(chǎn)生各軸之間的運(yùn)動(dòng)不完全匹配，進(jìn)而將會(huì)嚴(yán)重影響加工表面質(zhì)量。

本文針對(duì)此問題在五軸后置處理中，將前置處理生成的CLSF文件，經(jīng)過機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型算法和刀具進(jìn)給速度處理方法進(jìn)行一定的處理，最后，將處理好的數(shù)控程序?qū)嶋H加工驗(yàn)證。

1 進(jìn)給速度優(yōu)化方法

一般在討論五軸后置處理中刀具進(jìn)給速度前，應(yīng)對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工中心的算法進(jìn)行求解。本文針對(duì)北京機(jī)電院研發(fā)的BV100五軸(A-C)聯(lián)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行討論。因本文作者唐清春在文獻(xiàn)［4］中已經(jīng)對(duì)BV100五軸聯(lián)動(dòng)加工中心后置處理的基本算法進(jìn)行了研究，但并未對(duì)其加工中的進(jìn)給速度做特殊處理(即采用前置處理中給定的恒定進(jìn)給速度)，其加工效果并不理想。所以本文在參考文獻(xiàn)［4］中所推導(dǎo)出該機(jī)床的后置處理算法的基礎(chǔ)上提出一種旋轉(zhuǎn)修正法對(duì)五軸后置處理中的進(jìn)給速度進(jìn)行討論。

1.1 旋轉(zhuǎn)修正法

圖1 待加工微線段OM、MN

通常，針對(duì)復(fù)雜曲面的加工，大多數(shù)選用各類CAM(如UG、PROE)軟件中的自動(dòng)編程功能來(lái)處理，而這些軟件經(jīng)常將復(fù)雜曲面讓一些細(xì)小連續(xù)的線段來(lái)代替。如圖1所示，假定在工件坐標(biāo)系 ORXYZ 下 O、M、N 的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)為(OX，OY，OZ，OA，OC)、(MX，MY，MZ，MA，MC)、(NX，NY，NZ，NA，NC)。機(jī)床在加工直線段OM時(shí)的各軸位移增量分別為ΔS(ΔX，ΔY，ΔZ，ΔA，ΔC)。本討論在以數(shù)控指令 G94 的狀態(tài)下進(jìn)行［5］。在工件坐標(biāo)系ORXYZ下，以加工線段OM且對(duì)應(yīng)數(shù)控代碼中所設(shè)置的進(jìn)給速度F為例，具體處理方式如下。

當(dāng)加工直線段OM時(shí)，刀具相對(duì)于工件表面的實(shí)際速度為f，刀位點(diǎn)的當(dāng)量位移ΔS為：

但是，在實(shí)際加工OM時(shí)，由于O點(diǎn)到M點(diǎn)的刀心變化值主要源于平動(dòng)軸X、Y、Z，轉(zhuǎn)動(dòng)軸A、C對(duì)其影響較小，所以刀位點(diǎn)的實(shí)際當(dāng)量位移Δ'S為：

由于刀具相對(duì)于工件表面的實(shí)際速度f(wàn)不等于數(shù)控代碼中所設(shè)置的進(jìn)給速度F，采用刀具相對(duì)于工件的實(shí)際速度反求在數(shù)控代碼中的進(jìn)給速度。并在此基礎(chǔ)上加入一個(gè)整體調(diào)整系數(shù)k，對(duì)整體速度的大小也能調(diào)整。所以修正后的進(jìn)給速度滿足下列關(guān)系式：

式(3)中：f—刀具相對(duì)于工件表面的實(shí)際速度;

k—調(diào)整系數(shù);

F—數(shù)控代碼中所設(shè)置的進(jìn)給速度。

但使用時(shí)需要注意，當(dāng)相鄰兩個(gè)刀位點(diǎn)的刀心坐標(biāo)相同時(shí)，變化的僅為刀軸矢量，此時(shí)該方法的速度值達(dá)到正無(wú)窮，所以為避免進(jìn)給速度瞬間增大損傷工件以及降低調(diào)整系數(shù)時(shí)，導(dǎo)致機(jī)床進(jìn)給速度過低，因此應(yīng)該設(shè)置一個(gè)最大進(jìn)給速度值Fmax與一個(gè)最小速度進(jìn)給值Fmin［6］，保護(hù)進(jìn)給速度F的過高或過低。

2 后置處理的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

BV100五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，配置了 SIEMENS840D系統(tǒng)，接下來(lái)依據(jù)上述進(jìn)給速度處理方法，得到處理后的進(jìn)給率。

2.1 實(shí)際加工比較

在UG8.0中建好葉輪的三維模型，根據(jù)其特征進(jìn)行工藝分析以及編制加工程序，并對(duì)其中葉片進(jìn)行對(duì)比。

(1)采用旋轉(zhuǎn)修正法與參考文獻(xiàn)［4］中的恒定值法處理后程序的對(duì)比

在UG中，將葉片的余量放為0.2mm，將旋轉(zhuǎn)修正法里調(diào)整系數(shù)設(shè)為1.2，設(shè)定基本進(jìn)給速度為3000mm/min。對(duì)葉片2和葉片3采用以上兩種方法，如圖2所示，采用經(jīng)旋轉(zhuǎn)修正法后，其進(jìn)給速度大小不僅與基本速度有關(guān)，還與刀心坐標(biāo)相距回轉(zhuǎn)中心的空間距離有關(guān)，同時(shí)還跟曲面的曲率變化也有關(guān)，因此其進(jìn)給速度在3000mm/min左右動(dòng)態(tài)變化。如圖3所示，經(jīng)恒定值法處理后的程序，其進(jìn)給速度為預(yù)先設(shè)置好的基本速度。

(2)采用旋轉(zhuǎn)修正法與參考文獻(xiàn)［4］中的恒定值法加工效果的對(duì)比

采用上述兩種方法對(duì)一葉片的刀位源文件分別后置處理得到上述兩個(gè)坐標(biāo)值相同且進(jìn)給速度不同的程序，由于葉輪有九個(gè)葉片，在G54坐標(biāo)下加工葉片3與葉片2時(shí)，只需機(jī)床工件坐標(biāo)參數(shù)上使C角偏轉(zhuǎn)40°即可，加工后的葉片對(duì)比如圖4、5所示。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，采用旋轉(zhuǎn)修正法切削葉片時(shí)翻邊處比較平穩(wěn)，過渡區(qū)域沖擊小，且加工后的葉片比較光順、圓角過渡比較平滑、整體效果也比較好;而采用恒定值法加工后的葉片曲面上的殘留量與過切量都比較明顯，特別是葉片翻邊處，過切量大，整體效果也不理想。

圖2 葉片2經(jīng)旋轉(zhuǎn)修正法處理后的程序

圖3 葉片3經(jīng)恒定值法處理后的程序

圖4 旋轉(zhuǎn)修正法加工葉片2實(shí)物圖

圖5 恒定值法加工葉片3實(shí)物圖

2.2 機(jī)床加工驗(yàn)證

根據(jù)UG8.0將葉輪的刀軌前置處理生成刀位源文件，在JAVA語(yǔ)言環(huán)境下，結(jié)合旋轉(zhuǎn)修正法編寫專用后置處理器，處理后的程序經(jīng)VERICUT7.0仿真無(wú)誤后，在BV100五軸加工中心上加工切削，加工過程中刀具平穩(wěn)、機(jī)床無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象，且加工表面質(zhì)量良好。驗(yàn)證了此后置處理軟件的正確性。加工后的實(shí)物圖如圖6所示。

圖6葉輪整體實(shí)物圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)BV100五軸聯(lián)動(dòng)加工中心為例，為解決五軸機(jī)床在實(shí)際加工中因進(jìn)給速度選用不當(dāng)會(huì)影響加工表面質(zhì)量等問題，本文提出了一種處理進(jìn)給速度的限制方法，并對(duì)葉輪的葉片進(jìn)行加工比較，最終確定旋轉(zhuǎn)修正法的效果比較良好。此方法為以后五軸加工行業(yè)提供了一定的參考。

［1］劉德福，楊岳，羅意平.帶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的進(jìn)給速度控制［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2003(2)：56－58.

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［3］趙東林，方凱，錢瑋，等.高速數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)速度的預(yù)處理規(guī)劃算法［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2006(8)：10－11.

［4］唐清春，張仁斌，何俊.基于VB BV100五軸聯(lián)動(dòng)加工中心后置處理的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(2)：73－74.

［5］劉楚輝，鄔義杰.數(shù)控系統(tǒng)加減速控制與程序段終點(diǎn)速度規(guī)劃［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2003(9)：56－57.

［6］唐清春，吳漢夫.基于通用軟件葉片專用動(dòng)態(tài)速度后置處理技術(shù)研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2010(5)：399－400.

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