張緒祥，詹華西

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430073)

對(duì)編程者而言，三軸加工的自動(dòng)編程因程序坐標(biāo)數(shù)據(jù)相對(duì)容易解讀，其后處理修改的研究廣泛而深入，而五軸加工則因空間概念復(fù)雜，由自動(dòng)編程獲得的程序坐標(biāo)數(shù)據(jù)難以直觀地進(jìn)行判斷，因而對(duì)其后處理的修改不敢輕易嘗試，往往都是尋求軟件商或?qū)I(yè)人員的支持，通過(guò)有償服務(wù)來(lái)解決。由于其費(fèi)用相當(dāng)可觀，這或多或少地制約了五軸加工技術(shù)的發(fā)展。作者在探索五軸后處理參數(shù)設(shè)置中發(fā)現(xiàn)，在CAM 軟件提供的后處理文檔藍(lán)本中，就有適合各種五軸配置方案的設(shè)置參項(xiàng)，用戶不敢輕易修改主要是難以評(píng)判修改后程序輸出的合理性，其根本原因就在于對(duì)得到的五軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)不能直觀地識(shí)讀。文中將從易于理解的五軸鉆孔節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)手工計(jì)算著手，結(jié)合MasterCAM X版雙擺頭五軸加工后處理的修改，比對(duì)程序數(shù)據(jù)，探討其合理性。

1 雙擺頭五軸機(jī)床的鉆孔編程特點(diǎn)分析

對(duì)于雙擺頭五軸機(jī)床，其擺長(zhǎng)L 由兩旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)(即樞軸點(diǎn))到刀具刀位中心點(diǎn)的距離決定，如圖1所示，L 由樞軸點(diǎn)到主軸鼻端的距離和刀具定長(zhǎng)兩部分組成。其主軸鼻端到樞軸點(diǎn)的距離由機(jī)床廠家給定，通常為定值，而刀具定長(zhǎng)為刀柄安裝基準(zhǔn)平面(與主軸鼻端平齊)到刀具刀位點(diǎn)的距離，隨加工所用刀具不同而變化。

圖1 雙擺頭機(jī)床的擺長(zhǎng)

若要用雙擺頭五軸機(jī)床來(lái)加工圖中箱體零件上的孔，由于工件不能作角度擺轉(zhuǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)各孔軸線與Z 軸平行的要求，因此較難使用鉆鏜循環(huán)的指令來(lái)加工孔。利用主軸擺頭雖然可達(dá)到刀具軸線與各孔軸向平行的方位，若此時(shí)刀軸方向與X/Y/Z 軸平行，尚可利用G17、G18、G19 平面切換后使用鉆鏜循環(huán)指令，其余的只能使用G00/G01 的基本指令控制X/Y/Z 合成運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)孔的加工。

2 雙擺頭五軸鉆孔節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的手工算法

如圖2所示為一箱體零件的工程圖樣，其上φ50、φ20、φ18 三個(gè)孔需要通過(guò)五軸控制機(jī)床來(lái)加工。雙擺頭方式加工箱體的孔φ50、φ20 時(shí)，動(dòng)軸A需擺轉(zhuǎn)90°以使刀軸方向與孔軸線平行，此時(shí)工件在X、Y 方向上與定軸軸線間就需要有足夠的偏置距離范圍，用于實(shí)施鉆孔加工的動(dòng)作。為此，裝夾時(shí)宜將該箱體零件中φ50 孔的軸線與X 軸平行放置，以充分利用床身工作臺(tái)X 軸行程范圍較大的優(yōu)勢(shì)，避免Y向行程范圍不足而可能引發(fā)的問(wèn)題。

圖2 箱體零件工程圖樣

若某機(jī)床鼻端距離為120 mm，所用中心鉆刀具定長(zhǎng)為180 mm，則其擺長(zhǎng)L =120 +180 =300 mm。以箱體零件底面中心為工件零點(diǎn)，用此刀具做各孔點(diǎn)鉆2 mm 深度的點(diǎn)中心加工，其孔位坐標(biāo)關(guān)系計(jì)算如下:

(1)加工φ50 的孔時(shí)，A=90°，C=90°，Y=0;X、Z 坐標(biāo)可按圖3(a)所示幾何關(guān)系計(jì)算得出。即:X=100－2 +180 +120 =398，Z=100－L=100－300 =－200。

圖3 加工φ50、φ20 孔時(shí)孔位計(jì)算幾何關(guān)系圖

(2)加工φ20 的孔時(shí)，A =90°，C =30°，Z 坐標(biāo)與加工φ50 孔時(shí)相同，即Z=－200，X、Y 坐標(biāo)可按圖3(b)所示幾何關(guān)系計(jì)算得出。

由圖2 的尺寸關(guān)系可知，在圖3(b)中，Oa =100，ad=70，cf=62.5。可計(jì)算得出:

af = ad × cos30° = 60.622，fb = cf × tan30° =36.084，ae=bc= cf/cos30° =72.169

Oe=100－ae=27.831，ce=ab=af+fb=60.622 +36.084 =96.706

則加工φ20 孔時(shí)，X = Oe +(ce－ 2 + L)×sin30° = 225.184，Y =－(ce－ 2 + L)× cos30° =－341.826

若以距孔口10 mm 處為工進(jìn)鉆孔前的初始位，則其坐標(biāo)X0、Y0計(jì)算為:

X0=Oe +(ce +10 + L)× sin30° =231.184，Y0=－(ce+10 +L)×cos30° =－352.218

(3)加工φ18 的孔時(shí)，A =60°，C =135°，鉆孔加工需要X/Y/Z 聯(lián)動(dòng)進(jìn)給實(shí)現(xiàn)，因此必須分別計(jì)算工進(jìn)鉆孔前后兩點(diǎn)的X、Y、Z 坐標(biāo)，可按圖4所示幾何關(guān)系計(jì)算。

圖中，孔口中心點(diǎn)A 坐標(biāo)為(81.25，81.25，184.69)，AR=L－2 =298，可計(jì)算得出:

ar=AR×sin60° =258.075 6，a'r' = AR ×cos60° =149，即點(diǎn)R 坐標(biāo)為:

XR=YR=81.25 +ar×sin45° =263.737

ZR=184.69 + a'r' =333.69

則加工φ18 孔時(shí)，X = XR=263.737，Y = YR=263.737，Z=ZR－L=33.69

圖4 加工φ18 孔時(shí)孔位計(jì)算幾何關(guān)系圖

若以距孔口10 mm 處為工進(jìn)鉆孔前的初始位，則其坐標(biāo)X0、Y0計(jì)算為:

X0= Y0=81.25 +(AR +12)×sin60° ×sin45° =271.086

Z0=184.69 +(AR+12)×cos60°－L=39.69

3 雙擺頭五軸后處理文檔的參數(shù)修改

MasterCAM X 版的五軸參數(shù)是在PST 文檔的5 Axis Rotary Settings 區(qū)段中設(shè)置，主要包括旋轉(zhuǎn)軸代碼及正方向、擺頭/擺臺(tái)五軸配置方案、軸間偏置或擺長(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)軸角度極限等參數(shù)。以Generic Fanuc 5X Mill.pst 后置處理文檔為藍(lán)本，按前述C + A 模式對(duì)雙擺頭五軸進(jìn)行主要設(shè)置參數(shù)的修改，見(jiàn)表1所示。

表1 雙擺頭C+A 五軸主要參數(shù)設(shè)置及含義解析

4 雙擺頭五軸鉆孔自動(dòng)編程的比較驗(yàn)證

在MasterCAM X 版中，對(duì)圖2所示零件建模并設(shè)計(jì)五軸鉆孔加工的刀路，然后關(guān)聯(lián)到經(jīng)上述參數(shù)修改確立的后處理檔，則可自動(dòng)編制得到如下NC 程序:

從以上對(duì)程序的識(shí)讀解析，比較前述手工節(jié)點(diǎn)計(jì)算的結(jié)果，不難看出，因φ50 孔加工時(shí)刀軸與X 軸平行，NC 程序是切換到G19 平面后用G81 鉆鏜循環(huán)實(shí)現(xiàn)的，其余2 孔均是以G00/G01 來(lái)做鉆孔加工的。以上NC 程序中，除φ20 孔加工結(jié)束后有一個(gè)安全距離的退刀節(jié)點(diǎn)之前沒(méi)做計(jì)算不好判斷外，其余節(jié)點(diǎn)與手工計(jì)算的結(jié)果完全吻合。由此可以判定，以上雙擺頭五軸后處理參數(shù)的修改經(jīng)比較驗(yàn)證是合理可行的。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)MasterCAM X 版而言，五軸加工的刀路設(shè)計(jì)與采用何種機(jī)床無(wú)關(guān)，各種五軸配置方案在后處理文檔的藍(lán)本中均有相關(guān)參數(shù)項(xiàng)的設(shè)置可以修改。據(jù)作者使用MasterCAM X 版的經(jīng)驗(yàn)，要判斷修改后的五軸后處理合理與否，通常只需通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的五軸鉆孔案例，在熟知相應(yīng)五軸模式下其孔位坐標(biāo)手工算法的基礎(chǔ)上，對(duì)修改后所輸出的程序中關(guān)鍵坐標(biāo)數(shù)據(jù)比對(duì)一下即可判定，并不需要借助多么復(fù)雜的多軸仿真軟件來(lái)驗(yàn)證。只要五軸鉆孔自動(dòng)編制的程序得以驗(yàn)證通過(guò)，其他基本線圓插補(bǔ)、合理設(shè)計(jì)下的曲面銑削等程序數(shù)據(jù)均無(wú)原則性錯(cuò)誤。至于因刀路設(shè)計(jì)的不合理導(dǎo)致干涉碰撞的產(chǎn)生，應(yīng)該說(shuō)與后處理機(jī)床配置方案修改的合理性無(wú)關(guān)，刀路設(shè)計(jì)的合理性及干涉碰撞可能性的判定，則必須借助仿真軟件做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

［1］吳軍.用MasterCAM X 進(jìn)行多軸自動(dòng)編程加工的方法［J］.機(jī)械工程師，2011(1):100－101.

［2］孟凡秋.MasterCAM 后處理數(shù)控加工程序的修改［J］.模具制造，2007(4):11－12.