閆賽賽,解瑞東,高 峰,李 艷,趙天林,張雪敏

(1.西安理工大學機械與精密儀器工程學院,陜西西安710048;2.江蘇天寶利自動化科技有限公司,江蘇鎮(zhèn)江212009;3.西安思源學院基礎部,陜西西安710038)

為了滿足大型汽車覆蓋件模具復雜表面高效率、高自動化、低成本淬火的要求,開發(fā)基于感應熱處理方式的汽車大型覆蓋件模具表面五軸數(shù)控淬火機床是非常有必要的。淬火機床根據(jù)用途可分為通用型和專用型淬火機床[1]。通用型淬火機床如捷克早期生產(chǎn)的EKS-30型淬火機床、我國一汽技術(shù)中心研制的通用多功能數(shù)控淬火機床[2]等;專用型淬火機床如曲軸感應淬火機床[3]、凸輪感應淬火機床[4]、冷軋輥雙頻感應淬火機床[5]等。數(shù)控淬火機床在生成數(shù)控程序方面有手工編程、示教編程[6]、CAD/CAM自動編程。手動編程工作量大、效率低,且一些復雜形狀的淬火程序難以手工編程。張勤儉等[6]在對汽車覆蓋件模具進行淬火時,由于被加工件三維模型未知且形狀較為復雜,采用了示教編程的方式生成數(shù)控程序。CAD/CAM自動編程一般用于數(shù)學模型已知且形狀較為復雜零件的數(shù)控編程。CAD/CAM自動編程分為兩部分:前置處理和后置處理。前置處理主要是進行刀具路徑規(guī)劃和軌跡計算,生成刀位文件。但刀位文件是以工件坐標系為基準的,并沒有考慮機床的具體結(jié)構(gòu),不能直接用于數(shù)控加工,因此需要后置處理,即根據(jù)機床機構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)的信息將前置處理得到的刀位文件轉(zhuǎn)化為數(shù)控系統(tǒng)識別的數(shù)控加工程序,來驅(qū)動機床加工零件[7]。

本文研究了三維模型已知的大型汽車覆蓋件模具數(shù)控淬火CAD/CAM自動編程后置處理算法,該算法可有效簡化編程過程、提高淬火效率。

1 淬火軌跡的生成

汽車覆蓋件模具主要是對模具邊緣輪廓進行淬火(圖1),不同曲率的輪廓段需要采用不同尺寸的淬火感應線圈,因此需要分段淬火。在每一段淬火軌跡的起始點感應線圈通電預熱(進刀),達到設定的預熱時間后打開冷卻水開關(guān)開始淬火,到達每一段淬火軌跡的終點后感應線圈斷電,在只開冷卻水開關(guān)的狀態(tài)下繼續(xù)前進一小段軌跡(退刀),以保證全部淬火軌跡的充分冷卻。這段軌跡淬火完成后,線圈快速移動到另一段曲率與之相同輪廓上方繼續(xù)淬火,所有相同曲率的輪廓段完成淬火后,更換不同尺寸的感應線圈進行另一曲率輪廓段的淬火。

先采用UG8.0構(gòu)建汽車覆蓋件模具的三維模型,再利用其自動編程功能,在可變軸輪廓銑的加工方式下設置加工參數(shù)。在淬火時感應線圈要與工件保持一定的距離,因此加工余量設置為2毫米,不同的淬火加工階段設置為不同的顏色加以區(qū)分(圖1)。然后由UG8.0自動生成合理的加工軌跡,并將其導出為刀位源文件。由基于VC++6.0開發(fā)的專用后置處理軟件讀取該刀位源文件,并根據(jù)生成軌跡的顏色來控制感應線圈的通斷和冷卻水的開關(guān)。

2 后置處理算法

2.1 機床運動原理及坐標變換關(guān)系

雙擺頭式五軸龍門淬火機床的運動原理見圖2,該機床包括X、Y、Z三個直線運動坐標軸和A、C兩個旋轉(zhuǎn)坐標軸,A軸的旋轉(zhuǎn)中心與X軸平行,轉(zhuǎn)角范圍為[-90°,+90°],C軸的旋轉(zhuǎn)中心與Z軸平行,轉(zhuǎn)角范圍為[-360°,+360°],A、C軸相交于一點。A軸在繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的同時由于C軸的旋轉(zhuǎn)而以A、C軸的交點為中心擺動。

圖2 五軸龍門淬火機床運動原理圖Fig.2 The principle diagram of the five-axis gantry quenching machine tool movement

機械加工過程實際上是通過機床各運動軸的運動使得刀具坐標系下的刀位點和刀軸矢量與在工件坐標系下編制的刀位點和刀軸矢量重合的過程[8]。設五軸龍門淬火機床初始狀態(tài)下工件坐標系為OwXwYwZw,刀具坐標系為OtXtYtZt,在擺動中心處建立機床坐標系OmXmYmZm,機床坐標系坐標方向與刀具坐標系和工件坐標系相同,刀具坐標系與工件坐標系原點重合。雙擺頭五軸聯(lián)動加工中心的坐標變換及刀軸矢量變換見圖3～4。

圖3 機床坐標變換簡圖Fig.3 The transformation of machine tool coordinate

圖4 刀軸矢量變換關(guān)系圖Fig.4 The transformation of cutter axis vector

從刀具坐標系到工件坐標系通過齊次坐標變換可得如下公式:

(1)

A、C軸轉(zhuǎn)角的計算實際上是計算刀軸矢量的變化,而刀軸矢量T(i,j,k)T的變換即刀具相對于工件位置的變化。見圖4,首先將刀軸矢量T繞Z軸順時針轉(zhuǎn)動C角到(-Y)(+Z)平面上,再將刀軸矢量T繞X軸順時針轉(zhuǎn)動A角到與Z軸坐標方向一致,完成刀軸矢量的轉(zhuǎn)換可得到如下公式:

α=arccos(k)

(2)

(3)

式中:px、py、pz分別表示X、Y、Z軸的指令移動量;α、β分別表示A、C轉(zhuǎn)動軸的指令轉(zhuǎn)動量; (xT,yT,zT)T為工件坐標系下的刀位點坐標;(i,j,k)T為工件坐標系下的刀軸姿態(tài)矢量;L為擺動中心到刀心點的距離。

2.2 機床A、C旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角的優(yōu)化選擇策略及算法

針對后置處理生成的數(shù)控程序中經(jīng)常出現(xiàn)相鄰兩行NC代碼的C軸轉(zhuǎn)角值的跳變,從而導致在淬火過程中感應線圈與汽車覆蓋件模具發(fā)生碰撞干涉的問題,提出了機床A、C旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角的優(yōu)化選擇策略及算法,具體內(nèi)容詳述如下。

當A軸和C軸的轉(zhuǎn)角分別為α、β±2π和-α、β±π時,代入式(1),px、py、pz的值不變,可據(jù)此來對A、C軸轉(zhuǎn)角進行優(yōu)化,其算法流程見圖5。具體方法詳述如下。

圖5 A、C軸轉(zhuǎn)角優(yōu)化算法流程圖Fig.5 Rotary angle of A and C axis optimization algorithm flow chart

1) 根據(jù)淬火機床A、C軸轉(zhuǎn)角范圍,設置A軸最大轉(zhuǎn)角αmax,以及C軸的初步優(yōu)化極限角度C1、C2,一般取C1∈(120°,180°),C2∈(300°,360°)。讀取刀位源文件,獲取后置處理軟件中各項參數(shù),對一行刀位源文件進行后置處理求出xi、yi、zi及αi、βi。若該行A軸轉(zhuǎn)角絕對值|αi|大于A軸最大轉(zhuǎn)角αmax,則不能生成該行數(shù)控程序;否則執(zhí)行下一步。

2) 根據(jù)C軸初步優(yōu)化極限角度C1、C2,對A、C軸轉(zhuǎn)角進行初步優(yōu)化。若該行C軸轉(zhuǎn)角絕對值大于C1小于C2,βi>0時βi=βi-π、αi=-αi,βi<0時βi=βi+π、αi=-αi;若該行C軸轉(zhuǎn)角絕對值大于C2,βi>0時βi=βi-2π、αi=αi,βi<0時βi=βi+2π、αi=αi。

3) 根據(jù)前一行C軸轉(zhuǎn)角的大小,再一次對A、C軸轉(zhuǎn)角進行優(yōu)化。若該行C軸轉(zhuǎn)角βi減前一行C軸轉(zhuǎn)角βi-1的絕對值大于C1,則對該行C軸轉(zhuǎn)角進行循環(huán)優(yōu)化如下。

① 該行C軸轉(zhuǎn)角絕對值小于前一行C軸轉(zhuǎn)角絕對值,若前一行C軸轉(zhuǎn)角βi-1≥0,βi=βi-π、αi=-αi;否則βi=βi+π、αi=-αi。

② 該行C軸轉(zhuǎn)角絕對值大于前一行C軸轉(zhuǎn)角絕對值,若該行C軸轉(zhuǎn)角βi≥0,βi=βi-π、αi=-αi;否則βi=βi+π、αi=-αi。

3 算法的驗證與加工仿真

3.1 算法的驗證

根據(jù)上述后置處理算法,基于VC++6.0的MFC模塊,設計了針對該機床的后置處理軟件,后置處理流程見圖6,后置處理軟件的主界面見圖7。在后置處理器主界面中可分為讀取刀位文件、輸入?yún)?shù)、后置處理、保存數(shù)控代碼四個部分,該軟件可將刀位源文件轉(zhuǎn)換為有合理A、C軸轉(zhuǎn)角的數(shù)控程序。采用UG8.0建立汽車覆蓋件模具三維模型(圖1)并生成刀位源文件,采用后置處理軟件讀取刀位源文件生成數(shù)控加工程序。

圖6 后置處理器操作流程Fig.6 The operation process of post processor

圖7 后置處理器界面Fig.7 The interface of post processor software

用Matlab2010編寫程序讀取該數(shù)控加工程序C軸轉(zhuǎn)角變化情況,與未添加A、C軸轉(zhuǎn)角優(yōu)化算法的汽車覆蓋件模具數(shù)控加工程序的C軸轉(zhuǎn)角變化情況進行比較,比較結(jié)果見圖8。未添加A、C軸轉(zhuǎn)角優(yōu)化算法時存在相鄰兩行NC代碼的C軸轉(zhuǎn)角值存在跳變(圖8(a));而添加優(yōu)化算法后相鄰兩行NC代碼的C軸轉(zhuǎn)角值變化均勻(圖8(b))。

圖8 數(shù)控代碼中的C軸轉(zhuǎn)角變化情況比較Fig.8 The comparison of rotary angle changes for C in NC code

3.2 加工仿真

將三維模型和數(shù)控程序?qū)隫ERICUT7.0數(shù)控加工仿真軟件,并與未添加優(yōu)化算法的加工仿真過程進行比較,比較結(jié)果見圖9,圖9中黃色部分為仿真的淬火軌跡。

圖9 淬火機床VERICUT數(shù)控加工仿真比較Fig.9 Quenching machine tool VERICUT simulation

由圖9可見，未添加A、C軸轉(zhuǎn)角優(yōu)化算法時,感應線圈在汽車覆蓋件模具圓角處與之發(fā)生碰撞(見圖9(a)中紅色圈出部分);添加A、C軸轉(zhuǎn)角優(yōu)化算法后,仿真過程中運動平穩(wěn)、感應線圈與汽車覆蓋件模具之間無碰撞(圖9(b))。

4 結(jié) 語

本文主要工作包括雙擺頭五軸龍門數(shù)控淬火機床淬火軌跡的生成,后置處理算法的推導,包括對后置處理求解過程中的多解問題進行分析,提出A、C軸轉(zhuǎn)角優(yōu)化算法,并進行了淬火加工過程仿真。仿真結(jié)果表明,本文推導的后置處理算法能夠有效地避免因轉(zhuǎn)角選擇產(chǎn)生的碰撞問題,表明該算法是正確、有效的。本文的研究工作,對于提高數(shù)控淬火機床的效率具有重要的意義。