曹旭妍

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院數(shù)控工程學院，陜西 西安 710300)

車銑復合機床不僅能夠進行車削、銑削等加工，還能夠實現(xiàn)多軸聯(lián)動下的復合加工，尤其適合復雜零件的一次成型，因此該類機床在航空、航天、汽車等領域得到廣泛應用[1]。由于該類機床結構較為復雜，加工中機床運動軸位姿變化多樣，因此在進行復雜零件編程時，依靠手工編程基本無法實現(xiàn)。借助于UG、CATIA等三維軟件能夠方便地對零件進行工藝處理，生成零件加工的走刀軌跡文件，但該文件尚不能直接用于機床加工。當前主要通過后置處理器對刀軌文件進行處理，將其轉化為機床能夠直接讀取的NC程序，從而實現(xiàn)復雜零件的加工。本文以WFL M65車銑復合加工中心為研究對象，對機床結構展開研究，基于VC++開發(fā)適用于該機床的后置處理器，實現(xiàn)零件的NC自動化生成，并基于VERICUT仿真平臺構建機床的虛擬仿真加工系統(tǒng)，實現(xiàn)工件的仿真加工，驗證NC的正確性，保障機床使用安全。

1 機床結構介紹

WFL M65車銑復合加工中心的運動結構如圖1所示，該機床共有7個運動軸，包括：3個平動軸X1,Y1,Z1，分別繞Y軸和Z軸旋轉的B1軸、C1軸，中心架運動的Z2軸，尾座運動的Z4軸。機床具有2個主軸：車削主軸S1和銑削主軸S3。在車削模式下繞Z向旋轉的主軸為車削主軸S1，當機床轉換到銑削模式下，車削主軸切換為C1軸。

圖1 WFL M65機床運動結構

2 機床運動學建模與后置處理算法研究

數(shù)控加工系統(tǒng)中，坐標點的變換是在三維空間中進行的，其具體變化可分為旋轉變換和平移變換。開發(fā)后置處理器時，定義物體繞坐標軸旋轉的正方向為右手螺旋方向，三維旋轉變換可看作是三個二維旋轉變化的合成，即分別繞X,Y,Z軸的旋轉；平移變換也可視為分別沿著X,Y,Z軸的平移變換的合成[2]。后置處理時，對機床運動的求解就是將刀具軌跡點的坐標值從工件坐標系轉換到機床坐標系中。圖形變換的齊次變換方程為

D*=DT

(1)

式中：D*為變換后圖形上點的坐標矩陣；D為變換前圖形上點的坐標矩陣；T為圖形幾何變換矩陣。

WFL M65車銑復合加工中心坐標系統(tǒng)如圖2所示，Om2Xm2Ym2Zm2為與回轉軸B固聯(lián)的坐標系，方向與機床坐標系一致；原點Om2為回轉軸線與刀具軸線的交點；Om1Xm1Ym1Zm1為與回轉軸C1固聯(lián)的坐標系，方向與機床坐標系一致；坐標原點Om1可在回轉軸線上任意選取。顯然，其運動關系即是刀具坐標系OtXtYtZt相對于工件坐標系OwXwYwZw的變換關系，進一步可分解為OtXtYtZt相對于OmXmYmZm的平動和OmXmYmZm相對于OwXwYwZw的轉動[3]。

圖2 機床坐標系統(tǒng)

設圖2所示為機床初始狀態(tài)，其中刀具軸線平行于Z軸，工件坐標系方向與機床坐標系一致，刀具坐標系與工件坐標系原點重合。通過OtXtYtZt相對于Om2Xm2Ym2Zm2旋轉、Om2Xm2Ym2Zm2相對于Om1Xm1Ym1Zm1平移和Om1Xm1Ym1Zm1相對于OwXwYwZw旋轉的坐標變換，可得:

[μxμyμz0]T=T(rm1)·Rz(-θC)·

T(rs-rm1+rm2)·Ry(θB)·T(-rm2)·[0 0 1 0]T

(2)

[PxPyPz1]T=T(rm1)·RZ(-θC)·

T(rs-rm1+rm2)·Ry(θB)·T(-rm2)·[0 0 0 1]T

(3)

式中：T和R分別為平移和回轉運動的齊次坐標變換矩陣；μx,μy,μz為刀具三維坐標值；Px,Py,Pz為刀軸矢量值；rs為刀具坐標系相對工件坐標系的變換矢量；rm1為與C軸固連的坐標系相對工件坐標系的變換矢量；rm2為與B軸固連的坐標系相對工件坐標系的變換矢量；θB為繞B軸的旋轉角度；θC為繞C軸的旋轉角度。根據(jù)圖形學知識，將矩陣T,R代入式(2)、(3)中求解，可得機床各運動軸的計算公式。B軸轉角θB的計算公式如下：

θB=k·arccosμzk=+1,-1

(4)

在標準右手笛卡爾坐標中，B軸轉角范圍為0°～180°，k值應當取正值，但WFL M65車銑復合加工中心中B的角度設置區(qū)間為-90°～+90°，因此θB的計算公式應修正為：

θB=arccosμz-90°

(5)

C軸轉角θC的求解應根據(jù)μx和μy的取值情況進行分類分析：

(6)

X，Y，Z軸的運動計算公式如下：

(7)

式中：sx，sy，sz分別為工件坐標系下機床X軸、Y軸、Z軸的坐標值；mx，my，mz分別為刀尖的三維坐標值；px，py，pz為刀軸的矢量值；L為刀具長度補償值。

3 基于VC++的后置處理器開發(fā)

后置處理的過程就是通過后置處理器將工藝處理過程中生成的刀具軌跡文件根據(jù)機床結構及控制系統(tǒng)進行轉化，生成機床能夠直接識別的NC代碼，其基本過程如圖3所示。開發(fā)后置處理器，其程序語言需要匹配實際機床的控制系統(tǒng)，WFL M65車銑復合加工中心控制系統(tǒng)為SINUMERIK 840D，開發(fā)時需根據(jù)該控制系統(tǒng)的功能代碼進行專門的后置處理器配置。

圖3 后置處理器開發(fā)流程

Visual C++ 2010是一款可視化應用程序開發(fā)工具，本文基于其提供的Ribbon界面，完成車銑復合加工中心五軸后置處理器“5AXIS-POST”的開發(fā)。刀具軌跡文件中包含了刀具的位置、矢量、加工換刀、進給等所有加工信息，后置處理器需對其進行定義和轉換，使之成為機床能直接識別的NC程序。處理器開發(fā)過程中，最復雜的內容就是對走刀路徑的數(shù)值轉換，刀軌文件中所提供的數(shù)值為刀尖點的空間坐標和刀軸矢量(x,y,z,i,j,k)，需將其轉化為機床運動軸X,Y,Z,B,C的數(shù)值。程序處理中，通過提取刀位點數(shù)值，并根據(jù)前文所得計算公式求解各運動軸數(shù)值。

4 虛擬仿真加工

由于后置處理所生成NC的正確性無法保證，因此需要對NC進行正確性檢驗。傳統(tǒng)的NC驗證是通過樣件試切的方式來完成，然而對于車銑復合機床而言，機床加工時刀具空間位姿復雜多變，一步出錯就可能導致撞刀等危險情況發(fā)生，給企業(yè)帶來較大損失[4]。本文通過虛擬仿真技術，基于VERICUT仿真平臺，構建WFL M65虛擬仿真系統(tǒng)，并以葉輪零件為樣件實現(xiàn)仿真加工，檢驗NC的正確性，同時驗證后置處理器的正確性。圖4所示為WFL M65車銑復合加工中心的虛擬仿真系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)能夠對NC加工過程中機床各運動軸狀態(tài)進行監(jiān)管，預測加工中可能存在的干涉、碰撞等危險情況，方便技術人員對加工中出現(xiàn)的問題進行原因分析，從而對加工工藝進行改進，確保加工過程中NC的正確性[5]。

圖4 WFL M65虛擬仿真加工系統(tǒng)

仿真加工結束后，可以對加工中存在的過切、欠切問題進行分析，進而查找前置工藝處理中存在的問題并進行修改、優(yōu)化[6]。圖5所示為葉輪零件的仿真加工結果，圖5(a)中將加工精度設置為0.2 mm，零件表面及葉片根部存在較多陰影區(qū)域，顯示存在較多欠切部分；圖5(b)中將加工精度設置為0.7 mm，欠切部分主要集中在葉輪邊緣和葉片頂部區(qū)域。比較加工后的結果，明顯看出葉輪表面存在欠切部分，尤其是葉片根部，當加工精度要求進一步提高時，需通過清根、磨削等加工來滿足質量要求。

圖5 仿真加工結果檢驗

5 實際加工

將虛擬驗證后的NC載入實際機床中，添加毛坯并定義與仿真中一致的加工坐標后，進行葉輪零件的樣件加工，加工過程如圖6(a)所示；加工完成后對加工結果進行檢測，如圖6(b)所示，葉輪表面及葉片根部存在較多殘留，與仿真加工結果一致。通過對加工過程的觀察及對加工結果的檢測，證實了NC程序的正確性，進而驗證了本文所開發(fā)的后置處理器的正確性和可靠性。

圖6 葉輪實際加工驗證

6 結束語

本文以WFL M65車銑復合加工中心為對象，基于VC++平臺開發(fā)了適用該機床的專用后置處理器，經(jīng)實際驗證其能準確、可靠地實現(xiàn)NC程序的自動化獲取。但由于不同機床的運動軸結構不同，該處理器尚無法實現(xiàn)通用，后期需通過總結更多機床結構，進行系列化設計開發(fā)，拓寬該后置處理器的應用范圍。