戴少鵬

（中國美術(shù)學院實驗教學和設(shè)備管理中心，浙江 杭州 310024）

1 實驗室中北京精雕五軸機的現(xiàn)狀及存在的問題

五軸聯(lián)動數(shù)控機床是用于加工復雜曲面的高精密度機床，這對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)有著舉足輕重的影響力。

在藝術(shù)院校里藝術(shù)創(chuàng)作、設(shè)計和教學中常常有大量的復雜造型需要通過精雕來成型，如果設(shè)計造型的細節(jié)分布在多個角度，往往需要通過五軸機才能完成。五軸機編程技術(shù)含量高、編程難度大，如果考慮不周或編程不當就會導致有缺陷的刀路程序在五軸機精雕執(zhí)行時出現(xiàn)撞刀甚至撞機，造成嚴重損失，基于編程的難度及可能出現(xiàn)的后果常常使得實驗人員保持審慎的態(tài)度。

北京精雕是國內(nèi)頂尖的精雕機生產(chǎn)廠家，在國內(nèi)企業(yè)及高校有很高的保有量，北京精雕自己開發(fā)精雕編程軟件，分免費版和多軸版，免費版可以編三軸刀路，但五軸刀路必須用多軸版來編程，且只有插上唯一的USB 加密狗才能打開軟件進行編程，這意味著只能有一人可以進行編程，在客觀上造成其他專業(yè)人員難以有學習編程的機會。

編制五軸刀路程序必須要考慮刀具的刀長、擺臺在旋轉(zhuǎn)和擺動時與主軸是否存在干涉及刀路之間的轉(zhuǎn)換等，相比三軸刀路需要考慮更多的安全因素，五軸刀路編程及五軸機上精雕相比三軸精雕要花費更多的時間與精力，而精雕實驗室設(shè)備多人員少，導致使用率不高，也影響了藝術(shù)創(chuàng)作和設(shè)計中復雜造型成型的可實現(xiàn)性，使得造型上往往受到技術(shù)的限制。

本研究通過查閱資料，自行編寫AC 搖籃式五軸精雕機相適應的后處理就可以讓PowerMill 編程的刀路用于北京精雕五軸機，但五軸機資料很少，有很多技術(shù)難度，需要不斷去摸索。

2 北京精雕JD45 系統(tǒng)五軸精雕技術(shù)要點

2.1 JDSoft SurfMill 刀路編程

要讓機器實現(xiàn)精雕，需要在電腦上用精雕軟件對數(shù)字三維模型進行刀路編程，觀察模擬刀路是否順暢及有無干涉，如果和預先設(shè)計的一樣就可以把刀路程序通過精雕機來進行雕刻。一般情況下北京精雕五軸刀路編程用廠家提供的自主研發(fā)的軟件JDSoft SurfMill 并插上唯一的USB 加密狗進行編程，輸出ENG 格式刀路文件，ENG 文件不能被記事本之類的軟件打開，對于初學者來說不用去了解文件里的代碼指令等，入門操作更容易。其他廠家的精雕機有些采用了通用的程序代碼，對此需要了解并熟悉程序代碼，通過閱讀程序代碼就能知道每一行代碼的作用、清楚精雕機在做什么。

2.2 AC 搖籃式五軸機的路徑轉(zhuǎn)換

最為常見的精雕三軸機只有長寬高三個空間維度，不需要考慮刀具的擺動和旋轉(zhuǎn)，只要把編程時設(shè)置的加工坐標系、原點及精雕機器上工件材料毛坯的工件原點保持一致就可以正常工作。

精雕五軸機中刀軸矢量根據(jù)曲面表面的形狀擺動[1]，除長寬高三個維度外增加了擺動角度和旋轉(zhuǎn)角度，變成了五個維度，空間的復雜程度遠超三軸。AC 搖籃式五軸精雕機采用了雙回轉(zhuǎn)工作臺，A軸為擺動軸，繞X 軸擺動，C 軸為旋轉(zhuǎn)軸，A 擺動軸軸線和C 旋轉(zhuǎn)軸軸線的交點作為轉(zhuǎn)臺中心[2]，并以轉(zhuǎn)臺中心作為原點建立機床坐標系，從刀具路徑計算的角度看,以原點作為基準去計算刀尖某一點的空間三維坐標值、擺動角度及旋轉(zhuǎn)角度，計算難度就會降低很多。

轉(zhuǎn)臺中心是擺動軸軸線和轉(zhuǎn)動軸軸線的交點，通過刀尖難以準確獲取其坐標位置，裝上工件毛坯后轉(zhuǎn)臺中心在毛坯的下面，更加無法通過對刀來取得其坐標位置數(shù)據(jù)。在轉(zhuǎn)臺中心上方的毛坯頂部是最容易對刀的地方，從可操作性的角度出發(fā)一般會選擇容易對刀的毛坯頂部位置作為后處理編程加工原點。

AC 搖籃式五軸精雕機采用以轉(zhuǎn)臺中心為坐標原點的機床坐標系，因此必須在五軸精雕機上通過多軸路徑轉(zhuǎn)換器將刀具路徑編程時后處理設(shè)置的加工坐標原點轉(zhuǎn)換到五軸精雕機上的機床坐標原點，即轉(zhuǎn)臺中心。多軸路徑轉(zhuǎn)換器根據(jù)實際測得工件毛坯上加工原點X、Y、Z 值和轉(zhuǎn)臺中心的坐標差值計算出原點偏移值，然后通過“根據(jù)轉(zhuǎn)臺中心轉(zhuǎn)換路徑”將后處理中采用編程原點的刀具路徑轉(zhuǎn)換成以轉(zhuǎn)臺中心為加工原點的真正執(zhí)行刀路，刀路上的坐標值通過轉(zhuǎn)換計算出新的機器執(zhí)行的坐標值，完成了編程刀具路徑到AC 搖籃式五軸精雕機上極為重要的刀路轉(zhuǎn)換。

經(jīng)過路徑轉(zhuǎn)換后的工件坐標不再是對刀測得的值，要改成轉(zhuǎn)臺中心的坐標值，對刀測得的值加上原點偏移值就是轉(zhuǎn)臺中心的坐標值，直接按計算原點X、Y、Z 就會自動計算填入，不用手動輸入；五軸機工作原點還包括擺動角A 和轉(zhuǎn)動角C，按加工毛坯固定后對刀時的值，不需要也不能轉(zhuǎn)換擺動角和轉(zhuǎn)動角。

從電腦刀路編程到精雕機器上執(zhí)行實際上進行了二次變換，工件基準原點的變化引起刀路X、Y、Z、A、C 五個軸向值的改變。第一次在多軸路徑轉(zhuǎn)換器中把刀路編程的加工原點轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)臺中心，導致機器執(zhí)行刀路的X、Y、Z 坐標值及擺動和旋轉(zhuǎn)角度都進行了改變；第二次在主界面中把刀路編程時的工件原點通過計算轉(zhuǎn)成轉(zhuǎn)臺中心，因為此時刀路已經(jīng)轉(zhuǎn)換過，刀路的坐標原點已是轉(zhuǎn)臺中心，工件在擺動和旋轉(zhuǎn)時加工原點坐標從非中心位置轉(zhuǎn)換到中心位置，五個軸向值計算難度降低。

2.3 三軸刀路

用JDSoft SurfMill 免費版進行編程的三軸刀具路徑在五軸精雕機上也能使用，同樣需要把后處理設(shè)置的編程原點轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)臺中心，通過多軸路徑轉(zhuǎn)換器把以編程中心為坐標原點的三軸刀具路徑轉(zhuǎn)化成以轉(zhuǎn)臺中心為坐標原點的五軸刀具路徑，用計算出的轉(zhuǎn)臺中心坐標值作為工件原點。由于多軸路徑轉(zhuǎn)換的存在，AC 搖籃五軸機有一定的獨立性，且有較強的適應性。

2.4 銑面

如果是單純的銑面，不是一個刀路文件，就不能進行轉(zhuǎn)化，這時其工作原點就是對刀所得，不能用多軸路徑轉(zhuǎn)換器計算得到工作原點，因為計算所得的工作原點在轉(zhuǎn)臺中心，往往在工件毛坯下方，如果不注意就會引起嚴重扎刀甚至撞機。

3 在AC 搖籃式JD45 系統(tǒng)五軸機上使用PowerMill 編程的刀路

3.1 PowerMill 具備豐富的五軸加工策略及完善的加工仿真

PowerMill 功能強大，提供豐富的加工策略，也是主要的刀路編程軟件之一。用戶可以選擇最優(yōu)的加工方案，從而提高加工效率，減少手工修整，快速產(chǎn)生粗、精加工路徑，對二三軸、多軸的數(shù)控加工以及對刀柄刀夾完整的干涉檢查與排除，完善加工實體仿真，讓用戶在加工前了解整個加工過程及加工結(jié)果，有效地提高加工的安全性。

PowerMill 通用性好，五軸編程資料也很豐富，在網(wǎng)絡(luò)上可以找到各種講解視頻，讓學習變得相對容易。

在刀路編程中，根據(jù)工件的材料、模型和毛坯確定選用何種刀具、刀具長度，選擇二軸、三軸、四軸或五軸加工策略。在二軸、三軸加工策略中設(shè)置相應的參數(shù)，開始和結(jié)束點、切入切出連接、進給和轉(zhuǎn)速等，計算后觀察生成的刀路有沒有問題，可以通過多次調(diào)整各種參數(shù)來產(chǎn)生合理、均勻光順的刀具路徑。

五軸路徑由于增加了轉(zhuǎn)動或擺動二個軸向，需要創(chuàng)建并選用不同方位的用戶坐標系，刀軸不一定像三軸那樣垂直，往往要考慮刀軸矢量控制方法，計算出的五軸刀路有可能引起刀具擺動比較大或跳刀等，不像三軸刀路的刀具始終垂直在毛坯上方可以清楚預見刀的軌跡，在選五軸策略時一般要求選用的刀具還應該設(shè)置和實際使用一致的刀柄和夾持，通過刀路仿真觀察刀路是否順暢、有無干涉，確保安全以避免造成重大損失。

3.2 JDSoft SurfMill 五軸刀具路徑的解析

JDSoft SurfMill 內(nèi)置多種數(shù)控系統(tǒng)的后處理，選擇不同數(shù)控系統(tǒng)的刀路文件只能在相應系統(tǒng)的精雕機器上使用，不同版本之間并不能通用。本研究選擇AC 搖籃式JD45 系統(tǒng)五軸后處理，輸出時選擇通用可讀的NC 格式而不是默認的ENG 格式，以便于編寫后處理。

JDSoft SurfMill 中選用NC 格式，后處理文件選擇JD45-5ax-AC.epst，在高級設(shè)置中選A 軸為主動軸，A 軸一般選正向、角度行程為0 到90 度，然后輸出成NC 文件。

3.3 PowerMill 后處理編寫

PowerMill 編程的刀路要在五軸精雕機上使用，必須用針對此款精雕機的后處理，經(jīng)過后處理的刀路代碼才能夠使精雕機按照文件指令執(zhí)行，然而廠家并不會提供五軸精雕機的PowerMill 后處理，需要自己去編寫。

不同廠家不同機型的五軸精雕機往往有自己的特色，北京精雕AC 搖籃式五軸機不同系統(tǒng)的后處理也不一樣且不能混用，由此可見編寫五軸精雕機后處理并不容易，考慮不周就會出錯。在實際工作中，往往根據(jù)機床結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)將已有相對應的后處理文件進行適當修改。

通過分析JDSoft SurfMill 生成的NC 文本文件中的代碼，理解程序頭部和程序尾部每行代碼的作用，可以編寫JD45 系統(tǒng)AC 搖籃式五軸機的PowerMill后處理。

經(jīng)過分析比較，選用Fanuc AC 搖籃式五軸的后處理作為模板[3]，PowerMill 后處理編輯軟件中對其中的G 代碼和M 代碼進行修改，使其和JDSoftSurfMill 輸出的JD45 系統(tǒng)五軸機NC 程序文件的程序頭和程序尾保持一致，在設(shè)置菜單的“機器運動學”中類型選設(shè)置轉(zhuǎn)動軸C 最小值為-36 000，最大值為36 000，擺動軸A 的最小值為0，最大值為90，另存后可以使用。

3.4 JD45 五軸精雕機上測試

在PowerMill 中經(jīng)過仿真沒有問題的刀路按加工工藝要求進行有序輸出，用自己編寫的后處理生成NC 刀路文件，并在記事本軟件中打開仔細檢查，如果沒有發(fā)現(xiàn)什么問題，就可以到五軸機上進行測試，此時加工文件應選NC 格式而不是默認的ENG格式，完成匹配檢查。如果刀路程序代碼有問題，就不能輸入到精雕機中；如果檢查通過，同時在精雕機上的操作流程和用JDSoft SurfMill 編程的刀路文件是完全一致的，為了安全起見，一定要用手輪試切的方式進行精雕。對五軸刀路的轉(zhuǎn)動和擺動會有更深刻的理解，就會知道哪些刀路是可以實現(xiàn)，哪些是不能的。

PowerMill 按照模型、加工策略、用戶坐標、參數(shù)設(shè)定等來計算刀路，是一種比較理想的狀態(tài)，但是在五軸精雕中擺動和轉(zhuǎn)動的角度都限制在有限范圍內(nèi)，也會有五軸刀路因為不符合機床運動規(guī)律使得無法通過后處理輸出，如何選擇最優(yōu)的五軸刀路就顯得尤為重要。

4 結(jié)語

在科技快速發(fā)展的背景下，科技越來越多地融入藝術(shù)創(chuàng)作和藝術(shù)教學中，這已經(jīng)是大家的共識。精雕實驗室對中國美術(shù)學院開放，能夠精雕復雜造型的五軸精雕機備受關(guān)注，不同專業(yè)的學生和老師看到一些展示品會產(chǎn)生感性認識，也會結(jié)合自己專業(yè)產(chǎn)生聯(lián)想，促進其產(chǎn)生靈感，去創(chuàng)作新的藝術(shù)形式。

更具靈活性和更大精雕行程的機器人精雕也開始進入藝術(shù)精雕領(lǐng)域，其刀路編程和五軸編程是一樣的，只是后處理不一樣而已，學好五軸機精雕其前景無疑是廣闊的。