張永智，郭 穎，孫建邦，董 沖，蘭 凱，王 銀，杜 亞

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

1 概述

本課題來源于西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所某項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)支架類零件的科研試制加工，該支架類零件主要結(jié)構(gòu)為六面體，各個(gè)面均有加工要求，且各面之間的幾何特征、位置精度要求較高。加工中存在如下難點(diǎn)：一是零件多個(gè)面的位置公差難以保證，多次找正中存在積累誤差，達(dá)0.1～0.2 mm，加工精度受限于找正精度，達(dá)不到圖樣設(shè)計(jì)要求；二是每個(gè)零件在加工前由于多次找正，效率低，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，達(dá)20～30 min，且勞動(dòng)操作重復(fù)性高；三是對(duì)于任意角度固定軸的鉆孔及輪廓銑削也不能實(shí)現(xiàn)加工。目前對(duì)于該類零件的加工方法是：采用高精度五軸聯(lián)動(dòng)加工中心一次裝夾完成多面的加工。由于本所五軸聯(lián)動(dòng)加工中心設(shè)備較少，現(xiàn)有的五軸(3+2)非聯(lián)動(dòng)加工中心又不具備該加工功能，因此急切需要對(duì)五軸非聯(lián)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行改造升級(jí)，使其滿足加工要求。五軸(3+2)非聯(lián)動(dòng)加工中心設(shè)備的特點(diǎn)是：具有3個(gè)直線軸X、Y、Z和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸B、C，雖然是五軸機(jī)床，但B、C軸旋轉(zhuǎn)后各個(gè)坐標(biāo)軸之間無相互依附關(guān)系，不具有五軸聯(lián)動(dòng)功能和Rtcp刀尖跟隨功能，不能實(shí)現(xiàn)在同一坐標(biāo)系下零件多個(gè)面的加工要求，需要分別設(shè)置坐標(biāo)系，然后切換坐標(biāo)系依次加工。為了提高加工精度，滿足產(chǎn)品圖樣設(shè)計(jì)要求，挖掘設(shè)備加工潛能，提高設(shè)備利用率，更快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的多面加工，現(xiàn)對(duì)該臺(tái)五軸設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，所采取的方法是對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與優(yōu)化技術(shù)方面的研究[1]。

2 實(shí)施方案

研究分析機(jī)床結(jié)構(gòu)和B、C軸的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，參考三維空間坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)算法，找出之間旋轉(zhuǎn)的變量關(guān)系，編制相對(duì)應(yīng)的宏程序，再應(yīng)用NX自動(dòng)編程軟件在同一坐標(biāo)系下編制所有面的加工程序，將加工程序通過后處理文件與宏程序建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，機(jī)床端設(shè)置相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系后調(diào)用該程序即可完成所有面的一次裝夾加工。具體包括如下幾個(gè)部分。

1)根據(jù)多面體零件的圖樣尺寸及加工安裝位置建立幾何模型，本例采用具備加工任務(wù)相近的試切件示例。

2)應(yīng)用NX自動(dòng)編程軟件在幾何模型相關(guān)面上建立編程坐標(biāo)系，并在該坐標(biāo)系下完成所有面加工的工序創(chuàng)建。

3)編制宏程序。

4)修改NX后處理的相關(guān)文件，使創(chuàng)建完成的工序與宏程序建立關(guān)聯(lián)，通過NX后處理生成加工程序。

5)機(jī)床上輸入編制好的宏程序及內(nèi)容，設(shè)置機(jī)床回轉(zhuǎn)中心及零件工件坐標(biāo)系的機(jī)械坐標(biāo)值，同時(shí)設(shè)置好相應(yīng)的加工刀具。

6)調(diào)用生成的程序加工，加工過程中通過機(jī)床宏程序內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對(duì)坐標(biāo)值的實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)計(jì)算，從而計(jì)算出相應(yīng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)換的新機(jī)械坐標(biāo)值，刀具根據(jù)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)值進(jìn)行切削加工[2]。

3 方案實(shí)施

以試切件模型進(jìn)行試切，驗(yàn)證方案的可行性。

3.1 建立幾何模型及編制加工程序

創(chuàng)建的試切件幾何模型如圖1所示，是一個(gè)包含平面、孔、凸臺(tái)、型腔及輪廓的具有綜合特征的多面體，設(shè)置零件上平面的某一具體位置為工件加工坐標(biāo)系編制加工程序，程序包含粗加工銑面、銑型腔及內(nèi)外輪廓，精加工銑面及內(nèi)外輪廓，鉆孔。其中，包含傾斜面上的輪廓特征加工。

圖1 試切件模型及加工程序圖

3.2 宏程序的編制、后處理的修改定制及生成轉(zhuǎn)換前的程序

3.2.1 宏程序的編制

宏程序的編制過程主要分為如下兩部分。

1)三維空間坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)算法[3]。三維空間中的坐標(biāo)點(diǎn)(x,y,z)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后各坐標(biāo)值變換為(x′,y′,z′)(見圖2)。

圖2 XOY平面繞Z軸旋轉(zhuǎn)示意圖

XOY平面繞著Z軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后的公式為：

(1)

相應(yīng)地，繞著X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)后的公式分別為：

(2)

(3)

2)宏程序的編寫如下。

O9012

#100=#5261 ;G56X方向坐標(biāo)

#101=#5262 ;G56Y方向坐標(biāo)

#102=#5263 ;G56Z方向坐標(biāo)

#106=#5241-#100 ;X方向旋轉(zhuǎn)中心G55-G56X值

#107=#5242-#101 ;Y方向旋轉(zhuǎn)中心值G55-G56Y值

#108=#5243-#102 ;Z方向旋轉(zhuǎn)中心值G55-G56Z值

#130=#2 ;B旋轉(zhuǎn)角度 正負(fù)方向取決于5軸的旋轉(zhuǎn)方向

#131=-#3 ;C旋轉(zhuǎn)角度 正負(fù)方向取決于5軸的旋轉(zhuǎn)方向

#111=#106*COS[#130]+#108*SIN[#130]

#112=0

#113=-#106*SIN[#130]+#108*COS[#130] ;用三維空間坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)算法

…

……

G90 G10 L2 P1X[#114+#124+#100]Y[-#115+#125+#101]Z[#116+#126+#102] ;可輸入編程坐標(biāo)系輸入，G10L2是固定格式，P1代表代號(hào)為G54的坐標(biāo)系，L2對(duì)應(yīng)G54整數(shù)坐標(biāo)值，XYZ方向的偏移量自動(dòng)輸入到系統(tǒng)G54坐標(biāo)中[4-6]。

M99

3.2.2 NX后處理的修改編制

打開后處理構(gòu)造器，對(duì)其中相關(guān)部分進(jìn)行塊定制，寫入相應(yīng)TCL語言，并將此塊應(yīng)用到線性移動(dòng)、鉆孔循環(huán)等部位，關(guān)于塊的定制可能有其他種的寫法定制，本例只是其中的一部分，修改后保存不斷輸出程序調(diào)試驗(yàn)證，直到滿足預(yù)期要求，建立起NX軟件生成的程序與宏程序的調(diào)用關(guān)系(見圖3～圖5)[7-8]。

圖3 定制塊命令

圖4 移動(dòng)部分應(yīng)用塊命令

圖5 鉆孔部分應(yīng)用塊命令

3.2.3 生成轉(zhuǎn)換前的程序

加工程序(部分)：

G15 G17 G21 G40 G80 G69 G90

G90 G10 L2 P0 X0. Y0. Z0.

M05

(T1=D16R0 D=16.00 R=0.00 H=1)

G00 G91 G30 Z0 T01

M06

G91 G28 Z0.0

G65 P9012 B0.00 C0.00；B0，C0，加工上平面，調(diào)用宏程序O9012，

G90 G54 X0.0 Y-65.997 B0.0 C0.0 S6500 M03；執(zhí)行G54轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)值加工

G43H01 Z50.

M08

Z2.

G01 Z-1. F1500.

Y-54.997

……

G00 Z50.

G91 G28 Z0.0

G65 P9012 B90.00 C0.00；B90，C0，加工0度側(cè)面，調(diào)用宏程序O9012

……

……

G91 G28 Z0.0

G65 P9012 B90.00 C270.00；B90，C180，加工270度側(cè)面，調(diào)用宏程序O9012

G00 X-6.249 Y0.0 B90. C270. S6500 M03

G43 H01Z58.

Z52.

……

Z38.

G00 Z58.

M5

M9

G0G91G30Z0

G0G91G30Y0

G00 G90 B0

M30

3.3 機(jī)床端的修改和參數(shù)設(shè)置

1)G55為旋轉(zhuǎn)中心，將機(jī)床的B、C軸旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)值鍵入G55。

2)G56為工件坐標(biāo)系，將找正后的機(jī)械坐標(biāo)值鍵入G56，與UG編程軟件設(shè)置的坐標(biāo)系保持一致。

3)G54為經(jīng)過宏程序計(jì)算后得到的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，初始值設(shè)為0,0,0。

4)后處理調(diào)用子程序G65 P9012 B0 C0，子程序?yàn)镺9012。

5)根據(jù)程序加工順序設(shè)置相應(yīng)的加工刀具[9]。

3.4 試切件加工

1)在試切前先進(jìn)行Vericut軟件的仿真加工，將機(jī)床、程序、毛坯、刀具、坐標(biāo)系等參數(shù)設(shè)置正確，搭建各個(gè)部分之間的結(jié)構(gòu)附屬關(guān)系(見圖6和圖7)，待仿真確認(rèn)無誤后再將該程序傳入機(jī)床。

圖6 仿真機(jī)床搭建關(guān)系圖

圖7 仿真加工完成圖

2)調(diào)用該程序進(jìn)行試切件加工，機(jī)床初始狀態(tài)為：G54為轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)系，初始全部設(shè)為0，G55為旋轉(zhuǎn)中心的機(jī)械坐標(biāo)系值，G56為工件坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系下完成所有面的加工任務(wù)。

3)機(jī)床調(diào)用刀具主軸正轉(zhuǎn)，在移動(dòng)坐標(biāo)點(diǎn)前，利用指令G65 P9012調(diào)用宏程序O9012中的內(nèi)容，經(jīng)過宏程序中三角函數(shù)的數(shù)學(xué)計(jì)算，將換算后的坐標(biāo)值通過指令可輸入編程坐標(biāo)系輸入G10 L2 P1XYZ，自動(dòng)計(jì)入G54的坐標(biāo)系中，這個(gè)過程隨著B、C軸的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，刀具根據(jù)該坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行切削加工。

4 試切件檢測(cè)驗(yàn)證

1)試切件圖樣部分尺寸如圖8所示。

圖8 試切件圖樣部分尺寸

2)經(jīng)過測(cè)量，試切件各個(gè)尺寸均滿足圖樣要求，試切件測(cè)量結(jié)果見表1，試切件加工成品如圖9所示。

表1 尺寸測(cè)量結(jié)果

圖9 試切件完成圖

3)經(jīng)過試切驗(yàn)證與測(cè)量，與坐標(biāo)系未優(yōu)化改進(jìn)前加工效果進(jìn)行對(duì)比(見表2)。

表2 優(yōu)化改進(jìn)前后對(duì)比表

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)采用此技術(shù)優(yōu)化方案，解決了驅(qū)動(dòng)支架類零件的科研試制加工難題，在五軸非聯(lián)動(dòng)機(jī)床上一次裝夾完成所有面的加工任務(wù)，加工精度滿足產(chǎn)品圖樣設(shè)計(jì)要求。

2)采用此技術(shù)優(yōu)化方案，使產(chǎn)品找正時(shí)間和加工精度得到了有效提升，現(xiàn)階段以每年200件計(jì)算，綜合費(fèi)用約節(jié)省10余萬元，該項(xiàng)目后續(xù)列裝定型批量加工，將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益。

3)利用此技術(shù)優(yōu)化方案，無需外購其他硬件設(shè)施，即可使五軸(3+2)加工中心設(shè)備的加工能力得到拓展和提升，為企業(yè)節(jié)約了升級(jí)改造資金。

4)此技術(shù)優(yōu)化方案可應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸計(jì)算轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，如采用此類技術(shù)，會(huì)使零件整體加工精度和加工效率顯著提高，同時(shí)為此類零件的加工提供了一定的借鑒思路，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值[10]。