（机械制造及其自动化专业论文）五轴数控铣削加工后置处理及加工编程研究.pdf

山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：7 碑日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 第一章绪论 第一章绪论 五轴数控技术是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术m 。在复杂曲面的 高效、精密、自动化加工方面，五轴联动加工更是具有三轴加工所不能比拟的的 优势。主要体现在以下几个方面：五轴加工可有效地避免刀具干涉。加工三轴 机床难以加工的复杂零件：对于直纹面的加工，五轴加工可以采用侧铣的方式 一刀成型，加工质量和加工效率高；五轴加工可以实现一次装夹、多面多工序 加工，容易保证产品精度；五轴加工中刀具相对于工件具有良好的切削状态； 对于加工空间受到限制的通道加工和组合曲面过渡区域加工，五轴加工可以选 用较大尺寸刀具避开干涉进行加工，刀具刚性好嘲。 因此，五轴加工技术一直是数控加工领域内国内外学者的研究热点之一“”。 并且，也一直受到西方国家对我国的技术封锁。因为许多先进武器装备的制造， 如飞机、导弹、坦克等的关键零件，都离不开高性能数控机床的加工。 五轴编程技术是五轴加工技术的关键问题之一。在此对数控编程技术的各方 面内容做一简单概述。 1 1 数控编程技术的发展历程 2 0 世纪5 0 年代，美国麻省理工学院( m i t ) 设计了一种专门用于零件数控加工 程序编制的语言a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r 砌i e dt 0 0 1 s ) 。其后m i t 组织美国各 大飞机公司共同开发了a p t i i 。到了6 0 年代，在a p t i i 的基础上研制的a p t i i i 已经到 了应用阶段。以后又几经修改和充实，发展成为a p t 一，a p t a c 和a p t 一s s 。 a p t 能处理二维、三维铣削加工，但较难掌握。为此，在a p t 的基础上，世界各国 发展了带有一定特色和专用性更强的a p t 衍生语言0 1 。 1 9 7 2 年，美国洛克西德加里福尼亚飞机公司首先研究成功采用图像仪辅助设 计、绘图和编制数控加工程序的一体化系统c a d a h i 系统。1 9 7 5 年，法国达索飞机公 司引进c a d a m 系统，为已有的二维加工系统c a l i b r b 增加二维设计和绘图功能，1 9 7 8 山东大学硕士学位论文 年进一步扩充，开发了c a t i a 系统。随着计算机处理速度的发展和图形设备日益普 及，数控编程系统进入了c a d c 删一体化时代啪。 目前应用较为广泛的数控编程系统有a p t 一s s 、c a d a m 、c a t i a 、e u k l i d 、 u g n x 、i n t e r g r a p h 、p r o e n g i n e e r 、m a s t e r c a i ，c i 帕t r o ne 等。我国西北工业大 学、华中科技大学等开发的图形编程系统如n p u g n c p 和i n t e c a m 也具有两轴半零件 加工和雕塑曲面多轴加工等功能，达到了实用化程度。 1 2 数控编程技术的关键技术 1 零件几何建模 要完成复杂零件的数控加工编程，必须要用自动编程软件来实现。其首要环 节是建立被加工零件几何模型。1 。复杂形状零件几何建模的主要技术内容包括：曲 线曲面创建及编辑技术、实体建模技术和特征建模技术等。 2 加工方案及工艺参数的合理选择 加工方案的确定及工艺参数的选择，直接决定着数控加工的效率和质量。其 中刀具、刀轴控制方式、走刀路线和进给速度的自动优化选择与自适应控制是近 年来所研究的重点问题。1 。 3 刀具轨迹生成 刀具轨迹生成是复杂形状零件数控加工中最重要同时也是研究最为广泛深入 的内容，能否生成有效的刀具轨迹直接决定了加工的可能性、质量和效率。刀具 轨迹生成的首要目标是使所生成的刀具轨迹能满足：无干涉、无碰撞、轨迹光滑、 切削负荷光滑并满足要求、代码质量高、代码量小等条件嘲。 4 数控加工仿真 零件实际加工之前，对所编制的数控加工程序进行加工仿真验证是十分必要 的，特别是在多轴加工编程中，其作用更为突出。由于多轴加工中刀具相对于工 件运动的复杂性，所生成的加工程序在加工过程中有可能会出现过切与欠切、干 涉与碰撞等问题。数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径与材料切除过 程来检验并优化加工程序。1 ，可以有效地避免上述问题，提高编程效率与质量。 5 后置处理 2 第一章绪 论 后置处理是数控编程技术的一个重要内容，它将c a m 系统生成的不包含具体机 床和数控系统信息的刀位数据转换成能够控制特定机床运动的数控加工程序。有 效的后置处理对于保证加工质量、效率与机床可靠运行具有重要作用。1 。 1 3 后置处理技术概述 数控机床的各种运动都是执行特定的数控指令的结果，完成一个零件的数控 加工一般需要执行连串的数控指令，即数控程序。在c a l i 系统中，考虑到具体机 床的结构和系统不同以及c a m 编程的独立性，其自动生成的是相对于工件坐标系的 刀位文件，这个过程称为前置处理。前置处理产生的刀位文件不能用于驱动数控 机床的运动。因此，这时需要设法把刀位文件转换成特定数控机床能够识别并且 能够执行的数控程序，这个过程称为后置处理。1 。 1 3 1 后置处理的主要任务 后置处理的主要任务包括以下几个方面“： 1 机床运动变换 五轴数控编程生成的刀位文件中的刀位数据，是刀具相对于工件坐标系的刀 心位置和刀轴矢量数据。机床运动变换的作用就是根据具体的机床运动结构将刀 位文件中的刀位数据转换成为机床各运动轴的运动数据。 2 非线性运动误差校验 c a m 系统进行刀位数据的计算时，是使用离散直线来逼近工件轮廓。加工过程 中，只有当刀位点实际运动为直线时，才能与编程精度相符合。多坐标加工时， 由于旋转运动的非线性，由机床各运动轴线性合成的实际刀位运动会严重偏离编 程直线。因此，应对该误差进行检验，若超过允许误差时应作必要修正。 3 进给速度校验 进给速度是指刀具接触点或刀位点与工件表面的相对速度。在多轴加工中， 由于回转半径的放大作用，其合成速度转换到机床坐标时，会使平动轴的速度变 换很大，超出机床伺服能力或机床、刀具的负荷能力。因此，应根据机床伺服能 山东大学硕士学位论文 力( 速度、加速度) 及切削负荷能力进行校验修正。 4 数控加工程序生成 数控加工程序生成是指根据数控系统规定的指令格式将机床运动数据转换成 机床程序代码。后置处理在完成这个过程时，原则上是逐行解释执行，根据刀位 文件记录行的类型，来确定是进行针对特定机床的坐标变换还是进行代码转换， 直到刀位源文件结束。 1 3 2 后置处理技术发展 自2 0 世纪5 0 年代由美国麻省理工学院设计a p t 语言以来，后置处理就成为自动 编程的重要组成部分。在a p t 中，对于不同的数控系统，编写不同的后置处理程序， 由于数控系统种类繁多，机床配置不尽相同，a p t 的专用后置处理程序达上千种之 多1 ”。 1 9 8 0 年i b m 公司为解决a 阿刀位源文件的处理推出了d a p p ( d e s i g na i df o r p o s tp r o c e s s o r ) 系统，系统包括输入模块、输出模块、数据处理模块等，用户 可以利用它生成所需后置处理。该系统的推出使后置处理系统向通用化发展迈进 了步。 随着c a d c a m 一体化技术的出现及迅速发展。各种c a d c a m 系统的c a m 部分大都 配置了通用后置处理( p o s tp r o c e s s i n g ) 模块。例如u g 软件系统采用的u g p o s t 、 p r o e n g i n e e r 系统采用的p r o n c p o s t 、c a t i a 软件系统采用的i m s p o s t ，c i m a t r o n e 系统采用的g p p 2 等。 1 3 3 国内后置处理技术研究现状 近年来，国内对后置处理理论与技术也进行了深入研究。取得了一定的研究 成果。 在通用后置处理技术方面，张利波，周济1 提出了一种基于配置文件的开放 式数控编程通用后置处理模型；程筱胜，刘壮啪1 对南京航空航天大学的超人 c a d c a m 系统的通用后置处理系统进行了研究，开发了具有交互式图形系统用户界 面的通用后置处理程序；c a x a 制造工程师是目前国内应用最广泛的国产c a d c a m 系 4 第一章绪论 统，其后置处理功能模块解决了常见数控机床的后置处理“”。 在后置处理的有关技术方面，刘雄伟”1 探索了典型配置多坐标数控机床后置处 理的算法：陈涛，彭芳瑜，周云飞啪1 提出了适用于任意结构形式的多坐标数控机 床运动模型的建立与反求方法，在此基础上建立了对机床几何误差进行补偿的后 置变换。韩向利，袁哲俊田1 对五坐标数控机床的后置处理算法原理和后置处理配 置文件参数进行了探索和设计；刘日良、张承瑞等1 研究解决了4 5 。b 轴特殊双转 台五坐标数控机床后置处理算法。冯显英o ”、丁勇、耿小强衄3 等也针对特殊双转 台结构的机床进行了后置处理算法研究。周艳红、周济。1 提出了通过后置处理实 现数控机床几何误差软件补偿的原理和算法。 在针对国外c a d c a m 系统的应用研究方面，明兴祖啪3 介绍了后置处理系统的组 成、数控自动编程系统m a s t e r c a 硼后置处理程序的结构及其惯用文件的设定内容， 并探索了开发途径，通过操作修改后的后置处理程序，使它能适合其它数控系统的 n c 程序生成：吕风民“7 1 研究了基于u g o p e ng r i p 下的d 删7 0 v 特殊双转台数控机床 后置处理程序的开发。李吉平、刘华明啪1 在分析五轴数控加工中心基本结构的基 础上，给出了涉及多轴数控加工后置处理角度分配和坐标变换的数学模型，以此数 学模型为核心，基于p r o e n g i n e e r 软件开发了后置处理器。陈辉、王知行o ”基于 u g p o s t 后置处理器，开发了并联机床的后置处理。 1 4 课题的研究内容及意义 加工编程和后置处理是数控加工技术的重要内容，决定着数控加工质量和效 率的发挥。特别是在五轴加工领域，由于刀具与工件相对运动以及机床结构的复 杂性，使得编程与后置的实现技术难度更大。 针对上述两个方面的问题，本文进行了相应的研究：一、针对德国d e c k e lm a h 0 公司出品的d m u 7 0 v 型特殊双转台五轴联动加工中心进行了基于c i h i a t r o ne 软件环 境下的后置处理开发。二、在五轴加工编程工艺探讨的基础上，以整体叶轮和钢 体p d c 钻头为例进行了五轴加工的编程，并利用所开发的后置处理程序进行了数 控机床加工仿真，验证了五轴编程和后置处理的正确性。 本文的研究对于如何提高五轴加工编程质量和解决后置处理问题，具有一定 的实际意义。 5 山东大学硕士学位论文 第二章五轴数控机床后置处理算法 2 1 五轴数控机床的结构形式 通常情况下，五轴数控机床的运动轴包括三个平动轴和两个转动轴，并且五 个运动轴是可以联动的。其中三个平动轴是x ，y ，z 三轴，两个旋转轴是绕x ，y ， z 轴旋转的a ，b ，c 轴中的任意两个，如图2 一l 所示，旋转轴的正方向依据右手螺旋 定则进行定义。1 。 z y 图2 1 机床运动坐标 按照运动轴的配置型式，可以将五轴数控机床分为以下三种基本型式。 1 双摆头型五轴机床 如图2 2 所示，双摆头型五轴机床的两个旋转轴都作用在刀具上，按照具体旋 转轴的不同形式，可以有a - b 、b a 、c a 、c b 四中形式。1 。这种配置型式的优点是 主轴加工非常灵活，工作台也可以设计得非常大。但是，这类主轴的摆动机构比 较复杂，一般刚性较差“目。 6 图2 2 双摆头型机床配置示意图 山东大学硕士学位论文 t 3 = oo c o s 爿一s i n 么 s i n 彳c o s 彳 oo ( 2 5 ) 则： 伍yz1 ) = b g ) ，岛z c ol jt l t 2t 3 ( 2 6 ) 将其展开可得： ix = kc o s c + y c os i i i c r = 吖c os m c c o s 爿+ ) ，c oc o s c c o s 彳+ z gs i i l 一+ ds i n _ ( 2 7 ) 【z = 8 i n c s i n 4 + y c oc o s c c o s 一+ z qc o s 4 + d c o s 4 2 x ，y ，z ，b ，c 五轴数控机床后置处理算法嘲 与x ，y ，z ，a ，c 五坐标数控机床相比，其后置处理算法略有不同： 工件可绕y 轴旋转b 角，且不受o 。9 0 。范围限制。 刀轴既可以绕z 轴顺时针转到( + x ) ( + z ) 平面上 如图2 6 ( a ) ，也可以绕z 轴 逆时针转到( 一x ) ( + z ) 平面 如图2 6 ( b ) 。 1 0 ( a )( b ) 图2 6x y z b c 型机床刀轴矢量绕z 轴的两种转动关系 两种情况下的坐标变换计算公式如下： a ) 刀轴矢量绕z 轴顺时针旋转到( + x ) ( + z ) 平面上： 口：。伽盈 口2 口9 0 。 川。+ 。扭。巫 口2 ( 4 ， o ) q ，= o ) g ，= o 】 ( 2 8 ) 第二章五轴数控机床后处理算法 c 一协酬 ( 矧 c t s o o 一一h( 篙)汜9 ， c t s o o + 一t a n 吲( ： c 一咖he ： 令蛐剀= 9 0 。 l j i 刀心点c 。经工件旋转后在机床坐标系中的坐标值为： l x = 工c oc o s 丑c o s c + y c dc o s 口s i l l c 一：c os i l l 口一d s i l l 口 y = s i n c + y c oc o s c 【z = 8 i 1 1 口c o s c + j 7 c os i n 丑s i l l c + z c 。c o s 口+ 叠c o s 口 b ) 刀轴矢量绕z 轴逆时针旋转到( 一x ) ( + z ) 平面上 矗：一一匠 4 f 丑= 一9 0 o 口：- 1 8 0 。一一! ：! 立 d j c 叫s o o + l 刊 c 一一h c = 一h c 一- s o o 一一h ( 当a ，= o 时，令咖剀= 9 0 。) l n ，j o ， o q ，= o 0 ，= o 刀心点c 。经工件旋转后在机床坐标系中的坐标值为： l r = x c oc o s 口c o s c + y 岛c o s 口s i n c z c os i l l 丑一d s i l l b y = j 岛s i i l c + j ，c oc o s c 【z = x 岛s i n b c o s c + _ ) ，c os i n 口s i i l c + z 岛c o s 口+ d c o s 口 ( 2 1 0 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 、，、，、， o o 0 o o o o 0一一一vl j y i，#， 口 口 口 4 口 4 口 4 ，jl、，、，t、，。，k 第二章五轴数控机床后处理算法 3 ) 刀具摆动后摆刀中心c o 在工件坐标系0 x y z ，中的位置为： l x = 如+ s i n 彳s i n c y = y c o 一工s i n 彳c o s c ( 2 1 6 ) iz = ：r + 工c o s 爿 2 2 3 特殊双转台型五轴数控机床后置处理算法 德国d e c k e lm a h o 公司出品的d m u 7 0 v 五轴数控加工中心，与传统的五轴机床配 置型式不同，五个运动轴分别是x ，y ，z ，b ，c 。但是，该机床的b 轴不是绕y 轴旋 转，而是绕在y o z 平面内与y 轴正向夹角为4 5 。的轴旋转的，如图2 8 所示，图中 h = 1 5 5 嘲。旋转轴8 ，c 都是由工作台旋转实现的，故工作台( 工件) 的实际运动方 向和图中定义方向相反。工作台绕z 轴的转动可为任意角度，绕b 轴只能实现 o o 1 8 0 0 得摆动。b = o 。时，机床工作台垂直于z 轴；b = 1 8 0o 时，工作台与z 轴平行， 从而达到工作台的立卧转换”“1 。 圈2 8d 删7 0 v 倾斜转台坐标系 其后置处理算法如下。“8 ： 为讨论方便，在此作以下设定：如图2 9 所示，工件坐标系为0 ，x ，y ，z ，工 件坐标系在机床运动坐标系中的坐标为( 工。，j ，。z 。) ，0 0 = h 。工件上任意一点 的刀心位置在工件坐标系中的坐标为r ( 。c o ，yc o ，2c o ) 。工件绕倾斜轴只能摆动 b ( o o s b 1 8 0 0 ) 角；工件可绕坐标轴z 转动c 角；工作台回转轴与z 轴回转方向相反； 其机床运动坐标值x ，y ，z ，b ，c 的计算方法如下： ，炎；鼍太 一， 1 4 第三章d m u 7 0 v 数控机床后置处理程序开发 第三章d m u 7 0 v 数控机床后置处理程序开发 后置处理的实现形式一般有两种，一为通用后置处理，一为专用后置处理。 通用后置处理模块般包括三个软件资料：机床数据文件，用来描述机床控制系 统的类型、指令定义和输出格式等；刀位文件，用来描述刀具的位置、刀具运动、 进给速度等内容：通用后置处理器，该部分是通用后置处理模块的核心，其根据 机床数据文件的定义，将刀位文件转换成控制机床运动的数控代码程序。专用后 置处理是根据不同的机床类型和不同的数控系统编写用于特定机床专用的后置处 理程序“1 。本章基于c i m a t r o ne 软件，以上述两种形式实现针对d 删7 0 v 数控机床的 后置处理程序。 3 1 基于c i m a t r o ne 通用后置处理模块的后置处理开发 3 1 1c i m a t r o n e 软件功能简介 c i m a 仃o ne 软件是以色列c i m a 仃o n 公司开发的针对工模具制造的c a d c a m 软件。软件加工功能主要包括“2 “”： 1 两轴半加工2 5 轴加工可以应用于3 d 曲面和实体以及2 d 曲线加工，以提 高加工效率和编程的灵活性。 2 三轴粗加工3 轴粗加工提供了多种加工策略，可以通过边界或检查面来控制 加工区域，同时支持高速加工。 3 三轴精加工3 轴精铣提供了根据零件的形状来自动优化的加工策略，通过几 何形状的分析对水平区域和垂直区域采用不同走刀路径，从而大大提高加工效率 和零件的表面质量。其加工策略包括：平行切削，放射状切削，环形切削，恒定 残留高度( 3 d 等步距) 切削，z 向等高切削以及沿着曲面的流线切削等。 4 五轴加工软件的5 轴加工功能提供了丰富的5 轴粗加工、精加工策略，可 以有效地避免刀具、刀柄和零件、毛坯、机床之间发生干涉及碰撞。其功能主要 包括5 轴粗加工( 环切、行切、插铣) 、5 轴精加工( 行切、流线加工、笔式加工) 、 5 轴倾角加工( 用短刀加工深腔模具) 、5 轴轮廓铣和钻孔、5 轴微铣削( 用于微型 1 7 第三章d m u 7 0 v 数控机床后置处理程序开发 1 ) 小2 8 指令在倾斜轴定位时保持刀尖位置( t c p m ，刀具中心点管理) 标准状态下，系统移动刀具到程序中给定的位置。如果程序中改变了倾斜轴 的位置，必须计算由此引起的线性轴的偏位并在定位程序行中移动。m 1 2 8 状态下， 如果在程序中改变了被控倾斜轴的位置，相对于工件的刀尖位置保持不变。此时 如果编制倾斜工作台移动程序，系统也相应地旋转坐标系。 2 ) m 1 4 0 指令按刀具轴线正方向退刀 标准状态下，系统按程序中的规定移动刀具。m 4 0 状态下，利用m 1 4 0m b ( 后 退) 按刀具轴线的正方向退刀。 3 ) m 1 2 6 指令旋转轴的短路径行程( 取消用m 1 2 7 ) m 1 2 6 状态下，如果某一旋转轴的显示值减少到小于3 6 0 。，系统就以最短的行 程路径移动刀具。 4 ) m 9 4 某一旋转轴的显示值减少到小于3 6 0 o 标准状态下，系统从当前的角度值移动刀具到编程的角度值。姻4 状态下，在 程序行开始时，系统首先把当前的角度值减少到一个小于3 6 0 。的数值，然后移动 刀具到编程位置。 5 ) m 9 l 编制机床基准坐标 m 9 1 状态下，系统屏幕上显示的坐标值是参照机床原点的。 3 重要循环指令 1 ) 循环1 9 ( c y c ld e f1 9 )定义加工面 可在循环1 9 中通过输入倾斜角度定义加工面的位置，即参照机床坐标的刀具 轴的位置。要中止倾斜角度，可对工作平面循环进行重新定义并为所有的旋转轴 输入角度值为o o 的角度。定义格式如下： 1 2lb + 1 5r 0f 1 0 0 0 ；定位旋转轴 1 3c y c ld e f1 9 ow o r k i n gp l a n e ： 1 4c y c ld e f1 9 1b + 1 5 ；为计算补偿定义角度 2 ) 循环7 ( c y c ld e f7 )基准点转换 可以通过该循环输入新基准点的坐标。通过输入基准点转换坐标x = o 、y = 0 及z = o 可中止基准点转换。定义格式如下： 1 9 山东大学硕士学位论文 1 3c y c ld e f7 od a t u ms h i f t 1 4c y c ld e f7 1x + 6 0 1 5c y c ld e f7 3z 一5 1 6c y c ld e f7 2y + 4 0 4 刀具调用指令t o o lc a l l 指令格式：2 0t 0 0 l c a l l5zs 2 5 0 0f 3 5 0d l + o 2 d r 一1 刀号：输入刀具编号或名称，如指令格式中的数值5 ； 工作主轴轴线x y z ：输入刀具轴线，如指令格式中的字符z ； 主轴转速s ：直按输入主轴转速，如指令格式中的数值2 5 0 0 ； 迸给率f ：直接输入进给率，如指令格式中的数值3 5 0 ； 刀具长度超差d l ：输入刀具长度偏差值，如指令格式中的数值+ o 2 ； 刀具半径超差d r ；输入刀具半径偏差值，如指令格式中的数值一1 。 5 数控加工程序格式 1 ) 程序头：主要包括加工中心数控系统规定的一些特定的格式和控制主轴及 冷却液的相关程序行。 指令格式：b e g i np g m 、程序名和当前的测量单位识别。 2 ) 程序尾：主要包括主轴停、程序结束( m 3 0 ) 以及数控系统识别文件结束 的标示符。 指令格式：e n dp g m 、程序名和当前的测量单位识别。 3 1 3e x 2 文件编辑 如前所述，c i m a t r o ne 软件的通用后置处理器g p p 2 可以通过对e x 2 文件编辑、 编译生成d x 2 文件，从而生成特定的后置处理程序。下面是结合h e i d e n h a i n i t n c 一5 3 0 系统功能，针对d m u 7 0 v 机床进行e x 2 文件设置，开发后置处理程序的过程。由 于篇幅限制等原因，在此只就设置的主要环节作如下说明。 1 程序头定义代码段：双引号中的字符原样输出，双引号外的变量输出其值。 b e g i 刚i n go ft a p e ： o u t p u t $ b b g i np g m p r o g n u m b e r 删”： 第三章d m u 7 0 v 数控机床后置处理程序开发 0 u t p u t $ b l kf o r mo 1zx x m i n y y m i n z z m i n ： 伽t p u ts b l kf o 蹦o 2 x 澈x y y 淞x z z 淞x ： 2 z 轴回安全点定义代码段 g p pp r o c d e fm o v e t o s a f e z ： o u t p u t $ lz 4s a f e z f 姒xm 9 1 ： 3 机床定义代码段 g p pp r o c d e fd e f i n e m a c h i n e ： m 5 _ u s e i m a c h = t r u e 一： m 5 一r t c p t a b = t r u e 一： m 5 一a v e c x = 0 ： m 5av e ( 、y = o ： m 5av e c z = 0 ： d e f i n e m a c h i n et a b l e t a b l ea x 5 j y p za x 5 p z ： 4 换刀定义代码段 t 0 0 lc h a n g e ： g p p c a l l p r o cr e s e t r t c p ( ) ： g p p _ c a l l p r o cs p i n d le s t o p ( ) ： g p pc a l l p r o cc o o l a n t o f f ( ) ： g p pc a l l p r o cm o v e t o s a f e ( ) ： g p p c a l l p r o cr e s e t w o r k i n g p l a n e ( ) ： t o o l d i a h a l f = d i a m e t e r 2 ： o u t p u t $ 。t o o lc a l l t o o l n u m ”zs ”s p i n s p e e d ”s p i n d i r ”d r 一 t o o l d i a h a l f ： g p p _ c a l l p r o cm o v e t o s a f e z ( ) ： 5 直线插补设置 l i n e a rm o t i o n ： o u t p u t $ ”m o t l 0 n - c 0 d e ： i f s e t ( x _ c u r p o s ) 0 u t p u t ”x _ c u r p o s ：e n d - i f ： 2 i 山东大学硕士学位论文 i f - s e t ( y - c u r p o s ) o u t p u t 。y y _ c u r p o s ：e n d - i f ； i f s e t ( z - c u r p o s ) 0 u t p u t 。z z - c u r p o s ；e n d - i f ： i f ( m a c h i n e t y p e = = m a c h i n e 5 a x i s ) i f s e t ( a c u r p o s ) i f _ s e t ( b - c u r p o s ) e n di f ： o u t p u t m 5 一a l e t t e ra c u r p o s ：e n d i f 0 u t p u t ”m 5 一b l e t t e rb c u r p o s ：e n d i f i f - s e t ( m c h - f e e d ) o u t p u t ”rm c h _ f e 即：e n d - i f 6 圆弧插补设置 c i r c u l a rm o t l 0 n ： o u t p u t $ c cx ”x c e n t e r y ”yc e n t e r ： o u t p u t $ ex ”x c u r p o s 8 y 。y _ c u r p o s ”骈o t l 0 n c 0 d e i f s e t ( m c h f e e d ) o u t p u t f ”m c h f e e d ；e n p i f 7 输出m 1 2 8 m a c h i n ec o n t r o l ：r t c po n m 5 一r t c p m 1 2 8 = t r u e 一： o u t p u t $ 4m 1 2 8 ： 根据机床结构和控制系统类型设置完成各个环节，然后进行编译生成d x 2 文 件，就可以对c i 姒t r o ne 软件生成的刀位文件进行后置处理了，如图3 1 所示。 图3 一lg p p 2 后置处理界面 第三章d m u 7 0 v 数控机床后置处理程序开发 3 2 专用后置处理程序编写 后置处理的过程是采用解释执行的方式，逐行读出刀位文件中的数据，分析 该记录的类型，根据机床结构进行坐标变换，并按照机床控制系统的控制指令格 式转换成相应的程序代码，形成特定数控机床的加工程序伽。 3 2 1c i m a t r o ne 刀位文件格式 要进行后置处理程序的编写，首先要明确所处理刀位文件的数据格式，然后 有才能有针对性地进行逐行处理。c i 船t r o ne 软件所产生的直线运动的刀位文件 格式为：2 5 0 ，5 1 ，”2 ，一1 1 7 4 4 9 3 1 7 9 3 2 ，一7 8 9 8 7 5 7 9 3 5 ，6 4 ，o ，o ，1 ，o ，0 ，1 ， 其中2 5 o 表示该段代码是直线运动的刀位数据，5 1 是其程序段号，”2 表示是 切削进给模式，其后的六个数据分别是刀心位置和刀轴矢量。 其它主要代码段格式简介如下： 1 程序开始：0 3 0 ，o ，0 ，o ，o ，o ，o ，1 ，1 ，o ，0 ，0 ，0 ，8 0 ，o ，o ，o ，“m o d e l ，1 4 ，l o ，2 0 0 7 ， 2 刀路轨迹开始：0 5 o ，0 ，”n ot e x t ，“，”，“，”t p - m o d e l ，“m i l l ，”m i l l 一5 ， 3 机床联动轴数：o o o ，3 ，3 ， 4 主轴转速：3 8 0 ，6 5 4 ，“1 ，l o o o ， 5 坐标系转换：3 6 0 ，6 5 7 ，1 ，0 ，0 ，o ，0 ，0 ，l ，1 ，0 ，0 ， 6 换刀：4 2 o ，6 5 9 ，3 0 ，0 ，“b n l 2 r 2 ，1 ，1 5 ，1 ，1 2 ，4 ，1 ，1 0 0 ，o ，0 ，0 ，0 ，o ，o ，o ，o ， 7 快速进给：2 5 0 ，2 ，”1 ，4 0 7 0 0 6 5 3 0 7 6 ，2 0 7 0 0 6 7 2 1 5 ，8 0 ，o ，o ，1 ，0 ，o ，1 ， 8 进给速率：2 2 0 ，6 6 3 ，5 0 0 ， 3 2 2 c 语言源程序编写 基于上述分析，利用特殊双转台机床的坐标变换公式，编写了d u 7 0 v 机床专 用后置处理的c 语言源程序。程序流程如图3 2 所示。部分程序段如下： f i l e 牛p f i n ，牢p f o u t ： 山东大学硕士学位论文 c h a rf n i n 8 0 ，f n o u t 8 0 ： c h a rb u f f e r l i n b c o u n t ： c h a rv s t r 口= ”2 5 o ”：代码段标示符定义 以下为刀位数据读入程序段： w h i l e ( ! f e o f ( p f i n ) ) f o r ( i n d e x = 0 ：i 兀d e x 6 ：i n d e x + + ) 宰n u m i n d e x = 0 ： i n d e x = 0 ： m f = d f = o ： f g e t s ( b u f f e r ，l i n e c o u n t ，p f i n ) ： i f ( ! i s v a l i d n u m ( b u f f e r ，v s t r ) ) f p s t r = b u f f e r + 6 ； w h i l e ( 木p s t r ) s w i t c h ( 木p s t r ) c a s e ，： i f ( m f = = 1 ) 堆n u m i n d e x 木= 一1 ： i n d e x + + ：m f ：d f = o ：b r e a k ： c a s e ： d f = 1 ：d e m = o 1 ：b r e a k ： c a s e 一： m f = l ：b r e a k ： d e f a u l t ： i f ( d f = = 0 ) 木n u m i n d e x = 爿c n u m i n d e x 木1 0 o + 木p s t r 一o ： e l s e f 宰n u m i n d e x + = ( 木p s t r 一0 ) 幸 d e m ： d e mj = o 1 ： 山东大学硕士学位论文 弋 ( 开始) 、 ( 结束) 图3 2 后置处理主要流程图 山东大学硕士学位论文 3 4 本章小结 后置处理是联系数控编程与数控机床实际加工的关键环节，由于种种原因， 后置处理程序的开发成为c a m 软件功能发挥和数控机床使用效率的制约因素之一。 本章针对特殊双转台数控加工中心d m u 7 0 v 基于c i m a t r o ne 软件系统通过两种手 段开发了后置处理程序。一是基于c i 眦t r o ne 的通用后置处理器g p p 2 进行了开 发，一是基于五轴机床后置处理坐标变换公式编写了c 语言的专用后置处理程序。 并对两种方式产生的数控程序代码进行了对比分析，进行了数控仿真加工，证明 了程序开发的结果是正确的。 第四章五轴加工编程及加工仿真 第四章五轴加工编程及仿真加工 4 1 五轴数控加工工艺有关内容 编制高质量的五轴加工程序，加工工艺的合理确定具有极为重要的作用。五 轴加工工艺的内容包括机床选择、刀具选择、走刀路线规划、主轴转速、切削速 度和进给速度等”1 。有关五轴数控机床的内容，已在前面有所阐述，在此不再赘述。 现对五轴加工工艺的其它内容作简单介绍。 4 1 1 刀具选择 数控铣削加工中常用的刀具主要有平底立铣刀、端铣刀、球头刀、环形刀、 鼓形刀和锥形刀等，根据具体的加工特征选择合理的刀具。是非常重要的。对于 各种刀具的使用特点简介如下。1 ： l ，平底立铣刀 平底立铣刀 图4 1 ( a ) 所示 在多坐标加工中的应用有侧铣和端铣两种方式。 侧铣方式主要应用于直纹面的加工，可用其周边切削刃一次成形，加工效率和加 工质量高。端铣方式在保证刀具不与型面干涉的前提下，尽可能使平底立铣刀底 部贴近被加工表面进行加工，从而改善切削条件，并有效抑止行间残余高度。 2 端铣刀 端铣刀 图4 一l ( b ) 所示 主要用于面积较大的平面铣黼和较平坦的立体轮廓 ( 如大型叶片、螺旋桨、模具等) 的多坐标铣削，以减少走刀次数，提高加工效率 与表面质量。 3 球头刀 球头刀 图4 1 ( c ) 所示 加工的刀具中心轨迹是由零件轮廓沿其外法线方向偏 置一个刀具半径而成。球头刀球头切削刃上各点的切削情况不一，越接近球头刀 的底部其切削条件越差( 切削速度低、容屑空间小等) 。但是，球头刀对于加工对 象的适应能力很强，且编程与使用也较方便，是多轴加工的常用刀具。 3 l 山东大学硕士学位论文 4 环形刀 环形刀 图4 1 ( d ) 所示 主要用于凹槽、平底型腔等平面铣削和立体轮廓的加 工，其工艺特点与平底立铣刀类似，切削性能好。 5 鼓形刀 鼓形刀 图4 1 ( e ) 所示 多用来对飞机结构件等零件中与安装面倾斜的表面进 行三坐标加工。鼓形刀也应用于一般表面的多坐标侧铣，而且它比圆柱面或圆锥 面侧铣的适应能力强。鼓形刀不适于加工内缘表面。 6 锥形刀 锥形刀 图4 1 ( f ) 所示 的应用目的与鼓形刀有些相似，在三坐标机床上，它 可替代多坐标侧铣加工零件上与安装面倾斜的表面。对于底部狭窄的通道等情况 的加工，采用锥形刀可在满足结构空间限制的情况下增加刀具的刚度，从而提高 加工效率与精度。 ( 4 ) m 七# 县够 图4 一l 数控铣削常用刀具 4 1 2 切削用量的选择 1 切削深度a p 在机床动力足够、工艺系统刚度允许的情况下，尽量提高唧，这是提高生产 率的一个有效措施。切削深度的提高会降低刀具使用寿命，但是影响不大。 2 切削宽度 一般啦与刀具直径d 成正比，与切削深度成反比。经济型数控加工中，一般 靶毋 第四章五轴加工编程及加工仿真 啦的取值范围为：q = ( o 6 o 9 p 。切削宽度对刀具寿命的影响同切削深度。 3 切削速度 提高也是提高生产率的一个措篪，但v c 与刀具耐用度的关系比较密切。随 着的增大，刀具耐用度急剧下降，故的选择主要取决于刀具耐用度。另外， 切削速度与加工材料也有很大关系，例如用立铣刀铣削模具钢时，v c 可采用 1 2 0 i i l ，恤i n 左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时，v c 可选8 0 0 m m i n 以上。 4 主轴转速，l ( r m i n ) 主轴转速一般根据切削速度来选定。计算公式为： 计= 1 0 0 0 ) 式中：卜刀具或工件直径( 啪) 数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调( 倍率) 开关，可在加工过程 中对主轴转速进行整倍数调整。 5 进给速度w 进给速度w 应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来 选择。哆的增加也可以提高生产效率。进给速度v 与每齿进给量五有关。粗加工时， 每齿进给量正的选取主要决定于工件材料的力学性能、刀具材料和铣刀类型。工 件材料强度和硬度越高，选取的正越小，反之则越大；硬质合金铣刀的每齿进给 量五应大于高速钢铣刀。而精加工时，每齿进给量正的选取要考虑工件表面租糙 度的要求，表面粗糙度要求越高，吁越小。进给速度印每齿进给量石与转速一之 间的关系是： y ，= z 2 知 ( 4 2 ) 在加工过程中，竹也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但是最 大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。 进给速度的选择，还需要注意零件加工的特殊情况。例如，当加工圆弧时， 切削点的实际进给速度并不等于编程数值。加工外圆弧时，切削点的实际进给速 度小于编程值。而加工内圆弧时切削点的实际进给速度大于编程值。若刀具半径 与圆弧路径的半径接近时，实际进给速度将变得很大，有可能损伤刀具和工件。 6 体积切除率 山东大学硕士学位论文 矿= 4 。口，v ，= 口。4 ，一二正= 口。口，z 正三；i ? 等( 4 3 ) 式中，v 厂工作台进给量，m m m i n ； 雄一机床主轴转速，r m i n ； z 一齿数： 石一每齿进给量，m 以； z ) c 一刀具直径，m m 。 合理选择切削用量的原则是，粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考 虑经济性和加工成本；精加工时，首先应保证加工质量，兼顾切削效率、经济性。 具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。 粗加工为体积加工，从高的生产率考虑，应在保证刀具耐用度的前提下，使 材料的去除率最大，而材料的去除率又与吃刀量( 切削深度如、切削宽度吼) 、 进给速度怫切削速度等有关。切削用量各要素中，任一要素的增加都会使刀 具的耐用度下降，但影响程度不同，影响最大的是切削速度，切削速度稍一提高， 刀具寿命就会有明显的降低，其次是进给速度，最小的是吃刀量。为使所选的切 削用量使生产率高且对刀具耐用度下降影响最小，一般首先选择尽可能大的吃刀 量，其次是确定迸给速度v ，最后根据刀具耐用度确定切削速度。 精加工主要保证精度，迸给速度v ，受表面粗糙度限制，根据刀具耐用度确定 切削速度。 4 1 3 五轴加工编程刀具轨迹生成 1 刀具轨迹生成方法 五轴数控加工刀具轨迹生成是数控编程的基础和关键，主要方法如下啪： 1 ) 参数线法 曲面参数线加工方法 如图4 2 所示 是多坐标数控加工中生成刀具轨迹的主 要方法，特点是切削行沿曲面的参数线分布，即切削行沿u 线或v 线分布，适用于 网格比较规整的参数曲面的加工。该算法的优点是计算方法简单，速度快：不足 之处是当加工曲面的参数线分布不均匀时，切削行刀具轨迹的分布也不均匀。 第四章五轴加工编程及加工仿真 图4 2 参数线加工刀具轨迹分布 2 ) 截平面法 截平面法加工方法 如图4 3 所示 是采用一组截平面去截取加工表面，截出一 系列交线，刀具与加工表面的接触点就沿着这些交线运动，完成曲面的加工。 截平面法使刀具与曲面的切触点轨迹在同一平面上。该方法对于曲面网格分 布不太均匀及由多个曲面形成的组合曲面的加工非常有效，可以使加工轨迹分布 相对比较均匀，可使残留高度分布比较均匀，加工效率也较高。 4 ) 投影法 图4 4 回转截面法加工的刀具轨迹 第四章五轴加工编程及加工仿真 由，角及指定沿走刀方向的左右侧来确定刀轴的空间