二苹动、五軸數(shù)控銑削刀具軌跡設(shè)計(jì)

在利用CAM平臺(tái)進(jìn)行五軸數(shù)控銑削刀具軌跡設(shè)計(jì)時(shí)柬乓，其核心內(nèi)容主要包括刀具軸矢量控制、軌跡驅(qū)動(dòng)方式蠢涝、進(jìn)退刀處理玄呛、五軸數(shù)控機(jī)床后處理與五坐標(biāo)機(jī)床加工仿真模擬等方面的工作。由于五軸加工時(shí)產(chǎn)品的復(fù)雜性和刀具軸控制的靈活性和多樣性惠赫，導(dǎo)致五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工編程的難度和復(fù)雜性較大把鉴。一般CAM平臺(tái)都提供五軸銑削數(shù)控編程功能，其主要包括（A）旋轉(zhuǎn)四軸：多用于帶旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)或配備繞X儿咱、Y軸的旋轉(zhuǎn)臺(tái)的的四軸加工庭砍；如MACH1600位Z軸旋轉(zhuǎn)的工作臺(tái)主軸可立臥轉(zhuǎn)換，可對外圓上的槽或型腔進(jìn)行加工混埠；（B）五軸底刃銑削：用于銑刀的底刃對空間曲面進(jìn)行加工怠缸，避免傳統(tǒng)球頭刀的加工，此時(shí)需要對刀軸矢量進(jìn)行合理的控制設(shè)計(jì)钳宪；（C）側(cè)刃五軸：利用銑刀的側(cè)刃對空間的曲面進(jìn)行加工揭北，避免球頭刀的R切削，能大幅度提高曲面粗精加工的效率吏颖；（D）五軸順序銑削與五面體加工：多用于銑削工步內(nèi)容比較多的多面體加工搔体，如立臥轉(zhuǎn)換五面體加工中心可一次加工產(chǎn)品上的五個(gè)面或內(nèi)外腔的場合，多用于工序的復(fù)合化加工综俄；（E）曲線五軸：對空間的曲面曲線進(jìn)行五軸曲線加工竿赂；（F）五軸鉆孔：對空間的孔進(jìn)行鉆孔加工，多用于孔的位置不再三個(gè)基準(zhǔn)平面上比較特殊的場合制沦，如圓錐面上的孔或產(chǎn)品上孔位的軸線方向變化的場合宅谁。

空間曲面五軸加工涉及的內(nèi)容比較多，尤其是五軸加工時(shí)更明顯榛青。進(jìn)行五軸加工時(shí)涉及加工導(dǎo)動(dòng)曲面记浸、干涉面、軌跡限制區(qū)域曙惋、進(jìn)退刀及刀軸矢量控制等關(guān)鍵技術(shù)裸悟。四軸五軸加工的基礎(chǔ)是理解刀具軸的矢量變化。四軸五軸加工的關(guān)鍵技術(shù)之一是刀具軸的矢量（刀具軸的軸線矢量）在空間是如何發(fā)生變化的妙声，而刀具軸的矢量變化是通過擺動(dòng)工作臺(tái)或主軸的擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的异这。對于矢量不發(fā)生變化的固定軸銑削場合，一般用三軸銑削即可加工出產(chǎn)品障漓，五軸加工關(guān)鍵就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機(jī)床原始坐標(biāo)系構(gòu)成空間某個(gè)角度愤售，利用銑刀的側(cè)刃或底刃切削加工來完成。刀具軸的矢量變化控制一般有固定矢量胎许、曲面法線峻呛、固定點(diǎn)、直線導(dǎo)動(dòng)辜窑、直紋面導(dǎo)動(dòng)钩述、刀具軌跡投影、點(diǎn)位與任意矢量連續(xù)插補(bǔ)等方式穆碎。
   
　　典型CAM平臺(tái)在對某變錐度零件數(shù)控銑削加工編程時(shí)牙勘，各平臺(tái)環(huán)境下的刀具軌跡示意圖如下圖4～7所示。從圖中可以看出所禀，現(xiàn)有的CAM平臺(tái)一般能滿足該產(chǎn)品五坐標(biāo)銑削加工編程的需要方面。但是從用戶的使用經(jīng)驗(yàn)上講，UnigraphicsNX平臺(tái)在刀具軸矢量控制方面表現(xiàn)得更加靈活色徘，尤其是其提供的插補(bǔ)刀具軸矢量控制和順序銑削編程功能能夠使得用戶很輕松得完成所期望的五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)銑削刀具軌跡目標(biāo)恭金。

三、后處理程序開發(fā)模式

五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工編程的后處理程序開發(fā)的主要內(nèi)容包括：①算法處理：主要針對多坐標(biāo)加工時(shí)的坐標(biāo)變換褂策、跨象限處理横腿、進(jìn)給速度控制。②數(shù)控系統(tǒng)控制指令的輸出：主要包括機(jī)床種類及機(jī)床配置般六、機(jī)床的定位灰深、插補(bǔ)、主軸铲苹、進(jìn)給彰饭、暫停、冷卻殿膏、刀具補(bǔ)償策哈、固定循環(huán)、程序頭尾輸出等方面的控制尘箫。③格式轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換與圓整泪缨、字符串處理等：主要針對數(shù)控系統(tǒng)的輸出格式如單位、輸出地址字符等方面的控制呛营。

五軸數(shù)控機(jī)床的配置形式多樣虱忙，典型配置有繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)擺動(dòng)工作臺(tái)，其二為主軸繞X軸或Y軸擺動(dòng)嘲谚，另外的工作臺(tái)則相應(yīng)繞Y軸或X軸擺動(dòng)來構(gòu)造空間的五軸聯(lián)動(dòng)加工狼楔。對于主軸不擺動(dòng)的五軸數(shù)控機(jī)床，其擺動(dòng)軸存在主次依賴關(guān)系缴渊，即主擺動(dòng)軸（Primary Table）的運(yùn)動(dòng)影響次擺動(dòng)軸（Secondary Table）的空間位置赏壹，而次擺動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)則不影響主擺動(dòng)軸的空間位置狀態(tài)鱼炒。用于對典型的五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行配置，可對工作臺(tái)雙擺動(dòng)蝌借、主軸頭雙擺動(dòng)昔瞧、主軸擺動(dòng)及工作臺(tái)擺動(dòng)、工作臺(tái)復(fù)合擺動(dòng)（回轉(zhuǎn)）菩佑、主軸復(fù)合擺動(dòng)（回轉(zhuǎn)）等典型五軸機(jī)床進(jìn)行設(shè)置自晰。主軸回轉(zhuǎn)或擺動(dòng)對應(yīng)于相應(yīng)機(jī)床，其所處于主動(dòng)軸或從動(dòng)軸的形式稍坯。在確定機(jī)床運(yùn)動(dòng)類型以后酬荞，其旋轉(zhuǎn)軸矢量平面和旋轉(zhuǎn)中心等設(shè)置是非常重要的，：用于設(shè)置主動(dòng)軸及次動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸矢量方向瞧哟，設(shè)置主軸或工作臺(tái)復(fù)合擺動(dòng)軸矢量方向混巧。旋轉(zhuǎn)軸中心、偏心設(shè)置及刀具軸輸出設(shè)置绢涡。如下所示為在Mastercam平臺(tái)下的五軸機(jī)床類型設(shè)置消弧。

#Machine rotary routine settings
mtype       : 0     #Machine type (Define base and rotation plane below)
                    #0 = Table/Table
                    #1 = Tilt Head/Table
                    #2 = Head/Head
                    #3 = Nutator Table/Table
                    #4 = Nutator Tilt Head/Table
                    #5 = Nutator Head/Head
head_is_sec : 1     #Set with mtype 1 and 4 to indicate head is on secondary

現(xiàn)有的CAM平臺(tái)提供的刀具路徑的文件包括標(biāo)準(zhǔn)的可編譯文件（如APT文件）和二進(jìn)制文件. CATIA, UGNX, Surfcam,PROE等CAM都支持這兩種格式, MasterCam的NCI則是另外的文字格式檔案.后處理則各家大多有各自的后處理。典型CAM平臺(tái)的后處理用戶界面如下圖8所示搀尊。除Mastercam采用文本方式以外室域，大部分CAM平臺(tái)都提供自己的后處理用戶界面，操作設(shè)置比較方便针容，尤其是可用于多CAM平臺(tái)和異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)杜域，如Imspost后處理包可支持幾乎所有的通用CAM平臺(tái)和流行的數(shù)控系統(tǒng)。后處理程序的開發(fā)編輯模式各不相同补蛋，其UnigraphicsNX 采用UGPostBuilder唁谣，采用基于TCL語言的二次開發(fā)功能完成用戶開發(fā)；Mastercam提供基于GENERIC FANUC系統(tǒng)通用五軸銑削后處理文件为毛，用戶需根據(jù)具體機(jī)床對其進(jìn)行編輯修改溪惶，達(dá)到最終的使用要求。其中 CimatronE芦格、 Catia可采用ImsPost進(jìn)行后處理開發(fā)终距；Spost/Gpost則采用宏程序方式用于Surfcam 、Pro/Engineer 平臺(tái)俄删。

四宏怔、機(jī)床加工仿真模擬接口

美國CGTech的產(chǎn)品VERICUT，它可用來在編程階段校驗(yàn)加工程序的準(zhǔn)確性畴椰，能夠讓編程人員對NC加工環(huán)境進(jìn)行仿真臊诊。應(yīng)用VERICUT，可對包括工裝夾具在內(nèi)的整個(gè)機(jī)床建模，它的易修改的控制程序庫使得NC程序在仿真環(huán)境中的運(yùn)行抓艳，完全模擬了在機(jī)床上的運(yùn)行触机。一些CAM系統(tǒng)本身具備校驗(yàn)功能，內(nèi)部校驗(yàn)檢查的是內(nèi)部的CAD/CAM數(shù)據(jù)壶硅，它們在上機(jī)床執(zhí)行前往往已被轉(zhuǎn)換多次了威兜。外部校驗(yàn)系統(tǒng)則不僅能檢查內(nèi)部CAM文件，還能夠校驗(yàn)G代碼庐椒。NC校驗(yàn)軟件能夠校驗(yàn)不同CAM系統(tǒng)生成的程序，用同樣的手段校驗(yàn)所有的NC程序蚂踊，使編程人員能夠?qū)λ玫母鞣NCAM系統(tǒng)得到穩(wěn)定的可靠的結(jié)果约谈。NC校驗(yàn)軟件能夠減少甚至省略在機(jī)床上進(jìn)行人工的修正，這不僅節(jié)省了編程時(shí)間犁钟，更能使機(jī)床被解放出來完全用于加工產(chǎn)品填篱。校驗(yàn)程序還可使返工、加工出廢品和損壞加工刀具的可能性降到最低恃葫。

Vericut提供了許多功能革陋，其中有對毛坯尺寸、位置和方位的完全圖形顯示悉镜，可模擬2~5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工〗醯觯現(xiàn)有的CAM平臺(tái)都提供與Vericut的嵌入式接口或轉(zhuǎn)換功能。如下圖所示分別為UGNX后谱、CATIA求驳、Mastercam等平臺(tái)與Vericut之間的轉(zhuǎn)換設(shè)置，且它們可直接與Vericut進(jìn)行嵌入式鏈接仿真刷桐，如Pro/Engineer粥谐、UGNX、CATIA痛只、Mastercam平臺(tái)等漾群。其中UGII/Vericut 切削仿真模塊是集成在UGII軟件中的第三方模塊，它采用人機(jī)交互方式模擬漱竖、檢驗(yàn)和顯示NC加工程序禽篱，是一種方便的驗(yàn)證數(shù)控程序的方法。由于省去了試切樣件闲孤，可節(jié)省機(jī)床調(diào)試時(shí)間谆级，減少刀具磨損和機(jī)床清理工作。通過定義被切零件的毛坯形狀讼积，調(diào)用NC刀位文件數(shù)據(jù)肥照，就可檢驗(yàn)由NC生成的刀具路徑的正確性。UGII/Vericut可以顯示出加工后并著色的零件模型，用戶可以容易的檢查出不正確的加工情況舆绎。如圖9為UGNX鲤脏、CATIA、Mastercam與Vericut的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口設(shè)置吕朵，圖10為基于Vericut環(huán)境的機(jī)床加工仿真模擬猎醇，能幫助用戶大幅度提高五坐標(biāo)加工編程的效率和質(zhì)量。

五努溃、小結(jié)

典型CAM平臺(tái)用于數(shù)控銑削加工編程時(shí)硫嘶，各平臺(tái)的基本功能都差不多。在細(xì)節(jié)控制上檩翁，UG更靈活纤厨，對于高速切削加工，應(yīng)采用螺旋銑削加工景絮，或者是在轉(zhuǎn)角處配置圓弧過渡 都在一定程度上支持高速加工守镰；在支持變速切削的功能上，高速加工轉(zhuǎn)角處的降速處理上说悄，UG和CiamtronE相對好一些猖右，CimatronE支持變速切削，Mastercam只有一次降速功能合圃；在根部清根上的處理稽橱，UG和CiamtronE相對好一些，可實(shí)現(xiàn)多次清根梨伸；五軸銑削刀具軸矢量控制方式上跷焚，UGNX非常靈活，其它平臺(tái)基本都能滿足使用要求痪罐，主要依賴于用戶的靈活應(yīng)用開發(fā)上逸萄；后處理程序開發(fā)上UGII/PostBuilder靈活，Mastercam采用文本形式竭鞍，而CimatronE與Catia均可采用支持異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)與CAM平臺(tái)數(shù)控程序轉(zhuǎn)換的Imspost進(jìn)行后處理板惑，Surfcam與Proe可采用同一后處理NCpost或Gpost；與Vericut軟件之間的接口關(guān)系偎快，仿真加工上冯乘，各平臺(tái)均可鏈接；參數(shù)化驅(qū)動(dòng)方面UGNX晒夹、Catia裆馒、Pro/Engineer等均支持參數(shù)化刀具軌跡編輯修改，相對其數(shù)控編程模板與參數(shù)化功能更強(qiáng)大一些丐怯。

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