天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院（300131）郭永亮 趙 華 張 禮

本文針對Mazak VARIAXIS 500－50II雙轉(zhuǎn)臺式五軸聯(lián)動加工中心及UG軟件，分析機(jī)床傾斜面加工指令及UG軟件五軸定向加工方法的使用和原理，利用刀軸矢量進(jìn)行判斷，運(yùn)用矩陣旋轉(zhuǎn)及更新刀位點(diǎn)的方法，開發(fā)對應(yīng)的后處理程序。

1.后處理所需要的基本參數(shù)

（1）機(jī)床的基本參數(shù) 為了制定出合理的后處理程序，首先對機(jī)床結(jié)構(gòu)、功能、參數(shù)以及相應(yīng)的指令格式進(jìn)行分析。本機(jī)床屬于雙轉(zhuǎn)臺機(jī)床（見圖1），除了X、Y、Z三個方向的直線運(yùn)動外，機(jī)床的兩個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是由工作臺分別繞X軸（A軸）和Z軸（C軸）組成。刀軸沿Z軸做上下運(yùn)動。制作后處理所需要的基本參數(shù)如附表所示。

圖1 VARIAXIS 500－50II雙轉(zhuǎn)臺式五軸聯(lián)動加工中心結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)軸

Mazak VARIAXIS 500－50II 基本參數(shù)

（2）機(jī)床的3+2軸加工指令 由于五軸聯(lián)動的加工中心運(yùn)動規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜，所以必須認(rèn)真研究機(jī)床相關(guān)指令的用法和原理，才能寫出正確的后處理。下面對Mazak VARIAXIS 500－50II雙轉(zhuǎn)臺式五軸聯(lián)動加工中心傾斜面加工需要的指令進(jìn)行分析。

傾斜面加工（G68.2）：在傾斜面加工功能中，對于現(xiàn)在被設(shè)定的工件坐標(biāo)的X、Y、Z軸可以定義進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)及原點(diǎn)平行移動的新坐標(biāo)，該坐標(biāo)系稱為特征坐標(biāo)系。通過使用該功能，可以定義空間上的任意平面，并對定義的平面進(jìn)行通常的程序（即三軸程序）指令的加工。在新定義了特征坐標(biāo)系的+Z方向，可以自動控制刀具軸向。傾斜面加工的指令為G68.2，它有多種指令格式，本文采用基于歐拉角的格式，其具體指令格式如下：

其中，P0表示該格式是根據(jù)歐拉角指定的；x、y、z表示特征坐標(biāo)系的原點(diǎn)坐標(biāo)，用傾斜面加工前坐標(biāo)系的絕對值指令；α、β、γ為歐拉角，設(shè)定范圍為－360°～360°。

根據(jù)空間角指令的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)過程如圖2所示：①平移坐標(biāo)系到點(diǎn)（x，y，z），使該點(diǎn)成為特征坐標(biāo)系的原點(diǎn)。②使移動了原點(diǎn)的坐標(biāo)系圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)α角。③使移動了原點(diǎn)的坐標(biāo)系圍繞X軸旋轉(zhuǎn)β角。④進(jìn)一步圍繞旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系的Z軸旋轉(zhuǎn)γ角。

圖2 基于歐拉角的特征坐標(biāo)系與工件的坐標(biāo)系關(guān)系

得到的坐標(biāo)系為特征坐標(biāo)系。在旋轉(zhuǎn)過程中，從各自的旋轉(zhuǎn)中心軸正方向看，逆時針方向?yàn)檎蛐D(zhuǎn)。

刀具軸向控制功能（G53.1）：該功能必須在傾斜面加工（G68.2）模式中進(jìn)行指令。通過G53.1指令，C軸旋轉(zhuǎn)，可以使特征坐標(biāo)系的Z軸處于工件X－Z平面內(nèi)；同時使A軸旋轉(zhuǎn)，使刀具軸向成為旋轉(zhuǎn)后的特征坐標(biāo)系的+Z方向。在該功能中X、Y、Z不發(fā)生移動。

2.后處理3+2軸功能開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

5軸后處理制作的技術(shù)基礎(chǔ)包括5軸聯(lián)動算法、3+2空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化、動態(tài)補(bǔ)償算法等?，F(xiàn)結(jié)合Mazak VARIAXIS 500－50II五軸聯(lián)動加工中心和所使用的CAM軟件UG 8.0，分析3+2軸加工功能使用方法和原理，研究后處理3+2軸功能的算法。

（1）加工類型的判斷 對于Mazak VARIAXIS 500－50II五軸聯(lián)動加工中心而言，最常用的基本加工模式有三種：3軸加工、3+2軸加工和5軸聯(lián)動加工。3+2軸加工對于Mazak VARIAXIS 500－50II五軸聯(lián)動機(jī)床而言，是指X、Y、Z三軸聯(lián)動，另外使用A、C軸定位，進(jìn)行五面加工。傳統(tǒng)的后處理算法一般都是基于主從坐標(biāo)系的，在使用時，要求對于需要進(jìn)行3+2加工的零件特征建立特征坐標(biāo)系。這種方法不但麻煩，而且對于具有多個任意斜面特征需要加工的零件編程難以實(shí)現(xiàn)。

本文通過判斷刀軸矢量數(shù)組變量“mom_tool_axis（）”來判斷加工類型，不僅使程序容易實(shí)現(xiàn)，而且增強(qiáng)了后處理的穩(wěn)定性和可靠性。只要刀軸矢量為固定，并且“mom_tool_axis（2）≠1”，則判定為3+2軸加工。

（2）空間坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn) 在五軸聯(lián)動的加工中需要進(jìn)行空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的相關(guān)計(jì)算，以給指令G68.2提供足夠的參數(shù)。本文采用基于歐拉角格式的傾斜面加工G68.2格式，所需參數(shù)為特征坐標(biāo)系的原點(diǎn)（x，y，z）以及歐拉角（α，β，γ）。

UG 軟件提供了變量“mom_msys_matrix”，該變量是一個數(shù)組，包含9個元素，表示工件坐標(biāo)系MCS在幾何體絕對坐標(biāo)系CSYS中的方向余弦矩陣，是刀位點(diǎn)的基準(zhǔn)坐標(biāo)。對于雙轉(zhuǎn)臺的Mazak VARIAXIS 500－50II五軸聯(lián)動加工中心而言，傾斜面加工是在G68.2指令了特征坐標(biāo)系后，進(jìn)行通常指令的加工，也就是在A、C軸定位以后，進(jìn)行三軸指令的加工。因此UG/Post要通過 G68.2建立特征坐標(biāo)系，同時又要能夠生成對應(yīng)特征坐標(biāo)系的刀位點(diǎn)。

這一過程就相當(dāng)于是在UG中，建立新的加工坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系定義為MCS1，如圖3所示，為了簡化問題，我們規(guī)定工件坐標(biāo)系原點(diǎn)為特征坐標(biāo)系的原點(diǎn)，規(guī)定刀軸矢量為Z1＋，過Z1＋和坐標(biāo)系Y軸做平面A，在平面A上把Z1＋向Y＋方向旋轉(zhuǎn)90°得到Y(jié)1＋，垂直于Z1＋與Y1＋做X1軸，取X+方向作為正方向得到X1+。然后在MCS1中建立刀軌，得到相應(yīng)的刀位點(diǎn)。

由上可知，UG/Post的程序?qū)崿F(xiàn)流程可以如圖3所示，首先根據(jù)刀軸矢量對M CS進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到新矩陣rotation_matrix。然后根據(jù)rotation_matrix得到歐拉角，同時因?yàn)閮A斜面加工時，指令數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)和三軸加工時一樣，因此刀位點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)應(yīng)當(dāng)基于MCS1重新計(jì)算。

刀軸矢量“mom_tool _axis”是UG內(nèi)部變量，它是一個包含3個元素的數(shù)組，分別代表刀軸矢量在工件坐標(biāo)系MCS三個坐標(biāo)軸X、Y、Z軸的投影。圖3給出了特征坐標(biāo)系M CS1與工件坐標(biāo)系MCS的關(guān)系。由圖可知，MCS1可以看作是MCS先繞Y軸旋轉(zhuǎn)p，再繞旋轉(zhuǎn)以后的X軸旋轉(zhuǎn)q得到的，規(guī)定由旋轉(zhuǎn)軸正向旋轉(zhuǎn)平面看，順時針為正，逆時針為負(fù)。

圖3 特征坐標(biāo)系MCS1與工件坐標(biāo)系MCS的關(guān)系

圖4 后處理針對G68.2指令相關(guān)程序的流程圖

3.后處理加工實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證后處理的可行性與正確性，有必要進(jìn)行試切。本文采用實(shí)際生產(chǎn)中的加工工件，使用本文開發(fā)的后處理制作數(shù)控程序，并進(jìn)行Vericut仿真和上機(jī)試切。首先在UG軟件中根據(jù)工程圖建立工件模型，如圖5所示，工件中主要包含了任意斜面和斜面孔的特征，是典型的3+2軸加工工件。然后選擇合適的加工方法和相應(yīng)參數(shù)，生成3+2軸的刀路，通過后處理，刀路生成對應(yīng)的程序段。圖5所示為UG制作數(shù)控程序的流程圖。

圖5 實(shí)例程序的制作流程

在上機(jī)試切之前，為了防止機(jī)床和刀具損傷，先把數(shù)控程序在Vericut軟件上進(jìn)行仿真。如圖6所示，在配置對應(yīng)的機(jī)床和系統(tǒng)之后，進(jìn)行仿真，每段程序的仿真結(jié)果均與UG軟件對應(yīng)的刀路相同。最終，上機(jī)試切證明，本文所制作的后處理可以滿足Mazak VARIAXIS 500－50II五軸聯(lián)動加工中心及系統(tǒng)3+2軸加工的實(shí)際需求。

圖6 實(shí)例程序Vericut仿真流程

4.結(jié)語

3+2軸加工在五軸加工中廣泛應(yīng)用，并多用在實(shí)際批量生產(chǎn)中。經(jīng)過驗(yàn)證，本文所提出的方法和制作的后處理可以滿足實(shí)際工程需要。本文所提出的公式可以適用于其他具有G68.2功能的機(jī)床，并對其他雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心具有指導(dǎo)意義。