1、数字技术 型!燮三堡基于UG的维纳斯雕像五轴数控加工工艺设计许朝山，周云曦(常州机电职业技柬学院，江苏常州213164)摘要：论述了应用五轴联动数控机床加工维纳斯雕像的工艺设计。首先，通过三坐标测量仅对石膏雕像进行点位测量并将测量数据导入UG软件，分析其基于UG软件的多轴编程刀路轨迹，选择曲面区域的刀路驱动方式并绘制出刀轴驱动曲面矢量图，根据刀路轨迹、刀具及设备制订出数控加工工艺；其次，计算刀具进给速度并校核、修正，根据UG软件前置处理的刀轨文件，设定相应的机床参数，并以FANUC系统五轴联动单摆头单转台加工中心为例，利用UGPOSTBUlLD处理器完成后处理，生成可加工的程序代码；最后，设定
2、坐标系及精确对刀后加工出实体雕像。关键词：UG软件；五轴联动数控机床；后处理；数控加工工艺中图分类号：TG 659 文献标志码：ADesi印of CNC M越hining Proo嘟of Five_axis Machjne abot V蚰us Statue b勰edUGXU Chaoshan。ZH()U Yunxi(Changzhou In5titute of Mechatronic Technology，Changzhou 213164，China)Abstr缸t：This paper discussed process design about processing Venus statu
3、e to use five axis linkage CNC machineFirst，measured data whjch were gotteTl through po讯t measurement of coordnate measuring instrument to gypsum statuewere Imported to UG soft，the cutter Iocus of multi a】【is pmgramrning based on the UG cutter drive mode of surface areawas selected and cutter v盹tor
4、dag珀m of d“ve shaft was drawn，and CNC machining process was formulated according tocutter locus and cutting tool and equipmentSecond。cutting tool feed rate was calculated，checked and modified corresponding to the machine parameter according to cutter locus file about pre-Processing about UG softE船mp
5、les that the FANUCsystem of five axis machining center of sjn91e pendulum hcad turntabIe and the use of UGPOSTBUlLD processor a“er completion of treatment and generation of mac hining program code were given Last，processing of solid statue after settirIg coordinate system and precise tool set“ng was
6、 givenKey wo兀b：UG soft，Five-a【is lmkage CNC machineAfter treatment。CNC machining processUG软件是目前先进的计算机辅助设计、制造和分析软件之一，其功能强大。本文研究了利用uG Nx4o对维纳斯雕像进行五轴联动编程数控加工。1 多轴编程刀路轨迹设计通过三坐标测量仪对维纳斯石膏雕像进行点位测量，然后将数据以IGES格式导入UG NX4O软件进行曲面处理，完成维纳斯雕像图形。11粗加工刀路设计一般五轴机床由3个移动轴和2个回转轴构成，分粗、精加工阶段进行加工。如果采用五轴联动编程进行粗加T，将增加大量空行程，故实
7、际加工工艺是根据雕像特征设计了3+2的粗加工方向。回转轴方向定位锁紧后。采用UG软件等高轮廓铣，从3个方向分别进行粗加工，粗加工后保持零件余量均匀。12 刀路驱动方式的分析选择完成雕像粗加工后，使用可变轴曲面轮廓铣进行多轴联动精加工。多轴编程刀路轨迹设计的重点在于选择驱动方式和刀轴控制方式。驱动方式用于定义刀具路径的驱动点，驱动点的排列顺序是按照驱动曲面网格的构造顺序牛成。UG软件在多轴加工中提供r多种类型的驱动方法，选择何种驱动方法与被加工零件表面的形状及其复杂程度有关。确定驱动方法后，可选择的驱动几何类型、刀轴的控制方法也随之确定。维纳斯雕像是五面体形体，需从五面进行加工，因此考虑选择曲面
8、区域驱动方式和边界驱动方式。边界驱动方法多用于精加工操作。刀具跟随复杂的零件表面轮廓，刀轴矢量在刀轴控制方法的控制下随着零件表面变化。由于雕像在C轴方向要进行360。回转，在B轴方向进行240。回转，因此边界驱动方式无法满足大角度变换的连续加工，不宜采用。曲面区域驱动是多轴加工中应用最为广泛的一种驱动方法。曲面区域驱动可以在驱动曲面的网格上创建按一定规则分布的驱动点，并按照一定的数!堑垫查堑三茎!墼皇垫查皇望丝三堡 I百万方数据新技术新工艺2012年第5期学关系沿指定的投影方向投影到被加工的零件表面，然后生成刀具路径。由于曲面区域驱动方法对刀轴以及驱动点的投影矢量提供了附加的控制选项，常用于多
9、轴铣削加工形状复杂的零件曲面。曲面区域驱动可以满足雕像大角度变换加工的要求，但需要解决驱动面选择的问题，如果以雕像面体作为驱动面将过于复杂。UG软件通常把驱动曲面做成比较光滑的曲面，且形状尽量简单，以便在驱动曲面上能够整齐地按行和列的网格排列数据点，驱动曲面上相邻的表面之间必须共享公共边缘线，或者边缘线之间的间隙不超出参数预置中所定义的链接公差。对此，采取对雕像面体进行截面处理，通过网格线功能生成了简单连续面体作为加工驱动面。13 刀轴矢量驱动控制分析选择在三轴编程加工中通常将刀轴控制方向设定为Z轴方向，而在多轴加工中必须设定矢量方向。根据雕像特征选择点驱动控制、垂直于驱动控制、四轴相对于驱动
10、体控制3种具有五轴功能的方法进行分析比较。通过指定一个聚点来定义投影矢量，定义的投影矢量以指定点为起点，指向工件几何表面，形成放射状的投影形式，投影矢量方向如图l所示。虽然点驱动控制可以控制机床5个自由度运动，但无法满足雕像大角度回转，故该控制方式被否定。图1点驱动投影矢量投影矢量垂直于驱动曲面，并与驱动曲面的材料侧方向相反，驱动点将均匀地投影在高度外凸的工件表面上。由于该选项指定的投影矢量方向与驱动曲面的材料边方向相反，因此必须正确定义材料边方向，即材料边方向膨谚正确指示T件卜需尊去除材料一侧的方向。由于此方法投影矢量依赖于驱动曲面，因此，必须在曲面区域驱动时才可使用。投影矢量方向如图2所
11、圈2垂直于驱动曲面矢示。在曲面驱动选择上已经制作了驱动曲面，该驱动可以满足雕像大角度回转加工。计算出刀具轨迹后发现，由于采用R3球形铣刀进行加工，刀具始终与驱动面垂直，而球形刀具与工件接触面通常位于中心位置，从而使得实际加工线速度远远低于所设定速度，刀具实际是进行挤压加工而非切削加工，不宜保证精度。对于四轴相对于驱动体控制方式，投影矢量方向如图3所示。通过指定第4轴及其旋转角度、引导角度与倾斜角度来定义刀轴矢量，即先使刀轴从驱动曲面法向，基于刀具运动方向朝前或朝后倾斜引导角度与倾斜角度；然后投影到正确的第4轴运动平面；最后旋转一个旋转角度。将2个方向角度定义为前置角和侧倾角。四轴相对于驱动体控
12、制方式采用设置前置角和侧倾角2个角度控制，从而解决了垂直于驱动控制中刀具中心切削的不利情况。经过多次测试，同时考虑刀具干涉情况，将前置角设定为10。，侧倾角则设定成为5。，最终生成如图4所示刀路轨迹。标准轴刀具移动方向翻倾角11-图3 四轴相对于驱动体控制矢量 以圈4刀路轨迹I放大了加工步距便于刀轨圈可视)14进给速度的校核与修正在进行刀路设计时，设定进给速度尤为重要。根据机床各轴的速度、加速度与平稳性等要求，对各程序段的合成进给速度进行校核，对指令的进给速度给予必要的调整，并采取一定措施实现进给速度的平滑过渡，从而确定随加工轨迹变化的有效进给1明 !堑垫查堑三茎!塾圭垫查皇垫塑三堡万方数据数
13、字技术 垫塑三堡速度曲线，如图5所示。刀具轨迹(、 欠忒、轮廓线 一y编程进给速度八 公 r ”一一 八图5有效进给速度曲线直线轴运动控制时，设定进给速度基本接近实际加工速度，仅在圆弧拐角处有加减速。而在多轴运动中，由于回转轴的加入使得运动速度趋于复杂。实际编程中，可利用UG软件“降减速与拐角控制”功能，并依据式1计算分配各轴进给速度(直线轴以mmmin为进给单位，旋转轴以(。)min为进给单位)：fFnRx。JP。l l，lFhFIylP。l，FaR乙lPwt I， (1)以一RAl lP。l，【FmRBlP。I。式中，P。为刀位点位移增量；x。，“。，五，At，反为机床各轴的位移增量；R为
14、该程序段的指令进给速度；Fx。，Fy。，Fz。，F小，凡。为机床各轴的运动速度。为保证进给速度变化平稳和运动合理，有关设置如图6所示。四日工正墨菇羞=黪 7了雹阉进持草蛰偿蓬园子最蔗】直：广F7最，、值：r_三ii，盈角 I全部玎星二I固角攀径 I D50e 0最小半径 1 00口DO矿张速。j 一叠- 长度， 。，I面曼的百辂比刀画I茜鬻绻 i一而而龌碡!IIL? _ 冀l 1 o叩oo步数_ _： 1受角角矍最小值最蠹值雌 l C000 Immm二I剑磁 l o0000 lmm二1鱼I进剪 l o0000 Immm二Ij簦，l一再删1500oQoo 1mm二l盈搠珍c 1800ooo。lm
15、m j J菌孽切 11500oo 01m呷m嗣颤一J1500oo。而rrpm二I盈船jI o0000 Im_m二I剧设置耄堋酗簟监 ； Im_m二I黼渤蚺葭而i习图6进给率设置对话框2程序编制后处理设计UGCAM软件前置处理产生的是刀轨文件，而不是数控程序，因此，需将前置计算所得的刀位轨迹数据后置处理成具体机床的程序代码。后置处理主要内容包括数控指令的输出、格式转换输出和机床运动学求解处理等。后处理必须具备2个要素：一是刀轨UG内部已经生成的刀轨；二是后处理器包含机床控制系统信息的处理程序，它读取刀轨数据，再转化成机床可接收代码。后处理器可以定义一些机床参数，包括机床结构、各轴运动方向、运动范
16、围、运动方式、数据精度、摆轴长度、旋转轴和摆轴的偏心等。其作用是根据用户定义的后处理格式，在计算好的相对于加工坐标系的工件刀位点前加上地址字(X、y、Z、A、B轴)、运动方向(+、一号)、计算坐标点上的矢量方向数据(在加工中用来表示刀具的刀轴矢量方向)、运动关系和不同功能代码(G、M、S、F)，再输出NC程序。后处理中设定的各轴方向必须与机床中各轴方向相一致。 匪-t叶。tII-htI-口-d F罚广 n啪t l。1。 曩甚h匡ri；i一-t f-“吐口一寸I鬲一-|l-日f抽t o岫Fr一J“，b口帕 -再广一骞蚍“。Iii广一广础“”“iE=“。筹鼍b嘶nl皿h山H_柚赢一z o可广轴tK
17、岫 驹名中山瞳-岳；写扩-t lHahto一埘l面一柚d-o雌1 帕rrh J【，b mk一id-一瓦r矿围7摆长设定与转台中心侣置设置对话框UGPoSTBUILD后处理器具有多种型号系统机床处理模板，研究中选用FANUC系统五轴联动单摆头单转台加工中心。五轴机床的后处理较三轴!堑垫查堑三茎!塾皇垫查皇塾堡三堡厂万亘万方数据新技术新工艺2012年第5期机床比，主要是增加了转台摆轴角度参数设定、主轴摆长设定、转台回转中心偏心值设定。实际处理中对摆长设定、回转中心偏置值与加工坐标系关系处理等务必慎重，图7为摆长设定与转台中心偏置设置对话框。摆长：定义摆头旋转中心到主轴端面的距离。没有摆头的机床，此
18、数值应设为o。角度范围：转台或摆轴回转角度的范围。本例考虑转台同方向回转角度数据累计溢出问题，故将其设定为o。359。99。第4轴中心相对于第5轴中心偏置：定义第4轴旋转中心相对于第5轴中心的偏差。该数据根据实际测量值设定。3实体加工五轴联动加工中心属于高档精密设备，任何微小失误都可能对机床造成重创，所以在完成雕像加工代码、设定加工坐标系和对刀操作后，需要利用UG机床仿真器或其他相关软件对加工程序进行校验(用时约6 h)，确认无误后方可将程序传人机床进行实体加工。加工过程中应该密切注意刀具干涉情况和进给速度变化，保证零件顺利加工完成。实际经过12 h完成了雕像精加工。维纳斯雕像实体图片如图8所
19、示。图8加工示意图4 结语经过实际加工并最终完成了维纳斯雕像，发挥了uG软件快速、精确、高效的多轴联动编程功能。研究总结得出多轴编程4点体会：1)编程尽量减少机床的运动量，以提高加工效率；2)应使刀轴矢量变化均匀，如无法避免刀轴矢量突变，则尽量减少突变点数量或分道次加工，以提高加工质量；3)有多个刀路时，各刀路衔接处的刀轴矢量应平滑过渡；4)编程中使用方法应保证从数学角度有唯一的解。参考文献1黄毓荣，陈大治uG Nx4高级铣应用技术M北京：清华大学出版杜，20072赵世田，孙殿柱，孙肖霞基于UGP0sT五轴联动加工中心专用后置处理器的研发J组合机床与自动化加工技术，2006(1)：2628，3
20、4：3唐立山cAM后置处理研究J机械工程师，2005(7)：；758：4胡乾坤，张慧贤基于cATIA的FIDIA数控系统5轴后置处理器的研究J制造技术与机床，2009(6)：4951：5黄科。杨建中，王宝山，等多轴加工无干涉刀具路径生成算法研究J新技术新工艺。2011(6)：3942作者简介：许朝山(1970一)，男，副教授，主要从事机械制造自动化的研究与教学。收稿日期：2011年11月16日责任编辑马彤中国兵器工业集团公司与俄罗斯“基本元素“公司签署合作框架协议4月，中国兵器工业集团公司总经理兼中国北方工业公司董事长张国清率团访问俄罗斯，并参加了在莫斯科举行的中俄贸易与投资合作论坛。期间，张
21、国清与俄罗斯“基本元素”公司首席执行官杰列帕斯卡先生在中央政治局常委、国务院副总理李克强和俄罗斯联邦第一副总理舒瓦洛夫的共同见证下，签署了合作框架协议。根据框架协议，双方将在铝产品长期采购、铁路车辆零部件供应、“基本元素”工厂改造以及共同开发俄罗斯以及第三国资源长期合作机制等方面加强合作。访俄期间，张国清还在俄罗斯“基本元素”公司总部与杰列帕斯卡先生就进一步扩大轿车及汽车零部件、铝产业及铁路车辆等领域的合作深入交换意见，并达成诸多共识。摘自中国兵器工业集团公司网站28 I 新技术新工艺数字技术与机械工程万方数据基于UG的维纳斯雕像五轴数控加工工艺设计作者： 许朝山， 周云曦， XU Chaoshan， ZHOU Yunxi作者单位： 常州机电职业技术学院,江苏常州,213164刊名： 新技术新工艺英文刊名： New Technology & New Process年，卷(期)： 2012(5)本文链接：http:/
