面向风机叶片的五轴联动后处理程序研究*

毕俊喜 王丽琴 郭宇庭

(内蒙古工业大学机械学院，内蒙古呼和浩特 010051)

后置处理是将CAM软件生成的刀位轨迹转化为数控加工的NC程序，通过读取刀位文件，根据机床运动结构及控制指令格式，进行坐标运动变换和指令格式转换。国外公司对后置处理技术研究要早于国内，故国内后处理技术比较落后。本课题是针对DMU100五轴联动加工中心后置处理而设定的，由于该机床配置HeidenHain iTNC 530控制系统，现有CAD/CAM软件无现成的后置处理，并且通用后处理应用效率不高，因此它的后置处理需要专用的后置处理器，这样可以避免采用更为复杂的后置处理方法，避免后置处理过程过于繁琐，有效发挥五轴加工中心的加工效率并提高五轴数控机床的利用率，使后置处理在整个数控加工过程所消耗的资源最少、时间最短、效率得到很大程度的提高。

1 五轴零件叶片设计

叶片的设计思路:设计五轴加工工件—叶片模型采用的是点→线→体:点就是叶片各截面的坐标点;线是将各坐标点拟合而成;体由线拟合而成。点根据NACA－4412美国的经典翼型坐标尺寸(如表1所示)计算出各截面的坐标值，再利用样条曲线将各坐标点拟合成线，最后通过曲线扫描成体。

1.1 坐标点的计算

叶片的弦长连续变化的，叶片存在无穷多个翼型，设计时只能从中选出有限几个来，确定出这些翼型的弦长，根据计算所得出在不同半径下叶片弦长，具体如表 2 所示［1］。

为了便于设计叶片翼型，根据NACA－4412美国的经典翼型坐标尺寸，来计算出叶片各个界面的翼型，进而设计出叶片。翼型坐标尺寸是以弦长为1 mm时的翼型坐标尺寸，不同半径下的翼型坐标尺寸用其叶片弦长乘以弦长为1 mm时的翼型坐标尺寸即可得到［1］。

1.2 模型的建立

据叶片参数设计时计算出各个半径下的翼型坐标尺寸，用“样条”命令中“根据极点”将其采入，并完成线的创建;再用“网格曲面”中的“通过曲面组”命令创建体，完成实体建模，如图1所示［3］。

表1 经典翼型坐标尺寸 mm

表2 不同半径下叶片弦长表题

2 后处理程序的设计

后处理程序设计时首先要对DMU100五轴联动加工中心进行必要的了解，主要目的是了解机床的基本参数与控制辅助功能。主要的辅助功能如下:M128/M129指令，M128指令是刀尖点跟随功能，M129指令是取消刀尖点跟随功能;Cycle32指令保证数控系统自动地将两个路径之间的轮廓平滑过渡(无论补偿与否)刀具与工件表面保持接触;M126/M127指令，M126指令是旋转轴短路径运动指令，M127指令是旋转轴取消短路径运动指令;M27/M28指令，M27指令是启动碰撞监控与测量探针功能，M28指令是取消碰撞监控与测量探针功能;M29指令是实现向刀具锥体吹气，吹气时间由机床参量来调整;M36指令是控制排屑器辅助指令［2］。

后处理程序主要设计的内容:设置机床的基本参数，包括有对机床的控制系统与机床的极限参数等的设置;定义程序头、操作头的机床动作与设置刀具、刀补及刀轨移动部分;设定操作结束前的机床动作与设定程序结尾［4－5］。

2.1 设置机床的基本参数

设置机床的基本参数主要内容有:将设置机床的类型为刀具摆动与工作台回转;将机床的控制系统设置为Heidenhain控制系统;对机床的极限参数等的设置。将机床的基本参数设定后，机床简图如图2所示。

2.2 定义程序头机床动作

程序头机床动作主要有:添加NC程序输出名称;设置毛坯的大小;取消刀尖点跟随功能M129，取消旋转轴短路径运动指令M127。定义完成后，程序头如图3所示。

2.3 设置操作头的机床动作

操作头机床动作开始动作主要内容有:添加当前UG打开的加工文件名;施加工作力;添加碰撞检测指令M27;选择加工平面为XY面;选择插补方式为圆柱插补;调用Cycle32功能;调用刀尖点跟随功能指令M128;调用旋转轴短路径运动指令M126。设定完后，操作头的开始动作如图4所示。

操作头中手动换刀设置:添加向刀库中刀具锥体吹气指令M29。操作头中自动换刀设置:显示刀具信息;添加向刀库中刀具锥体吹气指令M29;自动换刀的辅助指令M6。设置后的自动换刀如图5所示。

2.4 刀轨的设定

主要有对机床的控制、加工运动与钻孔循环这3方面进行设定:加工运动主要定义快速进给、直线运动、圆弧运动这3种运动方式;机床的控制主要是定义进给、换刀、冷却液、公英制等事件的格式与组成;钻孔循环主要是定义当进行钻孔加工循环时，系统如何处理这类事件，并定义输出方式。机床的控制与钻孔循环采用系统默认状态，只对加工运动事件进行修改。

对线性运动修改:添加排屑器控制辅助指令M36;取消冷却液的产生指令M8的任意状态;机床加工时一般主轴转速不改变，故删除S块。如图6所示。

对圆弧运动修改:添加一个自定义的命令，由于Heidenhain操作系统只支持在3个主平面内进行;圆弧运动没有主轴转速与进给速度，故将F与S块删除。

自定义命令如下:

设置后的圆弧运动如图7所示。

对快速进给修改就是改变FMAX块的位置，修改后的圆弧运动如图8所示。

2.5 设置操作结束的机床动作

设置操作结束主要内容如下:添加冷却液关闭命令M9;将机床退回机床原点以下5mm;将旋转轴转到零点位置;停止主轴旋转指令M5;取消Cycle32功能;取消旋转轴短路径运动指令M127;取消刀尖点跟随指令M129;取消碰撞检查指令M28。其顺序不可以打乱，否则机床将出现事故。设置后的操作结束如图9所示。

2.6 定义程序尾机床动作

设置操作结束主要内容如下:定义NC程序输出名称;添加停止程序命令;创建一个自定义命令来计算加工时间。

计算加工时间的自定义命令如下:

设置后的程序结束如图10所示。

后处理程序的数控系统控制指令输出已经设置完成。而格式转换与算法处理本程序采用UG系统默认值。

3 后处理的验证

后处理验证就是为了检验所设计的后处理的正确性。主要内容有:对叶片进行加工工艺的分析，将叶片加工按加工顺序分为粗加工、半精加工和精加工;生成叶片粗加工、半精加工和精加工的刀具轨迹;验证后处理程序，用叶片精加工的刀轨产生NC代码以验证后处理程序。

3.1 叶片加工工艺的分析

由于DMU100五轴联动加工中心的A轴不能动，故对该叶片进行加工时，先加工好上半部分，再对下半部分进行加工。上下两部分的加工很相似，故以上半部分为例。叶片工件的加工步骤按加工顺序分为粗加工、半精加工和精加工。分别分析粗加工、半精加工和精加工这3个加工步骤不同的工艺要求，根据各个步骤不同的要求来确定各自的加工方法和工艺参数。

3.2 刀轨的生成

机械加工的过程受加工程序的控制，因此加工程序是机加工的关键。经过加工工艺分析，确定了具体加工方案，再将其转化成加工程序。利用UG软件将加工叶片的刀轨生成。

启动UG程序，将叶片装配文件调入其中，然后单击“起始”按钮，选择“加工”命令，进入加工环境。应用UG软件生成刀轨可分为两个阶段:一是设定加工几何体与加工刀具:二是创建加工操作并产生刀轨［6］。

生成刀轨后，再进行模拟加工，如图11所示。

3.3 后处理的应用

叶片刀轨的生成，主要是为了验证建立的五轴后处理的正确与否。故以叶片的精加工为例，对后处理进行验证。

经过对叶片精加工的NC代码的验证，所设计的后处理是正确的。叶片精加工的具体NC代码如下:

4 结语

本次设计出五轴联动加工中心的后置处理程序可以将刀位文件转化成可以用于加工的NC代码，解决了该机床无现成的后置处理的问题。后处理程序在实现基本功能要求的基础上，较其它通用后处理来说，加入了许多Heidenhain iTNC530的辅助指令，使机床的加工效率与加工质量得到了显著的提升，从而体现出该后处理的优越之处。然而该后处理也有一些不足之处，因机床的一些辅助指令之间的相互位置对加工中心加工有一定的影响，而它将机床的辅助指令按照一种顺序进行设置，并未进行比较求最优。若在实际加工中比较几种不同的顺序的后处理的加工效果，求其最优，这样有利于提高加工中心的加工效率与加工质量。

［1］何显富，卢露，杨跃进，等.风力机设计、制造与运行［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［2］HEIDENHAIN.海德汉编程中文［Z］.2006.

［3］胡仁喜，王敏，刘昌丽.UG NX5中文版曲面造型实例图解［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［4］张磊.UG NX6后处理技术培训教程［M］.北京:清华工业出版社，2009.

［5］路启建，褚辉生.高速切削与五轴联动加工技术［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［6］黄成，张文丽.UG NX7.5数控编程基础与经典范例［M］.北京:电子工业出版社，2011.