基于UG的双转台五轴联动数控机床编程及操作

袁　伟

(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000)



基于UG的双转台五轴联动数控机床编程及操作

袁伟

(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

机床是一个国家制造业水平的象征，而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，它反映了一个国家的工业发展水平状况。五轴联动加工中心具有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。其不但可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。以双转台五轴联动数控机床配合UG软件完成立体人物头像为例，详细讲解了五轴联动机床的编程与操作的全过程。

双转台；五轴联动数控机床；UG

制造业是一个国家的支柱行业，随着机床数字化的发展，二轴、三轴机床加工范围已不能够满足生产制造的需求，多轴机床，尤其是代表机床制造业最高境界的五轴联动数控机床，不但对工业有很大的影响，而且在军事上也有极其重要的作用。

五轴联动是针对一些特殊的有精度要求的复杂曲面而采取的一种高端加工方式。这种方式要求铣刀在曲面上进行连续的切削动作，以达到曲面成形的目的。五轴联动机床有立式、卧式和摇篮式二轴NC工作台，NC工作台NC分度头，NC工作台90轴，NC工作台45B轴，NC工作台A轴以及二轴NC主轴等类型。相对于普通的数控机床，多轴机床的编程需要依靠CAD/CAM的协助。本文以人物立体头像加工为例，介绍双转台五轴联动数控机床配合UG软件完成多轴零件加工的过程[1]。

1　对刀

双转台五轴联动数控机床相对于普通的三轴数控机床增加了2个旋转轴，一个是能够绕X轴旋转的B轴；另一个是绕Z轴旋转的C轴。其特征如图1所示。

图1　双摆台结构

使用数控机床来加工，编程时应在所加工的实体或曲面模型上选择一个基准点，以这个点为加工原点的坐标系就称为加工坐标系(或称工件坐标系)。五轴机床比三轴机床多了旋转轴和摆动轴，因此，五轴机床的加工坐标系是一个五维坐标系，其加工坐标系中X、Y、Z这3个轴一般都与三轴机床的3个轴相同，其余2个轴则因机床结构类型不同而不同。

双转台五轴机床有时要先进行部分对刀操作，然后装夹工件，并且工件装夹的位置还需按照对刀的要求进行校正。五轴机床的旋转轴或摆动轴都是按角度值运动的，因此，对刀还需要校正旋转轴或摆动轴的零点位置；当机床结构为双转台或双摆头时，2个旋转轴是相关的，这时需要测定2个轴的距离或偏心量。在工件装夹之前，测量确定2个转轴轴线和摆轴轴线的交点、转台表面到摆轴轴线的距离，还要将转台校水平，装夹工件时校正工件或测量出工件位置偏差，具体步骤如下。

1)校平双转台。

2)校正B轴零位(对刀B轴原点)。

3)找C轴转台中心(对刀X、Y轴原点)。

4)找出B、C轴线的交点(对刀Z轴原点)(见图2)。

图2　B、C轴对刀

5)装卡工件。选定C轴的基准边，把此边用百分表校到与X轴或者Y轴平行，或者成一定角度，把此时机床坐标的C值输入到工件坐标系中。用加工所用刀具刀尖接触C转台上表面，然后下降一个摆长值，再把此时的机床坐标输入到工件坐标系中。

图3　工件装夹位置

6)找工件加工原点与回转台中心点的偏差(本文把工件X、Y的中心放在转台的中心位置，这样就不用再找二者的差值了)，把百分表架吸到主轴上，让表头接触到工件圆柱体的部位。转动C轴，让百分表在圆柱体各个位置的读数基本相等，否则调整工件的位置让表的读数基本相等。这样就保证了工件与旋转台同心。把此时机床坐标的X、Y值输入到机床工件坐标系中。

7)选定C轴的基准边(对刀C轴原点)，工件在软件中的位置如图3所示。

2　五轴编程基本理论

五轴加工就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化，或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成某个空间角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削来完成加工。五轴加工的关键是如何合理控制刀轴矢量(刀具轴的轴线矢量)的变化。加工不同的曲面，为了实现加工需要，刀轴矢量的改变方式是不同的；刀轴矢量的变化是通过工作台摆动或主轴的摆动来实现的，不同结构类型的五轴机床其运动学关系是不同的。合理的控制刀轴矢量，既要满足曲面加工的需要，又要使刀轴矢量变化范围在所使用机床可实现的范围内；因此，五轴机床编程的基础是理解刀轴矢量的变化在实际机床加工中产生的效果。

对于双转台五轴联动数控机床，必须在工件装夹好后，通过测量确定两回转/摆动轴交点在工件坐标系中的位置矢量。

3　UG数控编程

在UG软件的多轴编程中，驱动面的制作非常重要，工件上的刀具路径都要通过驱动曲面上的驱动路径来产生。本文以立体人物头例进行分析。在制作驱动曲面之前，应先分析人头像的形状特点，制订加工工艺。人头像的曲面比较复杂，但其接近于圆柱体形，所以选用螺旋加工的走刀方法。

驱动方式：曲面区域；刀轴控制：垂直于驱动；投影矢量：刀轴。

3.1驱动面绘制[2]

驱动面绘制如图4所示。在平行于Z轴和X轴的方向上作几条线，制作原则是线条不超过人头像的宽度。

图4　驱动面绘制

在所做的边界线间绘制1个圆，与2条线相切，半径为25 mm，修剪线条把圆弧和直线合并成1条样条曲线，经旋转后生成的曲面为1个整面，否则是2个面。合并曲线是做驱动面的关键步骤(见图5)。当合并完曲线后，用旋转曲面生成一个驱动曲面。驱动曲面已完成，但是经过分析，这个驱动曲面不能满足要求。因为人头的正面比较凸出，后脑勺也比较凸出，左、右两边较平，所以应把驱动曲面不等比例缩放一下，在UG软件中没有这个功能，只能转到其他有此功能的软件来实现这一要求。本文把生成的驱动曲面转换到Mastercam9.1里面来缩放。X、Y和Z轴分别按照0.6、1和1的比例来缩放，然后再转到UG软件中作为驱动曲面。

图5　合并曲线绘制

3.2数控编程

进入加工模块，选择“创建操作”(见图6)，在弹出的对话框中按照参数进行选择。“确定”后在弹出的对话框中选择加工部件，即“人头像”。

图6　创建加工指令

在驱动方式中选择“曲面区域”，驱动几何体选择前面建立好的驱动面(见图7)。选择好驱动面后应注意切削方向和材料方向[3]。

图7　驱动面选择

图8　刀具驱动路径

定义一把6 mm的球刀，在驱动面上显示驱动路径(见图8)。

主轴转速、进给速度和Z轴进刀速度的设置根据具体情况和加工条件而定，主要参数如图9所示。

图9　各参数设置

最终生成的刀具路径如图10所示。

图10　刀具路径

人头像刀具路径已经生成后，将已经计算好的刀具路径进行后处理，进行刀位文件到G代码程序的转换，最终得到加工代码如图11所示。检查G代码程序的头、尾以及各轴的运动情况，可以进行仿真模拟校验，最终在机床上测试加工[4]。

图11　生成加工代码

4　结语

五轴联动机床加工多用于加工复杂曲面或三轴加工无法完整加工的曲面，通常情况下程序无法通过手工编制完成，在编程时刀轴的变化最终是由旋转轴或摆动轴的运动来实现的。本文以立体人物头像的编程与加工为例，分别从建立工件坐标系、编程原理及思路和UG软件参数设置等方面入手，对双转台式五轴联动机床的操作进行了较为详细的分析。

[1] 刘日良，张承瑞，宋现春，等.五轴数控机床坐标系统的一个特例及其后处理方法[J]. 机械设计与制造工程，2002(3)：61-62.

[2] Jung Y H, Lee D W, Kim J S. NC post-processor for 5-axis milling machine of table-rotating/titling type[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002,130:641-646.

[3] 宁汝新，赵汝嘉.CAD/CAM技术[M]. 北京：清华大学出版社, 2009.

[4] 王华侨, 张颖，等. 实用数控加工技术应用与开发[M]. 北京：机械工业出版社, 2005.

责任编辑郑练

CNC Machine Programming and Operations based on Dual Turret Axis based on UG Software

YUAN Wei

(Shaanxi Polytechnic Institute, Xian yang 712000, China)

Machine is a symbol of a country’s manufacturing sector, The five-axis CNC machine tool system represents the highest state of the machine tool manufacturing, and in a sense, it reflects the level of industrial development situation of a country. Five-axis machining center has high-efficiency, high-precision features, and the work can be completed in one clamping of the five-sided machining. Not only it can perform complex space surface precision, but also be more able to adapt the automobile parts, aircraft structural parts and other modern mold processing. The two-turret axis CNC machine tools to complete the three-dimensional portraits with UG is taken as an example, explain the whole process of programming and machining of five-axis machine tools in detail.

dual turntable, axis CNC machine tools, UG

2016-03-04

TG 659

B

袁伟(1980-)，男，讲师，硕士，主要从事机械加工及汽车钣金等方面的研究。