数控后处理技术在数控分度盘中的应用*

李 镔，马树雄，巫莹柱，余振诚

(1. 五邑大学 现代工业生产技术综合训练中心，广东 江门 529000；2. 五邑大学 纺织材料与工程学院，广东 江门 529000；3. 五邑大学 190704班，广东 江门 529000)

0 引言

四轴立式数控加工中心配备数控分度盘，可以实现连续的回转加工，也可以回转至特定角度进行定轴加工。蜗轮蜗杆结构的数控分度盘由于蜗轮的材质较软，在进行定轴加工时，需要使用油压或者气压锁紧蜗轮，以便保护蜗轮不受切削力的冲击，提高设备的使用寿命。以常见的数控系统Fanuc为例，锁紧分度盘的指令是M10，松开分度盘的指令是M11。市场上常用的CAM软件(包括Mastercam、 UGNX、 Powermill、 Hypermill等)，自带的后处理，都没有自动输出M10以及M11的指令。以往需要后处理生成G代码后，人工去添加，容易出错，效率低。本文以UGNX的后处理模块Postbuilder为例[1]，提出在软件后处理模块添加特定设计的逻辑判断语句的方法，通过判断分度盘当前角度与下一个角度相等与否，以便数控软件能根据工件加工角度的变化，在分度盘需要回转时自动输出M11，需要锁紧时自动输出M10，提高数控编程的效率，减少程序出错的概率。

1 数控分度盘定轴加工工作原理

四轴立式数控加工中心上安装有数控分度盘，它为机床提供了回转坐标，使加工复杂曲面变为可能，扩大了机床的加工范围。数控分度盘工作原理如图1所示。

1-工作台；2-蜗轮；3-蜗杆；4-夹紧片；5-活塞；6-钢球；7-弹簧；8-液压缸图1 数控分度盘结构示意

数控分度盘使用伺服电机或者电液脉冲马达驱动，经过齿轮副带动蜗杆3，蜗轮2转动，带动工作台1回转。当需要工作台静止，进行定轴加工时，夹紧液压缸8上腔通入液压油，使活塞5向下运动，推动钢球6向下，推动夹紧片4夹紧蜗轮2，此时，可以在蜗轮被锁紧状态下进行定轴加工。

当工作台需要回转时，夹紧液压缸8上腔的液压油回流油箱，弹簧7使钢球6向上，夹紧片4松开蜗轮。此时蜗轮没有夹紧的状态，依靠蜗杆与蜗轮的自锁也可以进行定轴加工，但这是一种不推荐使用的方式，因蜗轮的材质是锡青铜或者黄铜，蜗杆的材质是硬化钢，使用这种方式，容易磨损蜗轮，增大蜗杆与蜗轮的间隙，影响加工精度。

分度盘还有其他锁紧方式，比如气压碟刹，刹车齿轮锁紧等，目的都是在定轴加工时，保护蜗轮，提高精度。

2 飞机发动机叶片使用数控分度盘进行加工的原因分析

图2中，飞机发动机上的叶片，需要使用安装有数控分度盘的四轴数控加工中心，分别就4个方向进行定轴加工，包含粗加工、精加工、清角加工等共计30多个加工工序[2]。在方向一进行定轴加工时，需要锁紧分度盘；由方向一回转到方向二的过程中需要松开分度盘，到达了方向二时，需要锁紧分度盘再次进行定轴加工。其他方向同理，都需要松开、锁紧指令交替使用。30多个工序，60多次松开与锁紧。

图2 叶轮加工方向说明

在叶片切削过程中，通过测力计测量，切削力10～50 kg，工件形成的力臂在100 mm左右，切削扭矩小于或等于5 N·m，根据厂家提供的参数，数控分度盘在锁紧状态锁紧扭矩是500 N·m，可以满足该产品的加工要求。

切削过程中，刀具震动通过工件会传递到分度盘，进一步传递到蜗轮，如果不使用锁紧方式去进行定轴加工，容易造成分度盘蜗轮的损坏。

为了提高工作效率，减少出错的机会，需要开发专用的机床后处理技术，其应能够根据刀具路径的轨迹自动识别叶轮(图3)是需要锁紧分度盘进行定轴加工，同时输出锁紧分度盘的指令；还是放松分度盘，以便工件回转到特定的角度，同时输出放松分度盘的指令。

图3 叶轮毛坯

3 Postbuilder自动判断输出锁紧与松开分度盘指令的方法与原理

UGNX的后处理模块是Postbuilder[3]，其使用TCL(Tool command language)语言作为其命令编程语言，结合Postbuilder自带的MOM(Manufacturing Output Manager)变量，可以实现丰富的机床运动动作的定义。

用UGNX软件设定刀路轨迹后，可以输出刀轨文件，里面包含了刀具刀尖点的数据，后处理的过程就是把刀尖点的数据转换成机床工作台的运动动作，实现数控加工[4]。

为了实现后处理中能自动输出分度盘锁紧指令的功能，需要在Postbuilder中开发合适的逻辑判断语句，通过读取当前分度盘的角度，以及预读下一步分度盘的角度，判断两者是否相等，来决定输出M10或者M11，实现分度盘的锁紧或者放松。其判断流程如图4所示，四轴立式数控加工中心以分度盘的旋转轴定义为第4轴，如果该分度盘的轴线与X轴平行，定义为A轴；与Y轴平行，定义为B轴，本案例把第4轴定义为A轴。

图4 后处理Postbuilder判断输出M10或者M11的逻辑

以下是使用TCL语言编写的逻辑判断的关键语句：

① global mom_nxt_pos mom_pos

② set current [format %.3f $mom_pos(3)]

③ set next [format %.3f $mom_nxt_pos(3)]

④ if {$current==$next} {

⑤ MOM_do_template "A_axis_clamp"

⑥ } else {

⑦ MOM_do_template "A_axis_upclamp"

⑧ }

语句原理解释： 在第①语句中，调用mom_pos mom_nxt_pos作为全局变量，mom_pos(3)，表示的是当前的第4轴(A轴)的角度数据；$mom_pos(3)，表示调取当前的第4轴(A轴)的角度数据；而这个角度数据，只需要取小数点后3位，因而使用format %.3f，接着把此小数，使用set命令设置到当前，使用字符current表示当前。同样把下一步的第4轴(A轴)的角度数据设置到下一个，使用字符next表示下一个。mom_nxt_pos(3)，表示的是下一个第4轴(A轴)的角度数据，这句话的意思是把当前第4轴(A轴)的角度数据赋值给current，同时把第4轴的下一个角度数据赋值给next，这是第②、第③句语句的作用。在第④～⑧句语句中，使用If条件语句进行逻辑判断，当current等于next，也就是当前的第4轴的角度数据等于第四轴的下一个角度数据，则输出M10，如图5所示，第12～13句程序的角度相等，都是0，分度盘不需要旋转，应该执行分度盘锁紧动作，在第6句程序，提前输出了M10指令，实现了分度盘的锁紧，数控机床可以进行定轴加工。如果current不等于next，也就是当前的第4轴的角度数据不等于第4轴的下一个角度数据，则输出M11，如图6所示，第13～14句程序的角度不相等，第13句程序中，第4轴的角度数值是300°；第14句程序中，第4轴的角度值是297度°，需要执行分度盘松开动作；在第6句程序，提前输出了M11指令，实现了分度盘的松开动作，数控机床有可能是在执行联动加工，也有可能是第4轴(A轴)需要回转。

图5 定轴加工NC程序

图6 变轴加工NC程序

完整的实现UGNX数控软件自动输出锁紧、松开指令，还需要在Postbuilder中熟练使用TCL编程语言调用一些系统的变量，初始化一些数值。

4 结语

一般编程工程师在使用CAM编程软件时，主要工作是将加工零件在CAM环境中生成加工刀路轨迹，再使用后置处理模块设定数控机床能识别的G代码。由于工作母机数控机床有很多类型，每种数控机床有不同的硬件配置，比如三轴数控加工中心配备数控分度盘，就是四轴数控加工中心，该分度盘既可以安装在工作台左边又可以安装在右边，还有不同结构的五轴加工中心等。另外，每台机床的控制系统也不完全相同，比如Fanuc， Siemens， Hass等等，因而CAM编程软件生成的G代码，并不适用于所有机床，不同数控机床，就需要配备不同的后处理文件。这就要求开发者熟悉硬件结构以及后处理软件的开发语言，本文提供了实现分度盘自动锁紧松开的后处理技术开发的关键语句、方法以及原理，经过实践应用可以大大提高工作效率，节约用工成本。