基于UG的维纳斯雕像五轴数控加工工艺设计

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 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：TG659 文献标志码：A Desi印ofCNCM越hiningProo嘟ofFive_axisMachjneaboⅡtV蚰usStatueb勰ed∞UG XUChaoshan。ZH()UYunxi (ChangzhouIn5tituteofMechatronicTechnology，Changzhou213164，China) Abstr缸t：ThispaperdiscussedprocessdesignaboutprocessingVenusstatuetousefiveaxislinkageCNCmachine． First，measureddatawhjchweregotteTlthroughpo讯tmeasurementofcoord’natemeasuringinstrumenttogypsumstatue wereImportedtoUGsoft，thecutterIocusofmultia】【ispmgramrningbasedontheUGcutterdrivemodeofsurfacearea wasselectedandcutterv盹tord．ag珀mofd“veshaftwasdrawn，andCNCmachiningprocesswasformulatedaccordingto cutterlocusandcuttingtoolandequipment．Second。cuttingtoolfeedratewascalculated，checkedandmodifiedcorrespond— ingtothemachineparameteraccordingtocutterlocusfileaboutpre-ProcessingaboutUGsoft．E船mplesthattheFANUC systemoffiveaxismachiningcenterofsjn91ependulumhcadturntabIeandtheuseofUGPOSTBUlLDprocessora“ercom— pletionoftreatmentandgenerationofmachiningprogramcodeweregiven．Last，processingofsolidstatueaftersettirIgco— ordinatesystemandprecisetoolset“ngwasgiven． Keywo兀b：UGsoft，Five-a'【islmkageCNCmachine．Aftertreatment。CNCmachiningprocess UG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 uGNx4．o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UGNX4．O软 件进行曲面处理，完成维纳斯雕像图形。 1．1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。 1．2 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。 1．3 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 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 1 1■——- 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) 1．4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 mm／min为进给单位，旋转轴以(。)／min为进给单 位)： fFn—R△x。／J△P。ll， lFh—FI△y^／l△P。^l， {Fa—R△乙／l△PwtI， (1) 『以一R△All△P。。l， 【Fm—R△B^l△P。。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 D．50e0 最小半径 1 0．0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 1o．叩oo 步数_ _：{ 1 受角角矍 最小值 最蠹值 雌 l C．000Immm二I剑 磁 l o．0000lm∞m二1．鱼I 进剪 l o．0000Immm二Ij簦 ，l一再删1500．oQoo1m∞m二l盈 搠珍c1800．ooo。lm∞mjJ菌 孽切 11500．oo0{1m呷m■嗣 颤一J1500．oo。而rrpm二I盈 船j I o．0000Im_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 UG／CAM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-dF罚广 n啪tl‘。1．。． 曩甚—h—匡ri；i一 -tf-“吐．口·一‘寸I鬲一-·|l-日f抽to岫『F— r^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 zo‰可广 轴tK岫驹名中山瞳-岳；写扩 -tlHaht·o·一埘l面一柚d-o雌．1·帕『r— r●hJ【■，bm∞k———————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6h)，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12h完 成了雕像精加工。维纳斯 雕像实体图片如图8所示。 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．uGNx4高级铣应用技术[M]．北京： 清华大学出版杜，2007． [2]赵世田，孙殿柱，孙肖霞．基于UG／P0sT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)：26—28，34． ：3]唐立山．cAM后置处理研究[J]．机械工程师，2005(7)： ；7—58． ：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)：49—51． ：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)：39—42． 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 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 28I 《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://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xjsxgy201205008.aspx