基于 VC + + 的車銑復(fù)合機(jī)床后置處理器開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究
2021-1-4 來(lái)源：陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程學(xué)院 作者：曹旭妍
摘要: 基于 VC + + 開(kāi)發(fā)出適用于車銑復(fù)合機(jī)床的后置處理器，通過(guò)對(duì)前置刀軌文件進(jìn)行后置處理，快速獲取加工所需 NC 程序; 通過(guò) VEＲICUT 仿真平臺(tái)構(gòu)建車銑復(fù)合機(jī)床的虛擬仿真系統(tǒng)，采用仿真加工預(yù)判加工中可能存在的干涉、碰撞等加工問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì) NC 程序的正確性檢驗(yàn)。結(jié)果表明: 通過(guò)該方法能快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件 NC 程序的獲取及正確性檢驗(yàn)，提高車銑復(fù)合機(jī)床的使用效率，同時(shí)保障機(jī)床的使用安全。
關(guān)鍵詞: 車銑復(fù)合; VC + + ; 后置處理; 虛擬仿真
車銑復(fù)合機(jī)床不僅能夠進(jìn)行車削、銑削等加工，還能夠?qū)崿F(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)下的復(fù)合加工，尤其適合復(fù)雜零件的一次成型，因此該類機(jī)床在航空、航天、汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于該類機(jī)床結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工中機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸位姿變化多樣，因此在進(jìn)行復(fù)雜零件編程時(shí)，依靠手工編程基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。借助于 UG、CATIA 等三維軟件能夠方便地對(duì)零件進(jìn)行工藝處理，生成零件加工的走刀軌跡文件，但該文件尚不能直接用于機(jī)床加工。當(dāng)前主要通過(guò)后置處理器對(duì)刀軌文件進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)床能夠直接讀取的 NC 程序，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工。本文以 WFL M65 車銑復(fù)合加工中心為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究，基于 VC + + 開(kāi)發(fā)適用于該機(jī)床的后置處理器，實(shí)現(xiàn)零件的 NC 自動(dòng)化生成，并基于 VEＲICUT 仿真平臺(tái)構(gòu)建機(jī)床的虛擬仿真加工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工件的仿真加工，驗(yàn)證 NC 的正確性，保障機(jī)床使用安全。
1、機(jī)床結(jié)構(gòu)介紹
WFL M65 車銑復(fù)合加工中心的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該機(jī)床共有 7 個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，包括: 3 個(gè)平動(dòng)軸X1，Y1，Z1，分別繞 Y 軸和 Z 軸旋轉(zhuǎn)的 B1 軸、C1 軸，中心架運(yùn)動(dòng)的 Z2 軸，尾座運(yùn)動(dòng)的 Z4 軸。機(jī)床具有2個(gè)主軸: 車削主軸 S1 和銑削主軸 S3。在車削模式下繞 Z 向旋轉(zhuǎn)的主軸為車削主軸 S1，當(dāng)機(jī)床轉(zhuǎn)換到銑削模式下，車削主軸切換為 C1 軸。
圖1：WFL M65 機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)
2、機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與后置處理算法研究
數(shù)控加工系統(tǒng)中，坐標(biāo)點(diǎn)的變換是在三維空間中進(jìn)行的，其具體變化可分為旋轉(zhuǎn)變換和平移變換。開(kāi)發(fā)后置處理器時(shí)，定義物體繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的正方向?yàn)橛沂致菪较颍S旋轉(zhuǎn)變換可看作是三個(gè)二維旋轉(zhuǎn)變化的合成，即分別繞 X，Y，Z 軸的旋轉(zhuǎn); 平移變換也可視為分別沿著X，Y，Z軸的平移變換的合成。后置處理時(shí)，對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的求解就是將刀具軌跡點(diǎn)的坐標(biāo)值從工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到機(jī)床坐標(biāo)系中。圖形變換的齊次變換方程為：
D*= DT
式中: D*為變換后圖形上點(diǎn)的坐標(biāo)矩陣; D 為變換前圖形上點(diǎn)的坐標(biāo)矩陣; T 為圖形幾何變換矩陣。
WFL M65 車銑復(fù)合加工中心坐標(biāo)系統(tǒng)如圖 2所示，Om2Xm2Ym2Zm2為與回轉(zhuǎn)軸 B 固聯(lián)的坐標(biāo)系，方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致; 原點(diǎn) Om2為回轉(zhuǎn)軸線與刀具軸線的交點(diǎn); Om1Xm1Ym1Zm1為與回轉(zhuǎn)軸 C1固聯(lián)的坐標(biāo)系，方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致; 坐標(biāo)原點(diǎn) Om1可在回轉(zhuǎn)軸線上任意選取。顯然，其運(yùn)動(dòng)關(guān)系即是刀具坐標(biāo)系 OtXtYtZt相對(duì)于工件坐標(biāo)系 OwXwYwZw的變換關(guān)系，進(jìn)一 步可 分 解 為 OtXtYtZt相 對(duì) 于OmXmYmZm的平動(dòng)和OmXmYmZm相對(duì)于 OwXwYwZw的轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2：機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)
設(shè)圖 2 所示為機(jī)床初始狀態(tài)，其中刀具軸線平行于 Z 軸，工件坐標(biāo)系方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致，刀具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系原點(diǎn)重合。通過(guò) OtXtYtZt相對(duì)于 Om2Xm2Ym2Zm2旋 轉(zhuǎn)、Om2Xm2Ym2Zm2相對(duì)于Om1Xm1Ym1Zm1平 移 和 Om1Xm1Ym1Zm1相 對(duì) 于OwXwYwZw旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)變換，可得:
式中: T 和 Ｒ 分別為平移和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的齊次坐標(biāo)變換矩陣; μx，μy，μz為刀具三維坐標(biāo)值; Px，Py，Pz為刀軸矢量值; rs為刀具坐標(biāo)系相對(duì)工件坐標(biāo)系的變換矢量; rm1為與 C 軸固連的坐標(biāo)系相對(duì)工件坐標(biāo)系的變換矢量; rm2為與 B 軸固連的坐標(biāo)系相對(duì)工件坐標(biāo)系的變換矢量; θB為繞 B 軸的旋轉(zhuǎn)角度; θC為繞 C 軸的旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)圖形學(xué)知識(shí)，將矩陣T，Ｒ 代入式( 2) 、( 3) 中求解，可得機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的計(jì)算公式。B 軸轉(zhuǎn)角 θB的計(jì)算公式如下:
在標(biāo)準(zhǔn)右手笛卡爾坐標(biāo)中，B 軸轉(zhuǎn)角范圍為0° ～ 180°，k 值應(yīng)當(dāng)取正值，但 WFL M65 車銑復(fù)合加工中心中 B 的角度設(shè)置區(qū)間為 － 90° ～ + 90°，因此 θB的計(jì)算公式應(yīng)修正為：
C 軸轉(zhuǎn)角 θC的求解應(yīng)根據(jù) μx和 μy的取值情況進(jìn)行分類分析:
X，Y，Z 軸的運(yùn)動(dòng)計(jì)算公式如下:
式中: sx，sy，sz分別為工件坐標(biāo)系下機(jī)床 X 軸、Y 軸、Z 軸的坐標(biāo)值; mx，my，mz分別為刀尖的三維坐標(biāo)值; px，py，pz為刀軸的矢量值; L 為刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值。
3、基于 VC + + 的后置處理器開(kāi)發(fā)
后置處理的過(guò)程就是通過(guò)后置處理器將工藝處理過(guò)程中生成的刀具軌跡文件根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，生成機(jī)床能夠直接識(shí)別的 NC代碼，其基本過(guò)程如圖 3 所示。開(kāi)發(fā)后置處理器，其程序語(yǔ)言需要匹配實(shí)際機(jī)床的控制系統(tǒng)，WFLM65 車銑復(fù)合加工中心控制系統(tǒng)為 SINUMEＲIK840D，開(kāi)發(fā)時(shí)需根據(jù)該控制系統(tǒng)的功能代碼進(jìn)行專門的后置處理器配置。
Visual C + + 2010 是一款可視化應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具，本文基于其提供的 Ｒibbon 界面，完成車銑復(fù)合加工中心五軸后置處理器“5AXIS － POST”的開(kāi)發(fā)。刀具軌跡文件中包含了刀具的位置、矢量、加工換刀、進(jìn)給等所有加工信息，后置處理器需對(duì)其進(jìn)行定義和轉(zhuǎn)換，使之成為機(jī)床能直接識(shí)別的NC 程序。處理器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，最復(fù)雜的內(nèi)容就是對(duì)走刀路徑的數(shù)值轉(zhuǎn)換，刀軌文件中所提供的數(shù)值為刀尖點(diǎn)的空間坐標(biāo)和刀軸矢量 ( x，y，z，i，j，k) ，需將其轉(zhuǎn)化為機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸 X，Y，Z，B，C 的數(shù)值。程序處理中，通過(guò)提取刀位點(diǎn)數(shù)值，并根據(jù)前文所得計(jì)算公式求解各運(yùn)動(dòng)軸數(shù)值。
圖3：后置處理器開(kāi)發(fā)流程
4、虛擬仿真加工
由于后置處理所生成 NC 的正確性無(wú)法保證，因此需要對(duì) NC 進(jìn)行正確性檢驗(yàn)。傳統(tǒng)的 NC 驗(yàn)證是通過(guò)樣件試切的方式來(lái)完成，然而對(duì)于車銑復(fù)合機(jī)床而言，機(jī)床加工時(shí)刀具空間位姿復(fù)雜多變，一步出錯(cuò)就可能導(dǎo)致撞刀等危險(xiǎn)情況發(fā)生，給企業(yè)帶來(lái)較大損失。本文通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，基于VEＲICUT 仿真平臺(tái)，構(gòu)建 WFL M65 虛擬仿真系統(tǒng)，并以葉輪零件為樣件實(shí)現(xiàn)仿真加工，檢驗(yàn) NC的正確性，同時(shí)驗(yàn)證后置處理器的正確性。圖 4 所示為 WFL M65 車銑復(fù)合加工中心的虛擬仿真系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)能夠?qū)?NC 加工過(guò)程中機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管，預(yù)測(cè)加工中可能存在的干涉、碰撞等危險(xiǎn)情況，方便技術(shù)人員對(duì)加工中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行原因分析，從而對(duì)加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，確保加工過(guò)程中 NC 的正確性。
圖4：WFL M65 虛擬仿真加工系統(tǒng)
仿真加工結(jié)束后，可以對(duì)加工中存在的過(guò)切、欠切問(wèn)題進(jìn)行分析，進(jìn)而查找前置工藝處理中存在的問(wèn)題并進(jìn)行修改、優(yōu)化。圖5 所示為葉輪零件的仿真加工結(jié)果，圖 5( a) 中將加工精度設(shè)置為0． 2mm，零件表面及葉片根部存在較多陰影區(qū)域，顯示存在較多欠切部分; 圖 5( b) 中將加工精度設(shè)置為0．7 mm，欠切部分主要集中在葉輪邊緣和葉片頂部區(qū)域。比較加工后的結(jié)果，明顯看出葉輪表面存在欠切部分，尤其是葉片根部，當(dāng)加工精度要求進(jìn)一步提高時(shí)，需通過(guò)清根、磨削等加工來(lái)滿足質(zhì)量要求。
圖5：仿真加工結(jié)果檢驗(yàn)
5、實(shí)際加工
將虛擬驗(yàn)證后的 NC 載入實(shí)際機(jī)床中，添加毛坯并定義與仿真中一致的加工坐標(biāo)后，進(jìn)行葉輪零件的樣件加工，加工過(guò)程如圖 6( a) 所示; 加工完成后對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，如圖 6( b) 所示，葉輪表面及葉片根部存在較多殘留，與仿真加工結(jié)果一致。通過(guò)對(duì)加工過(guò)程的觀察及對(duì)加工結(jié)果的檢測(cè)，證實(shí)了 NC 程序的正確性，進(jìn)而驗(yàn)證了本文所開(kāi)發(fā)的后置處理器的正確性和可靠性。
6、結(jié)束語(yǔ)
圖6：葉輪實(shí)際加工驗(yàn)證
本文以 WFL M65 車銑復(fù)合加工中心為對(duì)象，基于 VC + + 平臺(tái)開(kāi)發(fā)了適用該機(jī)床的專用后置處理器，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證其能準(zhǔn)確、可靠地實(shí)現(xiàn) NC 程序的自動(dòng)化獲取。但由于不同機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)不同，該處理器尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)通用，后期需通過(guò)總結(jié)更多機(jī)床結(jié)構(gòu)，進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，拓寬該后置處理器的應(yīng)用范圍。
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