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模具工业2009年第35卷第6期复杂模具零件五轴联动数控加工程序检验方法研究赵中华,廖秋慧(上海工程技术大学材料工程学院,上海201620)摘要:结合典型曲面模具零件叶轮,探索了复杂零件五轴联动数控加工程序检验的一般方法。
重点针对VI猁-320五坐标数控机床。
研究了其后置处理和虚拟仿真技术在数控程序检验中的应用。
通过验证比较,几种方法得到了一致的结果。
这些技术可应用于对各种复杂模具或机械零件加工程序进行验证。
关键词:数控编程;五轴联动;模具加工中图分类号:TP39117文献标识码:A文章编号:1001-2168(猢9)06—066-05Verifyingmethodof5-axisCNCprogramformachiningcomplicatedmouldpart珊AOZhong-hua。
UAOQiu-hui(CollegeofMate_daisEngineering,ShanghaiUniversityofEngineedngScience,Shanghai201620。
China)舢bs嘣:Acommonmethodforverifyinga曩axisCNCprogramformachininganimpellerwheelwithcomplexsur〔aceswasdiscussed.Especially.thePost-processiJlgandvirtualsimulatingtech-nologybasedonthev】D1Ⅳ.3加5-axismachiningcenterwasstudied.Allthedifferentmethodsgotthe髭l舱result.n砣setechnologiescanbeusedtoverifyCNCprogramsandusedwidelyinthefieldofmolllds,mechanism,aeronautic,andautomobiles,etc.Keywords:CNCprogramming;5-axismachining;mouldprocessing1引言当前复杂模具零件往往采用五轴联动数控加工。
五轴联动是数控技术中难度较大、应用范围较广的技术。
它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体,主要应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。
国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平的标志,对于模具、航空、航天、军事工业有重要影响。
五轴数控加工由于干涉和刀具在加工空间的位置控制,其数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂得多,致使该技术久久不能得到广泛普及。
目前,五轴数控技术在全球范围内普遍存在的主要问题之一是五轴数控编程抽象、操作困难、收稿日期:2009-02—1l。
基金项目:上海市教育委员会科研创新—般项目(09Yz3鹋);上海市重点学科建设项目(J51402)。
作者简介:赵中华(1970-)。
男。
上海人,副教授。
主要研究方向:模具先进制造技术、模具CAD/CAIM/CAE,地址:上海市松江区龙腾路333号1608室,(电话)13621929355,(电子信箱)出dm@g精.edu.alo程序安全性难以保证。
这是每一个传统数控编程人员都深感头疼的问题。
三轴机床只有直线坐标轴,而五轴数控机床结构形式多样;同一段NC
代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果,但某一种五轴机床的NC
代码却不能适用于所有类型的五轴机床。
数控编程除了直线运动之外,还要协调旋转运动的相关计算,如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等,处理的信息量很大,数控编程极其抽象,因此,程序的验证显得极为重要。
现针对在m平台下完成的叶轮曲面零件五轴联动程序进行验证。
VDW-320五轴数控机床(机床基本结构为(X,y’Z,A,C)见图l,控制系统为SIEMI烈584(D,配置了相应的后置处理程序,生成了适合该机床的NC
代码。
以下在此基础上探索验证后置处理程序生成的NC
代码的正确性的几种常见方法。
叶轮零件如图2所示,叶轮加工有其特殊的要求,尺寸精度和表面粗糙度要求高,对切削刀具路径万方数据模具工业2009年第35卷第6期67也有较高要求,刀纹要顺着流道方向。
由于叶片的扭曲很大,流道比较窄,刀具在叶片上的流道内要合理摆动才能防止叶轮过切,并得到光顺的刀纹。
叶轮加工编程步骤:(1)用138立铣刀进行毛坯侧面及顶面的平面铣加工。
(2)用138立铣刀进行型腔铣(@LⅥ瑚I.)粗加工,加工出叶轮基本形状。
(3)用134立铣刀对于叶片的顶面及流道面进行半精加工。
采用可变轴铣功能。
(4)用R1.5rma的球头刀进行精加工。
为了得到更好的表面粗糙度,先初步加工叶片底部的2个倒角,再加工流道面,流道面加工完成后,再对2个倒角进行精细加工。
采用可变轴铣功能。
后置处理在Nc/PostBuilder中配置,建立五轴带双转台的铣床后处理。
据的一致性。
图1VDW-320机床基本结构图2叶轮零件2程序数据验证选刀位轨迹中具有五坐标联动的任意一点。
见图3,取出其刀位轨迹坐标和刀轴向量值,并取出后置处理后生成的NC文件中的相应数据,见图4。
需要注意的是,刀位轨迹坐标和刀轴向量值是相对于M25(力tl工坐标系)而生成的,№
代码中的坐标数据是机床坐标系中的数据。
(1)取点(∞10/8.1835,一9.1532,151.9341,0.6124999,一0.7486072,0.2538327),点坐标为:Xo=8.1835,I,-o=一9.1532,Zo=151.9341;刀轴向量为:I=0.6124999,J=一0.7486072,K=0.2538327。
(2)后置处理生成的NC数据为(第N0090行)X=一0.537,Y=一211.552.Z=68.1%A=75.296。
,C=140.71。
以下验证刀位点数据与后置处理生成的NC数图3取点2.1理论推导对于四坐标、五坐标数控加工,刀位原文件中刀位的给出方式为刀心坐标和刀轴矢量,在后置处理过程中.需要将它们转换为机床的运动坐标。
X,EZ,C,A五坐标数控机床后置处理算法如下:已知工件坐标系为Q嬲,工件可绕坐标轴X摆动A角(一20。
~110。
);工件可绕工作台回转轴转动C角(0--360。
),工作台回转轴与Z轴一致;机床运动坐标系为O,XYZ,0咿O,=70Iml’如图5所示;刀心在工件坐标系中的位置为(X西hZ西J,J,K);刀轴单位矢量a在工件坐标系中为(I,J,K)。
解:万方数据模具工业2009年第35卷g6期图4生成的NC数据(1)设刀轴矢量a为自由矢量,首先将刀轴矢量的起点移到工件坐标系的原点,然后将刀轴矢量绕z轴顺时针转到(一y)(+Z)平面,再将刀轴矢量绕X轴顺时针转到与Z轴方向一致。
~、、\>\\/)一V,纱二图5工件坐标系与机床坐标系的关系(2)将刀轴矢量a的转动转化为刀具相对于工件的转动或摆动。
首先使刀具对于工件绕X轴逆时针转动A角,然后使刀具相对于工件绕z轴逆时针转动C角,如图6所示,其中A、C角的计算公式如下:A=勉??arco:B(K)勉=1或一1C=arctan(I/J)一勋??兀舷=0或1(3)求刀心经工件转动后在机床坐标系0ⅪZ中的位置。
即机床的运动坐标值X、y、Z。
先将工件坐标系。
描YZ平移到机床坐标系0般Z,变换矩阵为:T25oosC-??sinCsinC00sC0OOO00001001工件绕X轴旋转一A角,变换矩阵为:T3=00eosA——sinAsinAomA00则(X,y’Z,1)=(X西hZ西1)丁l丁刃3口将其展开可得:X=X由osC一№inc,Y=Xoms4sinC+Y,msAmsC一(Zo+矗)sinA,Z=XosinAsinC+Y西inAmsC+(Zo+d)ccs4,d=700代入点数据(xnYkz西I,.厂,K)=(8.1835,一9.1532’151.9341,0.6124999,一0.7486072,0.2538327),计算结果为:X=一0.537,Y=一211.5517598,Z=68.1986768,A=75.295。
,C=140.71‘。
结论:点的数据与后处理№程序中的数据一致,说明后处理№程序结果正确。
ay劢篓仉翅。
抄7出一图6五坐标加工刀轴矢量转动关系2.2五轴点位图形手工旋转验证如图7,为了验证NC
代码的正确性,这里在图形环境中根据零件在机床上的安装位置以及刀位轨迹中的刀位点坐标,采用旋转方式手工验证两者数据的一致性。
直线1为原向量,由所取的点及其刀轴向量得到,端点1:(X西y西Zo)=(8.1835,一9.1532’151.9341);端点2:(Xo+J,yo+.,,Zo+K)=(8.7959999.一9.9018072,152.1879327)。
直线2为第1次绕机床坐标系Z轴旋转140.71。
(此角度数据由NC
代码产生)。
万方数据模具工业2009年第35卷第6期直线3为第2次绕机床坐标系A轴旋转75.295。
(此角度数据由NC
代码产生)。
图7旋转验证测量直线3两端点坐标信息(见图8)。
图8直线3两端点坐标信息从图8可以看出,直线1两端点旋转后的坐标差值为(0,0,1),说明直线1经过2次旋转后,在选取点处曲面的法向量和Z轴平行,这和刀具的安装轴线方向一致。
另外选取点经过2次旋转后在工件坐标系中的值为:X=一0.537400433,Y=一211.550971350’Z=一1.799233170,转换到机床坐标系中的值为(机床坐标系原点减去工件坐标系原点差(0,o’一70):X=一0.537400433,Y=一211.550971350,Z=一1.799233170+70=68.20076683。
从结果可以看出,选取点经过2次旋转后得到的点在机床坐标系的坐标数据(X,一z)与后处理NC程序中的数据一致。
结论:选取点经过2次旋转后的坐标数据(X,y’Z)与后处理NC程序中的数据一致,同时选取点处曲面的法向量和Z轴平行,说明NC程序结果是正确的。
2.3虚拟仿真模拟加工验证带机床实体仿真是目前应用较多的一种重要程序验证方法。
现在专业仿真软件Ⅵm“G’qC上建立了虚拟仿真模拟加工环境,配置了机床和控制器信息(S口烈皿吨亚84∞),设置了基本加工参数,如CⅨ、刀具半径补偿、刀具长度补偿等,还需要配置毛坯形状、尺寸、编程原点与工件原点位置、夹具与刀具等。
限于篇幅,在此不具体介绍。
vi巾场lCNC是一种先进的专用数控加工仿真软件,可以同时进行刀具轨迹和机床运动仿真,以检测加工过程中可能存在的
问题,验证加工程序的正确性。
避免不必要的损失。
所建立的虚拟仿真环境如图9所示。
图9虚拟仿真环境仿真模拟结果:将NI模型与原设计模型进行结果比对(见图10),设置比较精度为0.05rrm,深色区域为过切,浅色区域为在加工精度范围。
比较结果表明,采用NC
程序模拟出的加工零件与原始设计零件CAD模型高度一致,说明NC程序是正确的。
2.4实际机床上空运行模拟试加工用编制的NC程序在VDW320五轴联动立式加工中心上进行空运行模拟,走刀结果正确。
(下转第71页)万方数据模具工业2009年第35卷第6期71料模占大多数,模具总产值已超过80亿元。
黄岩模具作为浙江地方特产,曾在美国匹茨堡举办的第17届发明展会上进行过推广。
金华、温州、杭州、绍兴、嘉兴等地也有一定的实力。
(2)山东模具。
山东作为华东模具生产的重点地区之一,模具企业已从2003年的28家增至2008年l~11月的83家,工业总产值也相应地由8.73亿元增至51.67亿元,年平均增长42.7%。
2007年山东蓬莱市遇驾夼模具厂入围全国模具工业销售收入前20家,名列第16位,实现销售收入4.29亿元,工业总产值达到5亿元,创造利润O.35亿元。
图4所示为2003-2008年山东省模具产量变化。
2003年2004年2005年2006年2007年2008’t”:资料来源:中机系(北京)信息技术研究院,中国机电数据网图42003--2008年山东省模具产量变化从图4可以看出,2003、2004年山东模具产量很少,2004年只有2.53万副,自2005年开始,山东的模具发展出现质的飞跃,2005年共生产模具164.76万副,2008年达到207.15万副。
3华东地区模具贸易逆差逐渐缩小(上接第69页)图10结果比对从近5年华东地区模具进出口金额来看,2003年华东地区进口模具5.56亿美元,出口1.38亿美元;2008年进口21.9亿美元,出口刀.95亿美元,净出口逆差为一6.01亿美元,与2005年前相比,逆差缩小。
表明华东地区的模具制造水平不断提高。
图5所示为2003~2008年华东地区模具贸易逆差变化。
64鉴2藕0到皿霹-2腻4-6.84.444224??18\\.92.\\.o.51.、2003年2004年2005年2006年200海-2008年\\枷l资料来源:中机系(北京)信息技术研究院,中国机电数据网图52003-2008年华东地区模具贸易逆差变化注:由中国机电数据、<模具工业>杂志联合调研如需更加详细深入地了解相关模具行业产品细分市场情况、进出口情况、竞争对手情报等,可购买(2000-2008年模具市场评估及2010年综合预测报告>、<模具制造行业关键性数据报告>、<2008~2009年中国模具行业发展分析及投资预测报告>、<2009年丌模具市场深度调研分析
报告>、(2000-2009年模具市场评估及2015年综合预测报告>、<20ar7—2010年中国汽车模具行业市场预测与发展前景分析报告>,<2009年模具市场深度调研分析报告>等。
欢迎模具相关企事业单位来电来函咨询,电话:0773—5&;842003结束语结合叶轮零件探索了复杂模具零件五轴联动数控加工程序检验一般方法,包括理论验证,手工取点验证、虚拟仿真验证以及实际机床空运行等。
通过验证比较,结果一致,说明研究结果是正确的。
这些方法可应用于对各种复杂模具或机械零件加工程序进行验证。
参考文献:【1】张兰,杨屹.冯可芹,等.虚拟制造在汽车覆盖件模具制造中的应用【J】.锻压技术,2006。
31(1):104-107.【2】赵中华.模具数控加工虚拟仿真技术研究【J1.模具工业。
2008,34(7):68-72.娜枷啪m∞o林R\趔褂万方数据作者:赵中华, 廖秋慧, ZHAO Zhong-hua, LIAO Qiu-hui作者单位:上海工程技术大学材料工程学院上海201620刊名:模具工业英文刊名:DIE amp MOULD INDUSTRY年,卷期:2009,356引用次数:0次 1.张兰.杨屹.冯可芹.胡志华 虚拟制造在汽车覆盖件模具制造中的应用期刊
论文-锻压技术 200612.赵中华.张水忠 模具零件数控加工虚拟仿真研究期刊
论文-模具工业 20087 1.期刊
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代码和用户自定义功能。
在分析通用后置处理器的基础上,通过UG Post:Builder生成器设置机床参数、NC加工程序格式和输出文件,生成。
Hermle C1200U机床的特性数据文件。
该文件把NC加工程序设置为L程序格式,需要给定5个坐标位置。
iTNC 530数控系统还可使用LN程序段格式。
它采用加工坐标系,用刀具定向矢量的三个分量代替两个旋转轴坐标。
利用LN程序格式的后置处理器“Hermle clsf”,完成变外径螺柱工件的五轴联动加工。
此外,通过分析比较刀位文件和LN格式NC程序的异同点,自主开发了
VB语言程序,能够直接把前者转变为后者。
iTNC 530数控系统除了具备ISO标准的辅助功能以外,还有很多特有的辅助功能。
以其中典型的模态辅助功能M126为例,通过编辑机床特性数据文件,实现在后置处理中自动输出辅助功能
代码。
通过编辑机床特性数据文件,实现输出每道工序加工时间、总加工时间和刀具信息这三个用户自定义功能。
在后置处理生成NC加工程序时,同时输出这些辅助信息。
本文的研究结果,可供国内外五轴联动加工数控编程后置处理参考。
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