西北工業大學現代設計與集成制造技術教育部重點實驗室 田榮鑫 任軍學 史耀耀 孟曉賢 摘要：基于SINUMERIK 840D系統固定循環特點，以及五坐標方式下的參數變化規律，采用UGⅡ及CATIA軟件編制了五軸孔加工固定循環及后置處理的程序。 1 引言 隨著數控加工設備的廣泛應用，各種先進的數控加工控制系統也不斷地開發出來，SINUMERIK 840D(以下簡稱840D)系統是當前應用較廣泛的多軸控制系統之一。840D系統有完善的固定循環指令，可以在數控加工中心上完成鉆孔、鏜孔及攻絲等系列操作，在SAJO 12000P及UniSpeed3兩型機床的應用中，其三坐標固定循環操作簡便，參數完整，加工精度高；但在加工空間孔系時，刀軸方向的變化引起固定循環參數復雜化，增加了后置處理難度。840D系統的三坐標孔加工固定循環后置處理在多篇文章中已討論，但無法處理五坐標孔加工坐標變換，因此本文對斜孔固定循環的參數變化規律進行探討，并基于UG和CATIA刀位文件編制了相應的后置處理程序。 2 840D的固定循環 840D系統提供了24個固定循環，其中加工單孔的有CYCLE81～90。鉆孔循環的參數包含了被加工孔的所有信息，因此后置處理需要把刀位文件中的定位語句和循環語句結合處理。現以CYCLE83為例先對其參數進行說明。 圖1 加工方式 CYCLE83是深孔鉆(Deep hole drilling)，加工方式如圖1所示，其指令格式為CYCLE83(RTP，RFP，SDIS，DP，DPR，FDEP，FDPR，DAM，DTB，DTS，FRF，VARl)。各參數含義為：RTP-回退面的絕對坐標；RFP-孔表面絕對坐標；SDIS-安全距離(無符號)；DP-孔深絕對值；DPR-孔深相對RFP值，不能和DP-起給定；FDEP-首鉆深度；FDPR-首鉆深度相對值，不能和FDEP一起給定；DAM-每次鉆深遞減值；DTB-孔底停留時間；DTS-排屑點停留時間；FRF-鉆孔速度比率(0.001～1)；VARI-排屑方式：VARI的值為0，刀具回退SDIS的距離；其值為1時，刀具回退RFP+SDIS的距離。 840D的固定循環加工參數完整，可以適應各種加工方式，并且也有相當的自由度讓用戶選擇。應用中要注意FRF是一個相對值，指用當前進給速度和該比率的乘積作為鉆孔速度，因此FRF應該小于1。 3 固定循環后置處理 UG和CATIA是當前航空企業應用最廣泛的大型CAD/CAM工程軟件，其孔加工刀位文件生成系統都很完善，以下從兩軟件的鉆孔循環參數設置說明后置處理中的對應關系，均以DEEPHOLE為例。 3.1 UGⅡ的DRILLDEEP過程生成的刀位文件格式 CYCLE/DRILL，DEEP，STEP[，data[，data……]]，DWELL[，data]，RAPTO [，data 1，FEDTO[，data]，CAM[，data]，RTRCTO[，data]，MMPM[，data]，OPTION。 其中關鍵參數含義為：DEEP-孔深；STEP[，data[，data．……]]一每次鉆到的孔深；DWELL[，data]-孔底停留時間；RAPTO[，data]-安全距離；FEDTO[，data]-鉆人深度；RTRCTO[，data]-回退距離；MMPM[，data]-鉆孔速度。 3.2 CATIA的DEEPHL過程生成的刀位文件格式 循環指令格式：CYCLE/DEEPHL，%MFG_TOTAL_DEPTH，%MFG_CLEAR_TIP，%MFG_PLUNGE_VAL，%MFG_DWELL_TIME，%MFG_OFFSET_RET，%MFG_FEED_MACH，%MFG_SPNDL_MACH，%MFG_PLUNGE_VAL，%MFG_DEPTH_DEC。 其中關鍵參數含義：MFG_TOTAL_DEPTH-總深度；MFG_CLEAR_TIP-安全距離；MFG_PLUNGE_VAL-首次鉆人深度；MFG_DWELL_TIME-鉆到底后停留時間；MFG_OFFSET_RET-鉆孔回退距離；MFG_FEED_MACH-鉆孔速度；MFG_SPNDL_MACH-鉆孔主軸轉速；MFG_PLUNGE_VAL-首次鉆人深度；MFG_DEPTH_DEC-鉆深遞減值。 各參數與CYCLE83的對應關系依據各參數的實際意義確定。當加工方式為三坐標時，刀位文件各參數可以和數控程序指令參數直接對應，其中的變換關系見表1。 表1 參數的變換關系 其中UG系統產生的刀位文件依該變換方式進行后置，結果如下(CATIA刀位文件后置結果類似)： UG CLS文件：CYCLE/DRILL，DEEP，STEP，50.0000，20.0000，10.0000，DWELL，2.00，RAPTO，6.0000，FEDTO，-80.0000，CAM，2，RTRCTO，5.0000，MMPM，250.0000．OPTION PAINT/COLOR，3 GOTO/80.0000，20.0000，100.0000，0.0000000，0.0000000，1.0000000 后置結果： N50 C1 X80.000 Y20.000 Z105.000 N51 CYCLE83(105.000，100.000，20.000，，50.000，10.000，2.000，，0.014，1) 當加工孔系為空間任意孔時，加工方式為五坐標方式。840D系統的孔加工循環指令中孔深和刀軸方向的孔位均由前五個參數給出，最簡單如CYCLE81(RTP，RFP，SDIS，DP，DPR)，這五個值僅與孔的軸向參數有關。840D系統進行五坐標孔加工時，其移動坐標X、Y、Z軸定位是依賴TRAORI指令自動跟蹤完成的，無法實現空間孔心坐標值直接控制孔循環軸向定位，因此要在后置處理中把加工坐標系變換成刀軸方向與孔心軸方向相同的坐標系，同時在加工中指定坐標變換。840D系統的主軸方向坐標系指定指令是TOFRAME。 以UniSpeed3機床為例，機床旋轉軸為B軸和C軸，其旋轉角度計算公式如下： 依機床結構取口β角度范圍為正： 執行TOFRAME后，控制系統忽略C軸旋轉，以B軸旋轉后的主軸方向為Z坐標方向，Y坐標方向不變，X坐標以右手坐標系由YZ坐標方向給出。如圖2所示，前表1中刀軸方向坐標值應給定圖中Z′值，相應坐標變換關系為： 圖2 依CATIA刀位為例按變換后的坐標值進行后置結果如下： CATIA刀位文件：CYCLE/DEEPHL，15.00000，20.00000，.00000，.08333，1.30000，500.00000，5.00000，1.00000 GOTO/15.00000，55.98076，15.00000，258819，.965926PT CYCLE/OFF 后置結果： X15.000Y55.644216.256B-15.000C90.000 TOFRAME(主軸方向坐標系開啟) CYCLE83(11.907，10.607，20.000，，15.000，，5.000，1.000，0.083，，1,1) TRAFOOF(關閉所有坐標變換) 應用該處理方式后，對多坐標孔系加工可以用UG或CASA的POINT-TO-POINT編程方式，編制孔加工程序直接后置處理生成加工程序控制加工。由于840D系統的鉆孔循環指令孔深參數在CYCLE中給定，因此當孔系的中心軸方向變化時，只能依次給出孔位及方向，一一處理。孔系加工如下所示： …… N50 TRAORI(2) N51 G54G17 N52 G1X15.000Y55.644216.256B15.000C90.000 N53 TOFRAME N54 CYCLE83 (11.907，10.607，15.000，，0.000，0.000，0.083，，1，1) N55 TRAFOOF N56TRAORI(2) N57 C1X25．000Y55.981225.000B30.000N58 CYCLE83(-5.000，-25.000，1.300，-40.000，，0.000，，0.000，0.083，0.006，1) N59 TRAFOOF 4 結論 應用前述的后置處理方式處理獲得的五坐標孔加工程序可以直接在840D系統的機床上使用。程序在UniSpeed3機床和SAJ012000P機床(AB軸擺動)上調試通過。該后置處理方式在五坐標孔系加工的應用中獲得了良好的反響，提高了編程效率，同時結合UG和CATIA的編程及刀位驗證可避免加工中的碰撞。該后置處理方式已整合在為西安飛機工業公司研制的UNISPEED3五坐標數控加工中心后置處理軟件中，目前該軟件應用狀況良好。