五軸數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

■江蘇科技大學(xué) （江蘇鎮(zhèn)江 212001） 洪 超 王繼者

當(dāng)前我國數(shù)控裝備行業(yè)迎來了一個(gè)嶄新的時(shí)代，多軸聯(lián)動加工設(shè)備也得到了越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是五軸聯(lián)動加工機(jī)床，以其加工精度高、靈活性好等顯著特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和模具加工等行業(yè)。多軸機(jī)床的普及也帶來了社會對各類數(shù)控人才的渴求，高校作為培養(yǎng)人才的搖籃，其教學(xué)水平與人才培養(yǎng)質(zhì)量息息相關(guān)。但我國各類教學(xué)數(shù)控設(shè)備的在校應(yīng)用率遠(yuǎn)低于西方國家，由于現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)備價(jià)格昂貴，臺套數(shù)較少，嚴(yán)重制約了數(shù)控技術(shù)教學(xué)質(zhì)量的提高。特別是五軸數(shù)控機(jī)床技術(shù)難度大，造價(jià)昂貴，使得多數(shù)高校難以購買足夠數(shù)量的機(jī)床來適應(yīng)教學(xué)需要。

因此，為解決存在的問題，提高多軸加工數(shù)控人才的培養(yǎng)質(zhì)量，本文提出了一種經(jīng)濟(jì)型五軸數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)方案。通過總體方案的確定，主要零部件的設(shè)計(jì)、計(jì)算、選型，數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)、選擇，五軸機(jī)床后處理程序的編寫及機(jī)床主要部件的動態(tài)特性分析等，完成了機(jī)床設(shè)計(jì)的全部工作，并對非標(biāo)件加工，控制電路接線，控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，完成了五軸數(shù)控機(jī)床的制造和調(diào)試，并實(shí)現(xiàn)對葉輪零件的加工，實(shí)現(xiàn)機(jī)床五軸聯(lián)動，達(dá)到預(yù)期的功能要求。

1. 五軸數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)

（1）總體方案的設(shè)計(jì) 在機(jī)械系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)中，將五軸實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)布局分為移動軸（X、Y、Z軸）結(jié)構(gòu)布局與旋轉(zhuǎn)軸（A、C軸）結(jié)構(gòu)布局，參考小型雕刻機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，選擇固定龍門式結(jié)構(gòu)。考慮機(jī)床的整體剛度和編程加工要求，選擇五軸數(shù)控機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)為搖籃式雙轉(zhuǎn)臺龍門固定式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)中，要求滿足控制功能的前提下盡可能由學(xué)生參與，故選擇采用開環(huán)控制系統(tǒng)作為該五軸數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)，針對開放式數(shù)控系統(tǒng)采用較多的是數(shù)控結(jié)構(gòu)嵌入P C機(jī)即“計(jì)算機(jī)＋運(yùn)動控制卡”結(jié)構(gòu)。這類數(shù)控方式主要通過運(yùn)動控制卡來實(shí)現(xiàn)，PC機(jī)與控制卡具有相對獨(dú)立性，因此總體開放性較好，易于學(xué)習(xí)和研究再開發(fā)，性價(jià)比也較高。機(jī)床床身采用標(biāo)準(zhǔn)鋁型材和配件，融入拼裝模型理念，由學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)搭建。

（2）機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在機(jī)械系統(tǒng)總體方案確定的基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)教學(xué)安裝、調(diào)試和加工的需求，對機(jī)床各軸的傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。其中在X、Y、Z軸的進(jìn)給系統(tǒng)中，選擇使用步進(jìn)電動機(jī)作為各軸的動力源，通過聯(lián)軸器聯(lián)接滾珠絲杠，同時(shí)以滾珠絲杠螺母為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成工作臺的直線移動。在A、C軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)給的設(shè)計(jì)中，同樣選擇以步進(jìn)電動機(jī)為驅(qū)動電動機(jī)，由于加工過程中，A軸需要承受顛覆力矩，C軸需要承受旋轉(zhuǎn)力矩，而步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩在1.2～3.0N·m，因此選用同步帶傳動來增大機(jī)床A/C軸的定位力矩，實(shí)現(xiàn)零件的加工。

（3）機(jī)床控制系統(tǒng)硬件的選擇與電路的設(shè)計(jì) 基于“計(jì)算機(jī)＋運(yùn)動控制卡”的開放式數(shù)控系統(tǒng)，選擇Mach3軟件作為計(jì)算機(jī)的控制軟件，選擇BSMCI15U運(yùn)動控制卡（見圖2）實(shí)現(xiàn)五軸的聯(lián)動控制，通過進(jìn)給系統(tǒng)和主運(yùn)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成步進(jìn)電動機(jī)、主軸電動機(jī)及其驅(qū)動器的細(xì)分選擇和電路連接設(shè)計(jì)，通過限位、急停等設(shè)置，完成總體的電路設(shè)計(jì)圖（見圖3）。

圖2 BSMCI15U運(yùn)動控制卡

2. 控制軟件系統(tǒng)的選擇與設(shè)置

Mach3開放性控制軟件由ArtSoft公司研發(fā)，可使標(biāo)準(zhǔn)PC電腦完全轉(zhuǎn)換為全功能的CNC控制器，使用PC機(jī)的USB端口作為數(shù)控設(shè)備連接端口，通過連接五軸運(yùn)動控制卡，輸出脈沖與方向信號，控制步進(jìn)電動機(jī)或伺服電動機(jī)驅(qū)動器，控制該機(jī)床5個(gè)軸的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，進(jìn)而控制各軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床的運(yùn)動。該軟件作為開放式數(shù)控系統(tǒng)，其性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉，適用教學(xué)和DIY設(shè)計(jì)者的使用。學(xué)生通過對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，更加理解系統(tǒng)性能。

圖3 控制電路設(shè)計(jì)

Mach3軟件參數(shù)設(shè)置步驟如下。

1）打開工業(yè)級五軸版本的Mach3軟件，界面如圖4所示，點(diǎn)擊菜單欄中的“設(shè)置”，對應(yīng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的修改。

2）端口/針腳設(shè)置。主要包括“端口設(shè)置與軸向選擇”、“電動機(jī)輸出”和“限位開關(guān)、急停設(shè)置”等。其具體設(shè)置如圖5所示。

圖4 Mach3軟件五軸界面

3）步進(jìn)電動機(jī)調(diào)試：由于步進(jìn)電動機(jī)的步距角為1.8°，細(xì)分?jǐn)?shù)選擇16，滾珠絲杠導(dǎo)程為5mm，則可計(jì)算Steps per即工作臺每運(yùn)動1mm需要的脈沖數(shù)為：（360/步距角）×細(xì)分?jǐn)?shù)÷螺距＝320，其中由于A/C軸使用同步帶作為減速傳動裝置，傳動比分別為1∶6和1∶8，故其旋轉(zhuǎn)1°所需脈沖數(shù)同理，可計(jì)算分別為35.555和26.666 7。其具體參數(shù)設(shè)置如圖6～圖8所示。

圖5 端口與針腳設(shè)置

圖6 X/Y/Z軸電動機(jī)輸出參數(shù)設(shè)置

圖7 A軸電動機(jī)輸出參數(shù)設(shè)置

圖8 C軸電動機(jī)輸出參數(shù)設(shè)置

3. 五軸數(shù)控機(jī)床加工編程和后處理模塊編寫

（1）數(shù)控編程的后處理 在數(shù)控程序的編制過程中，利用CAM軟件根據(jù)走刀方式、刀具及切削用量等設(shè)置計(jì)算刀具軌跡的過程稱為前置處理。目前，國內(nèi)常用的CAM軟件有PowerMILL、UGNX、MasterCAM和Cimatron等。編程軟件通過計(jì)算機(jī)計(jì)算產(chǎn)生刀具路徑文件，也就是刀位文件，但刀位文件不是數(shù)控系統(tǒng)可識別的NC程序，需要由相應(yīng)的后處理模塊處理成機(jī)床所需的NC程序。

為了簡化系統(tǒng)軟件以及使前置處理具有更強(qiáng)的通用性，一般在前置處理時(shí)，都不考慮機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)類型及數(shù)控系統(tǒng)的編程指令格式。因此，要獲取數(shù)控機(jī)床能夠識別的NC程序代碼，就必須將軟件中所得到的刀具軌跡轉(zhuǎn)化為所用數(shù)控機(jī)床的N C程序代碼，這個(gè)過程即為后置處理。

后置處理是聯(lián)系CAD/CAM技術(shù)與數(shù)控加工的紐帶，是編制數(shù)控程序的核心技術(shù)之一，也是數(shù)控加工技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分。后置處理的結(jié)果將會直接影響CAD/CAM自動編程軟件的使用效果、機(jī)床的運(yùn)行可靠性及機(jī)床的利用率，是實(shí)現(xiàn)零件前置刀位軌跡（APT）文件轉(zhuǎn)化為機(jī)床識別的NC程序的基礎(chǔ)。

本平臺由于為五軸聯(lián)動加工機(jī)床，Mach3進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，能夠識別國際標(biāo)準(zhǔn)的G代碼，但Mach3本身不能進(jìn)行五軸編程，故需要用其他C A M編程軟件生成GM碼，如MasterCAM、UG、PowerMILL等。由于自動編程軟件中，對刀路的生成均采用以工件固定刀具運(yùn)動擬定加工刀路, 其經(jīng)過輸出，可得到一個(gè)以坐標(biāo)與方向矢量進(jìn)行刀具位置所在點(diǎn)的刀位文件，該文件不能被Mach3軟件識別，故需要使用PowerMILL軟件為Mach3設(shè)置機(jī)床代碼后處理；將CAM軟件的輸出刀路轉(zhuǎn)化為可被Mach3識別的GM代碼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)床的五軸聯(lián)動加工。

（2）基于PowerMILL的五軸后處理程序的編寫 不同軟件的后處理構(gòu)造器的界面不同，但任何后處理文件大都可分為程序格式和機(jī)床結(jié)構(gòu)兩大部分的設(shè)置，以PowerMILL的后處理構(gòu)造器Manufacturing Post Processor Utility 2017為例，程序格式的設(shè)置以Mach3開放軟件程序識別為主，機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)置以搭建的五軸搖籃式機(jī)床為參考，其中機(jī)床的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，機(jī)床結(jié)構(gòu)編寫程序如圖9所示，程序格式如圖10所示。

表1 五軸實(shí)驗(yàn)平臺參數(shù)

圖9 機(jī)床結(jié)構(gòu)程序

圖10 后處理程序格式

Power MILL 軟件提供兩種后處理模塊：Duct Post 和PostProcessor。前者通過文字處理軟件進(jìn)行后處理的創(chuàng)建與更改，其修改方便，處理刀位文件速率快，短小精悍；后者是圖形界面的后處理模塊，更加直觀，使用簡單，功能強(qiáng)大，是未來的發(fā)展方向。本文針對PowerMILL軟件PostProcessor后處理模塊定制五軸FANUC系統(tǒng)搖籃式機(jī)床所需后處理文件。

4. 五軸機(jī)床制造與仿真加工

（1）教學(xué)型五軸數(shù)控機(jī)床的制作 基于方案設(shè)計(jì)和零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算，大部分為外購鋁型材和標(biāo)準(zhǔn)件，只需對少量非標(biāo)零部件的加工，根據(jù)設(shè)計(jì)要求搭建床身，并安裝滾珠絲杠、導(dǎo)軌、滑塊和主軸等部件，調(diào)整裝配間隙。根據(jù)設(shè)計(jì)電路圖完成各元器件接線，并制作航空接頭與平臺連接，搭建的五軸數(shù)控機(jī)床實(shí)物如圖11所示。該機(jī)床具有結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小的特點(diǎn)，可以滿足小型、精度一般零件的加工要求，同時(shí)可根據(jù)不同設(shè)計(jì)重復(fù)拆裝，適用于各類院校數(shù)控加工課程的設(shè)備拆裝、調(diào)試和數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)。

圖11 教學(xué)型五軸數(shù)控機(jī)床實(shí)物

（2）仿真模擬加工 在五軸機(jī)床進(jìn)行零件加工前，為了檢驗(yàn)經(jīng)后處理程序的正確性，需要對加工過程進(jìn)行仿真模擬。機(jī)床的仿真加工不僅能夠提高數(shù)控程序編寫效率及正確性，還能通過仿真加工直觀地觀察到工件的加工過程，檢驗(yàn)出加工中可能存在的干涉、碰撞等問題，降低實(shí)際應(yīng)用中工件的浪費(fèi)，同時(shí)保護(hù)機(jī)床的安全性和高效使用。因此，使用UG軟件，建立葉輪零件模型，通過PowerMILL軟件生成加工刀軌，并使用編寫的后處理文件，對葉輪的加工刀軌進(jìn)行后處理，輸出NC文件，并將其導(dǎo)入Vericut中進(jìn)行相關(guān)的加工仿真模擬。

加工過程中觀察狀態(tài)欄中的報(bào)警信息、各運(yùn)動軸的加工位姿和走刀路徑，判斷機(jī)床的運(yùn)動是否正確，葉輪加工結(jié)果如圖12所示，加工過程中無碰撞，且刀具路徑符合設(shè)計(jì)要求。

（3）葉輪零件的機(jī)床加工 在軟件進(jìn)行仿真加工檢驗(yàn)，無錯(cuò)誤出現(xiàn)，且沒有超行程及碰撞的現(xiàn)象發(fā)生，就可進(jìn)行機(jī)床加工，安裝工件毛坯，選用直徑為6mm的圓球刀裝刀、對刀，啟動加工程序進(jìn)行葉輪的加工。加工成品經(jīng)檢驗(yàn)符合圖樣要求，達(dá)到了預(yù)期的目的。如圖13所示。

圖12 VeriCut仿真加工結(jié)果

5. 結(jié)語

由Mach3軟件控制的五軸數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)用于機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的教學(xué)，涵蓋了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科知識，過程由交叉學(xué)科專業(yè)的共同協(xié)作完成，取得很好的教學(xué)效果。豐富了教學(xué)資源和教學(xué)手段，給學(xué)生提供了一個(gè)完整的機(jī)、電、加工一體化系統(tǒng)的五軸實(shí)驗(yàn)平臺，鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，收到了良好的教學(xué)效果。