文豪，黃東，鄒偉全，張小明

(廣東省科技干部學(xué)院機(jī)器人學(xué)院，廣東珠海 519090)

0 前言

軸類零件是一種非常典型的機(jī)械零件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域[1]。對(duì)應(yīng)地，車削加工是該類零件最常用的加工方法，其軸向端面、圓柱面、階梯面、錐面、螺紋、內(nèi)孔、內(nèi)外槽、二維曲線回轉(zhuǎn)曲面等常見(jiàn)特征結(jié)構(gòu)均可直接在數(shù)控車床加工成型[2]。然而一些非回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)特征，如鍵槽、銷孔、軸面方槽、軸面凸臺(tái)、徑向平面等，則無(wú)法通過(guò)車削加工的方式直接成型，需要拆卸已完成回轉(zhuǎn)特征加工的零件并使用其他設(shè)備如數(shù)控銑床進(jìn)行二次裝夾加工。車銑復(fù)合機(jī)床在數(shù)控車床的基礎(chǔ)上添加了主軸裝置，可實(shí)現(xiàn)軸類零件常見(jiàn)簡(jiǎn)單或特定非回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)特征的非拆卸直接加工[3]，但仍無(wú)法自適應(yīng)完成具備復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面或扭曲葉片等各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的軸類零件加工。

目前機(jī)械行業(yè)中更普遍的做法是，在三軸數(shù)控機(jī)床上添加回轉(zhuǎn)工作臺(tái)[4]，并改造為四軸數(shù)控機(jī)床[5]。這種四軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)3個(gè)正交直線軸及唯一旋轉(zhuǎn)軸的多軸聯(lián)動(dòng)加工[6]，直接解決軸類零件回轉(zhuǎn)特征、非回轉(zhuǎn)特征及復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征[7]的一體加工成型[8]。然而該種結(jié)構(gòu)的四軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制及代碼生成更為復(fù)雜，不僅需要計(jì)算加工路徑的刀位坐標(biāo)，還需要選擇合適的刀軸矢量方向驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)回轉(zhuǎn)[9]。UG是目前機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用最廣的商用CAM軟件，可有效實(shí)現(xiàn)這種四軸數(shù)控機(jī)床的刀具路徑生成[10]。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)四軸數(shù)控機(jī)床對(duì)應(yīng)后處理器的數(shù)控代碼生成[11]，即可解決具備各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的軸類零件加工問(wèn)題[12]。由于四軸數(shù)控加工的刀具運(yùn)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜易錯(cuò)，實(shí)際加工前也常使用Vericut軟件對(duì)刀具路徑進(jìn)行加工路徑及效果的仿真校驗(yàn)[13]，以避免干涉撞刀等加工問(wèn)題的出現(xiàn)，優(yōu)化零件的實(shí)際加工質(zhì)量[14]。

具備復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的軸類零件是一種非常典型的軸類零件[15]，但其加工相對(duì)困難。上述的四軸數(shù)控機(jī)床可完成該種零件的數(shù)控加工，目前UG等商用CAM軟件也可實(shí)現(xiàn)其加工路徑生成。然而其中的軟件操作相對(duì)復(fù)雜，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求相對(duì)較高，實(shí)際操作不穩(wěn)定，實(shí)際應(yīng)用效率相對(duì)較低，無(wú)法滿足工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)要求。

對(duì)此，以具備復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的軸類零件為研究對(duì)象，研究其展開(kāi)輪廓三軸代碼轉(zhuǎn)換四軸代碼的方法。基于四軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制，分析UG軟件中復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的數(shù)控代碼生成操作方法。研究復(fù)雜展開(kāi)輪廓三軸代碼的刀位坐標(biāo)與四軸代碼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，開(kāi)發(fā)軸類零件外圓柱面展開(kāi)輪廓的四軸代碼轉(zhuǎn)換軟件。通過(guò)UG及所開(kāi)發(fā)代碼轉(zhuǎn)換軟件的具體操作，生成軸類零件復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的四軸數(shù)控加工代碼，并于Vericut軟件中仿真驗(yàn)證。所研究方法可直接實(shí)現(xiàn)軸類零件復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的四軸數(shù)控代碼生成，具備了穩(wěn)定性與速度效率的優(yōu)勢(shì)。

1 當(dāng)前展開(kāi)輪廓外圓柱面的四軸加工

1.1 四軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)

四軸數(shù)控機(jī)床可實(shí)現(xiàn)4個(gè)自由度的刀具運(yùn)動(dòng)加工，并由3個(gè)正交直線軸及1個(gè)回轉(zhuǎn)軸組成，且回轉(zhuǎn)工作臺(tái)一般安裝在床身導(dǎo)軌的工作臺(tái)上。四軸數(shù)控機(jī)床常使用立式結(jié)構(gòu)，主軸垂直分布。C軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與主軸平行，可使用XOY平面的軌跡插補(bǔ)代替C軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制方式，常用的四軸數(shù)控機(jī)床可以劃分為兩類：

(1)XYZ+A軸，適用于旋轉(zhuǎn)類零件的加工及車銑復(fù)合加工。

(2)XYZ+B軸，其工作臺(tái)尺寸較小且主軸剛性差，僅適合加工小零件。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制方式的特點(diǎn)，應(yīng)選擇XYZ+A軸的四軸數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)軸類零件復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的四軸加工。圖1所示為一款常用的XYZ+A軸四軸數(shù)控機(jī)床。

1.2 當(dāng)前技術(shù)的操作流程

具備復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的軸類零件常用于機(jī)械行業(yè)，其外圓柱面具備復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征，一般在圖紙上使用展開(kāi)輪廓表達(dá)這些結(jié)構(gòu)特征的尺寸，且這些特征的端部與底部仍為半徑恒定的圓柱面。圖2所示的KN95口罩機(jī)齒模就是一個(gè)具備復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的軸類零件。

圖2 KN95口罩機(jī)齒模Fig.2 KN95 mask machine tooth die

使用XYZ+A軸的四軸數(shù)控機(jī)床可完成該種軸類零件復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的數(shù)控加工，其中主軸立銑刀應(yīng)垂直于零件軸線方向，Y軸坐標(biāo)與軸類零件回轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)對(duì)齊，X、Z及A軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)走刀，Z軸控制徑向切深，X和A軸控制加工刀具的切削位置。

數(shù)控機(jī)床的走刀加工需要對(duì)應(yīng)加工零件的數(shù)控代碼，其中在CAD軟件中完成零件模型的三維建模再調(diào)用CAM模塊的功能生成各加工工序的數(shù)控代碼是目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)中的最常用方法。然而對(duì)于該類具備復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的軸類零件，大多數(shù)商用計(jì)算機(jī)輔助軟件均無(wú)法完成主軸立銑刀與零件三維模型關(guān)于四軸加工刀軸矢量方向控制的有效布爾運(yùn)算，即無(wú)法直接在零件三維模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上生成主軸立銑刀的四軸加工代碼。因此對(duì)于該類零件的四軸加工代碼生成，目前的解決方法是創(chuàng)建外圓柱面走刀加工的輔助空間曲線驅(qū)動(dòng)四軸加工的數(shù)控代碼生成。目前UG軟件中針對(duì)軸類零件復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的四軸加工代碼生成操作如圖3所示。由于商用軟件并沒(méi)有集成展開(kāi)輪廓三軸刀路直接轉(zhuǎn)換為四軸加工代碼的功能模塊，必須輔以大量計(jì)算機(jī)軟件的人工操作。先將展開(kāi)輪廓的三軸加工代碼轉(zhuǎn)換為曲線，再重新導(dǎo)入并纏繞在外圓柱面，從而形成外圓柱面走刀加工的輔助空間曲線。但其中的工作量極大，耗時(shí)長(zhǎng)，所生成的四軸加工刀路的進(jìn)刀與退刀易出現(xiàn)干涉碰撞等問(wèn)題，需要人工經(jīng)驗(yàn)操作以優(yōu)化解決，對(duì)于技術(shù)人員的專業(yè)技能水平要求甚高，不利于工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。因此，研究基于展開(kāi)輪廓三軸代碼轉(zhuǎn)換的軸類零件四軸加工方法具備實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值與意義。

2 展開(kāi)輪廓的加工代碼轉(zhuǎn)換

2.1 代碼轉(zhuǎn)換的基本原理

基于XYZ+A軸的四軸數(shù)控機(jī)床，針對(duì)軸類零件復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的四軸加工代碼生成，分析展開(kāi)輪廓三軸刀路與四軸刀路的刀位坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)四軸刀路坐標(biāo)系XYZ位于軸類零件中央位置，每個(gè)軸線方向?qū)?yīng)于四軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制方式，是四軸數(shù)控機(jī)床加工軸類零件的實(shí)際加工坐標(biāo)系；三軸刀路坐標(biāo)系X′Y′Z′對(duì)應(yīng)于展開(kāi)輪廓的中央位置，且展開(kāi)輪廓繪制于X′O′Y′平面上。如圖4所示，將兩坐標(biāo)系調(diào)整移動(dòng)至圖示位置，即兩坐標(biāo)系的3個(gè)直線軸互相平行且方向相同。坐標(biāo)系X′Y′Z′的原點(diǎn)O′位于坐標(biāo)系XYZ的原點(diǎn)O的+Z方向，展開(kāi)輪廓所在的X′O′Y′平面與軸類零件外圓柱面相切，即兩坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)O與O′的距離為外圓柱面半徑R。

圖4 刀位坐標(biāo)的位置轉(zhuǎn)換關(guān)系分析Fig.4 Analysis on position conversion relationship of tool position coordinates

基于以上的幾何數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，展開(kāi)輪廓三軸刀路的刀位坐標(biāo)P′(x′，y′，z′)與軸類零件四軸刀路的刀位坐標(biāo)P(x，y，z，a)存在明顯的幾何數(shù)值關(guān)系。具體分析的結(jié)論如下：

(1)刀位坐標(biāo)于軸向方向上沒(méi)有任何相對(duì)位移，故有x=x′。

(2)展開(kāi)輪廓外圓柱面的四軸加工必須使刀軸矢量遠(yuǎn)離軸類零件的回轉(zhuǎn)軸，即主軸立銑刀的切削刃方向必須對(duì)準(zhǔn)回轉(zhuǎn)軸，固有y=0。

(3)展開(kāi)輪廓三軸刀路的刀位坐標(biāo)P′位于X′O′Y′平面上，軸類零件四軸刀路的刀位坐標(biāo)P則位于XOY平面上。XOY平面與X′O′Y′平面平行，且其距離為外圓柱面半徑R，故有z′=z+R。

(4)四軸刀路刀位坐標(biāo)P的A軸旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)于展開(kāi)輪廓三軸刀路刀位坐標(biāo)P′在Y′軸方向上的移動(dòng)位置。根據(jù)弧長(zhǎng)計(jì)算公式可知，l=α×R。其中，l為展開(kāi)輪廓三軸刀路刀位坐標(biāo)P′轉(zhuǎn)換到外圓柱面所對(duì)應(yīng)的圓周弧長(zhǎng)，α為圓周弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的圓心角弧度數(shù)。Y′軸的正方向移動(dòng)對(duì)應(yīng)于A軸的負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，弧度制需要轉(zhuǎn)換成角度制，且A軸的旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°～360°，故有a=180°-180°y′/πR。

根據(jù)以上的分析結(jié)論，可總結(jié)展開(kāi)輪廓三軸刀路刀位坐標(biāo)P′(x′，y′，z′)與軸類零件四軸刀路刀位坐標(biāo)P(x，y，z，a)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系：

(1)

因此，只要將展開(kāi)輪廓三軸刀路的后處理代碼生成強(qiáng)制輸出所有的刀位坐標(biāo)，再通過(guò)以上數(shù)字轉(zhuǎn)換關(guān)系的數(shù)值運(yùn)算處理，即可直接獲得軸類零件復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的四軸加工代碼。

2.2 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)

基于以上總結(jié)展開(kāi)輪廓三軸刀路刀位坐標(biāo)與軸類零件四軸刀路刀位坐標(biāo)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，使用Python計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)軸類零件外圓柱面展開(kāi)輪廓的四軸代碼轉(zhuǎn)換軟件。軟件界面如圖5所示，該轉(zhuǎn)換軟件可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制輸出所有刀位坐標(biāo)的展開(kāi)輪廓三軸加工代碼直接轉(zhuǎn)換為軸類零件外圓柱面的四軸加工代碼。

圖5 軸類零件外圓柱面展開(kāi)輪廓的四軸代碼轉(zhuǎn)換軟件Fig.5 Four-axis code conversion software for shaft part with cylindrical surface

3 代碼轉(zhuǎn)換的操作驗(yàn)證

3.1 具體操作過(guò)程

對(duì)應(yīng)于所研究展開(kāi)輪廓三軸代碼轉(zhuǎn)換的軸類零件四軸加工方法，其操作流程如圖6所示。

圖6 四軸代碼轉(zhuǎn)換生成的操作流程Fig.6 Operation process of code conversion for four-axis code generation

結(jié)合UG軟件，具體操作過(guò)程說(shuō)明如下：

步驟一，在計(jì)算機(jī)輔助軟件中，根據(jù)零件圖紙繪制展開(kāi)輪廓，并生成展開(kāi)輪廓的三軸刀路。UG中某軸類零件的展開(kāi)輪廓及其三軸刀路效果如圖7(a)所示，其中三軸刀路可以采用分層切削的方式，但必須切削至加工坐標(biāo)系的XOY平面。

步驟二，對(duì)四軸數(shù)控機(jī)床的后處理器進(jìn)行修改，將所有的圓弧走刀轉(zhuǎn)換為直線逼近，并強(qiáng)制輸出完整的刀位坐標(biāo)數(shù)據(jù)。直線走刀只包含終點(diǎn)刀位坐標(biāo)的三維坐標(biāo)，但圓弧走刀的數(shù)控代碼還包含圓弧半徑或圓心位置等數(shù)據(jù)信息，無(wú)法根據(jù)空間幾何關(guān)系直接處理，影響三軸代碼轉(zhuǎn)換為四軸代碼的數(shù)據(jù)處理操作?？赏ㄟ^(guò)修改后處理器，將所有的圓弧走刀轉(zhuǎn)換為直線逼近。UG中設(shè)置后處理器將所有的圓弧走刀轉(zhuǎn)換為直線逼近如圖7(b)所示。UG中設(shè)置后處理器強(qiáng)制輸出完整的刀位坐標(biāo)數(shù)據(jù)如圖7(c)所示，三軸代碼的所有刀位坐標(biāo)必須包含完整的三坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以滿足展開(kāi)輪廓三軸刀路刀位坐標(biāo)與軸類零件四軸刀路刀

步驟三，在計(jì)算機(jī)輔助軟件中，使用步驟二修改的后處理器，將步驟一所生成的三軸刀路后處理輸出為只包含直線走刀及完整刀位坐標(biāo)數(shù)據(jù)的三軸數(shù)控加工代碼。

步驟四，使用軸類零件外圓柱面展開(kāi)輪廓的四軸代碼轉(zhuǎn)換軟件，通過(guò)展開(kāi)輪廓三軸刀路刀位坐標(biāo)與軸類零件四軸刀路刀位坐標(biāo)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系數(shù)值運(yùn)算，將三軸數(shù)控加工代碼中直線走刀的刀位坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為四軸加工的數(shù)控代碼數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)軸類零件復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面四軸代碼的轉(zhuǎn)換生成。如圖5所示，所開(kāi)發(fā)軟件的數(shù)值運(yùn)算還需要設(shè)置軸類零件外圓柱面半徑，以保證四軸數(shù)控機(jī)床的Z軸徑向切深。

3.2 仿真效果驗(yàn)證

借助Vericut8.2.1數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，使用山東辰榜數(shù)控AVL650e虛擬四軸加工中心(圖8(a))，對(duì)上述代碼轉(zhuǎn)換操作獲得的四軸數(shù)控加工代碼進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖8(b)為虛擬仿真的切削加工過(guò)程，代碼轉(zhuǎn)換操作獲得的四軸數(shù)控加工代碼可有效驅(qū)動(dòng)四軸數(shù)控機(jī)床完成軸類零件復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的聯(lián)動(dòng)加工，且軸類零件展開(kāi)輪廓外圓柱面的最終仿真加工效果如圖8(c)所示。

綜上所述，通過(guò)代碼轉(zhuǎn)換的具體操作與仿真驗(yàn)證可知，基于展開(kāi)輪廓三軸刀路刀位坐標(biāo)與軸類零件四軸刀路刀位坐標(biāo)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，軸類零件復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的四軸數(shù)控加工代碼可由展開(kāi)輪廓的三軸代碼直接轉(zhuǎn)換生成。與現(xiàn)有操作方法相比較，所研究方法無(wú)需復(fù)雜的人工技術(shù)操作，精簡(jiǎn)了軸類零件復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面四軸代碼生成的操作步驟，降低了對(duì)操作人員專業(yè)技術(shù)水平的要求，具備了穩(wěn)定性與速度效率的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

面向具備復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的軸類零件，針對(duì)其復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面四軸數(shù)控加工代碼生成的不穩(wěn)定、耗時(shí)長(zhǎng)及效率低的問(wèn)題，研究該類零件展開(kāi)輪廓三軸代碼轉(zhuǎn)換四軸代碼的方法。基于四軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制，分析了UG軟件中復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的數(shù)控代碼生成操作方法。研究了復(fù)雜展開(kāi)輪廓三軸代碼的刀位坐標(biāo)與四軸代碼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，開(kāi)發(fā)了軸類零件外圓柱面展開(kāi)輪廓的四軸代碼轉(zhuǎn)換軟件。通過(guò)UG及所開(kāi)發(fā)代碼轉(zhuǎn)換軟件的具體操作，生成了軸類零件復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的四軸數(shù)控加工代碼，并于Vericut軟件中仿真驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，所研究方法可直接實(shí)現(xiàn)軸類零件復(fù)雜展開(kāi)輪廓外圓柱面的四軸數(shù)控代碼生成，具備了穩(wěn)定性與速度效率的優(yōu)勢(shì)。