五轴数控加工程序设计研究

李超

（沈阳职业技术学院机械装备系，沈阳110045）

The research of five-axis numerical controll machining programming

LI Chao

（Department of machinery and equipment ，Shenyang Polytechnic College ，Shenyang 110045，China ）

文章编号：1001-3997（2009）01-0060-03

【摘要】五轴数控加工编程技术复杂和处理信息量大的特点决定了采用手工编程方法难以实现，

通常采用UG 等自动编程软件对五轴数控加工进行程序编制。从应用UG 自动编程软件对造型进行前置和后置处理，得到适合五轴数控机床能够执行的代码指令来研究五轴数控加工程序编制方法，归纳出五轴数控加工编程应遵循的基本原则。

关键词：五轴数控机床；后处理；编程

【Abstract 】The complexity of the five-axis numerical control （FANC ）programming technology makes it difficult to popularize the FANC technology among users.FANC programming can only be achieved through automatic programming software rather than manual programming.By using automatic program －ming software such as UG to adjust pre-or post-processing of models ，you can get the feasible codes suit －able for FANC engines to study FANC programming methods.Therefore ，you can get the general rules that FANC programming needs to abide by.

Key words ：5-axis CNC machinc tools ；Post-processing ；Programming

＊来稿日期：2008-03-16

中图分类号：TH16

文献标识码：A

1前言

五轴数控加工编程除了计算直线运动外，同时还要进行协调旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动等的相关计算，手工难以完成如此抽象和运算量大的程序编制，通常使用UG 等自动软件和后置处理器才能够编制五轴数控加工程序，并在生产前利用软件提供或模拟仿真软件的模拟仿真功能对整个机械加工过程进行仿真，以检验数控加工程序的正确性。由于五轴数控加工的曲面形状比较复杂，很少有人能利用自动编程软件提供的五轴数控加工功能生成用于生产的程序，造成五轴数控机床的优越性没有充分发挥出来。

自动编程首先要作前置处理，生成数控加工的刀具轨迹，然后作后置处理，生成G 代码程序。生成的G 代码程序中除G 代码指令外，大量数值为数控机床各轴坐标值，这些坐标值都是刀具的轨迹点相对于加工坐标系的值。在数控机床加工时，数控机床就会按照坐标值确定的位置带动刀具运动，实现对工件的精确加工。下面以使用自动编程软件UG 为例，通过分析生成人头部模

型的五轴数控加工程序来研究五轴加工程序的编制方法。

2生成五轴刀具轨迹

人头部模型属于复杂曲面，曲率变化比较大。三轴和四轴常用的刀具轨迹生成方式无法满足此类复杂曲面的加工需要。

如果重的应力集中，在交变应力条件下易断裂，因此不宜采用。

3结论

单边柔性铰链与混和柔性铰链已经在许多要求高精度、高灵敏度的工程应用中起到了不可替代的作用。提出的单边混合柔性铰链这一新的柔性铰链构型，充分发挥了二者的优势。基于有限元法对由直圆柔性铰链与导角柔性铰链组合而成的单边混合柔性铰链的性能分析，结果表明，它比单边直圆柔性铰链、双边混和柔性铰链具有更大的柔度，同时精度、最大应力并无明显下降。这种柔性铰链更适合于结构紧凑、需要大位移、高精度的工程应用，同时为新型柔性铰链的设计提供了有价值的参考。

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Machinery Design ＆Manufacture

机械设计与制造

第1期2009年1月

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在UG软件中有多种五轴联动的刀具轨迹生成方法，根据人头部模型曲面在曲率变化大、变化趋势急剧的特点选择“可变轴曲面轮廓铣”刀具轨迹生成功能。“可变轴曲面轮廓铣”功能是通过驱动面、驱动线或驱动点来产生驱动轨迹路径，并把驱动点按照一定的数学关系的投影方法，投影到被加工的曲面上，再按照曲面变化规律来生成刀具路径。

应用“可变轴曲面轮廓铣”功能，首先选择人头部模型需要五轴加工的部分，如图1所示。

图1选择零件几何体

其次选择合适的驱动方法。在UG软件中对五轴数控加工提供了多种类型的驱动方法，驱动方法的选择与被加工零件表面的形状及其复杂程度有关。对人头部模型曲面驱动采用曲面区域驱动最为合适，因为曲面区域驱动可以在驱动曲面的网格上创建按一定规则分布的驱动点，利用这些驱动点，按照一定的数学关系沿指定的投影方向投影到人头部模型曲面，从而生成适合加工人头部模型曲面的五轴刀具路径。但在构造驱动面几何体的时候必须保证摆轴能不能超程，还考虑到驱动面几何体与人头部模型曲面的曲率变化趋势的一致性，如图2所示，这样才能使生成的五轴刀具轨迹在加工时保证刀具始终垂直加工部位曲面，如图3所示。

图2选择驱动几何体图3刀具轨迹生成

3后置处理

前面生成的刀具轨迹仅是刀位文件（Cutter Location File），并不能用于数控机床的加工，因为数控机床接受的是符合数控系统指令格式的程序，所以必须对前面生成的刀具轨迹进行处理，将刀位轨迹数据转换成具体机床的程序代码，即后置处理（Post-Processing）。

使用UG/Post Builder做后置处理需针对不同类型数控机床的结构，正确设定各轴运动方向、运动范围、运动方式、数据精度、摆轴长度、旋转轴和摆动轴的偏心等参数，从而把软件计算出的相对于人头像模型加工坐标系的刀位点，根据用户定义的后置处理的格式在不同数据点前加上地址字（X、Y、Z、B、C轴）、运动方向（+、－号）、计算坐标点上的矢量方向数据、运动关系和不同功能代码（G、M、S、F）后输出NC程序。

3.1分析机床

本例使用的是在SKY80120龙门雕铣数控机床基础上，附加了双旋转工作台，旋转轴B轴旋转平面为YZ平面，C轴旋转平面为XY平面，数控系统为SKY2003系列的SKY五轴数控机床。

3.2建造后置处理

在新建后置处理页面中参数设定如下，如图4所示。

图4新建的后处理

在机床参数－通用参数页面，如图5所示，设置行程，在机床参数－第四轴和第五轴页面，点击“Configure”，在弹出小窗口中设定第四轴旋转平面为YZ平面，字头为B，第五轴旋转平面为XY，字头为C，公差设为0.001。在机床参数一第四轴和第五轴页面，将转轴最高进给率设为“2000”。Axis Direction设为“Magni－tude Determines Direction”，由数值大小决定方向。

图5第五轴转向和行程

在机床参数－第四轴页面，将轴向设为“Reversed”，转轴限位设为“-90～110”。该机床第四轴的转向同左手定则相反，旋转范围有限，设为“-90～110”，如图6所示。在机床参数－第五轴页面，轴向设为“Normal”，转轴限位设为“0～359.999”。第五轴的转向符合左手定则，旋转角度不受，可以连续旋转。机床参数的其它项目使用默认值即可，如图7所示。

第1期李超：五轴数控加工程序设计研究61图6第四轴转向和行程

图7第五轴转向和行程

3.3设定其它参数

在UG/Post Builder中一般只需设定针对机床的参数，保证生成的G代码程序能够符合数控机床控制系统的要求就可以了。对SKY系统参数大多参数可使用默认值，只需修改以下五项参数：（1）在Program&Tool Path的Program页面，将“Program Start Sequence”程序头中的“％”和“G40G17G90G71”这两行去掉，加入两个新的行“G54”和“S M03”。SKY系统在程序开头不需要这两行，而需要固定加工坐标系“G54”，保证主轴在工作时正转“M03S”。应注意这里“M03”和“S”的顺序，默认顺序是错误的，系统要求“M03”在“S”之前，后面我们再修改这个顺序，如图8所示。

图8输序头设定

（2）在Program&Tool Path的Program页面，将“Operation Start Sequence”操作头中，“Auto Tool Change”，自动换刀的所有行删除。这是因为SKY80120龙门雕铣机没有自动换刀功能，故去掉自动换刀的指令。

（3）在Program&Tool Path的Program页面，将“Program End Sequence”程序尾中的“％”这行删除，在“M02”。前加入一行“M05 M09”。程序尾同样不需要“％”，同时确保程序运行结束后，主轴和冷却关闭，如图9所示。

图9输序尾设定

（4）在Program&Tool Path的Word Sequencing页面，将“S”和“M03”的位置互换。回到Program&Tool Path的Program页面的“Program Start Sequence”中，可以发现“S M03”行变为了“M03 S”，顺序已经改变为符合系统要求的了。

（5）在Output Setting的Other Options页面，将“N/C Output Files Extension”改为“NC”。SKY数控系统默认读取的加工程序后缀名为“NC”，如图10所示。

图10输出设定

设定好所有要修改的参数后按保存键，UG/Post Builder便生成针对SKY五轴数控机床的NC程序，如图11所示。

图11生成程序

4结论

正确确定五轴数控机床结构形式，合理进行后置处理设置是得到五轴数控加工程序的前提。Pro/E、Cimatron、Powermill等其它自动编程软件加工方式的选择和参数的设置与本文所用UG软件基本类似，这里就不再赘述。编程者可结合自己选用的五轴数控机床根据具体情况选择合适的编程方法，但应遵循以下四项基本原则：

（1）为提高加工效率，编制程序应尽量减小机床的运动量；

（2）为提高加工质量，编制程序应使刀轴矢量变化均匀，不要有突变点；如无法避免刀轴矢量突变，则尽量减少突变点数量或分道次加工；

（3）存在多个刀路时，各刀路间衔接处刀轴矢量应平滑过渡；

（4）编程中使用的各种方法应该能在数学角度有唯一的解。参考文献

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机械设计与制造

No.1 Jan.2009

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