一种基于五轴数控龙门机床六轴改造的NC代码仿真方法

摘要

本发明公开一种基于五轴数控龙门机床六轴改造的NC代码仿真方法，包括步骤：运用CAM软件对零件进行初步刀具路径规划并生成初始NC代码；运用程序编译软件对步骤S10生成的NC代码进行第二次后处理以适用超声切削；运用机床运动仿真软件对步骤S20生成的NC代码进行含有超声主轴的六轴机床仿真。通过运用CAM软件对零件进行初步刀具路径规划并生成初始NC代码，运用程序编译软件集成对该NC代码进行第二次后处理过程为独立软件以适用超声切削粗加工，并经过仿真验证效果。使用该代码切削效率高，符合精加工要求，且无需人工手动修改NC代码，减少了编程时间，最终提高了生产效率与质量。

说明书

技术领域

本发明涉及超声辅助切削工艺技术领域，具体涉及一种基于五轴数控龙门机床六轴改造的NC代码仿真方法。

背景技术

加工大型曲面蜂窝复合材料零件常用含A/C转角的五轴龙门数控机床，传统的铣削加工存在加工效率低、加工质量差且会产生严重粉尘污染等问题。超声数控切削技术的引入很好地解决了上述问题，但我国在该领域的研究和应用起步较晚，对其工艺的掌握还不够成熟。

随着超声切削技术的加入，传统的五轴龙门机床改造升级成为含有超声主轴的六轴联动龙门机床，其中，超声主轴与A轴末端相连接，超声主轴称为“U”轴，其转角称为“U”转角。“U”轴不同于传统的含有B轴的六轴数控机床，B轴是绕机床坐标系中Y轴方向旋转，而“U”轴是第二个绕Z轴方向的旋转轴，因此传统的后处理以及仿真方案难以满足此含有“U”轴的六轴数控机床。

超声切削加工刀具为直刃刀和圆盘刀，为扁平形状的刀具，如图5所示，在加工过程中的掉屑方式也不同于传统铣刀，为两次走刀后的块状掉屑。在切削蜂窝复合材料的粗加工过程中，常采取仅使用直刃刀的“V”形切削工艺和使用直刃刀、圆盘刀组合加工的矩形切削工艺。对于这两种复杂的切削工艺，目前还没有高效的刀具路径规划方法以及快捷的后处理方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于五轴数控龙门机床六轴改造的NC代码生成及其仿真方法，解决了超声刀具粗加工过程中的刀具路径规划问题，以及含有超声主轴的六轴后置处理和仿真问题。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于五轴数控龙门机床六轴改造的NC代码仿真方法，包括以下步骤：

S10：运用CAM软件对零件进行初步刀具路径规划并生成初始NC代码；

S20：运用程序编译软件对步骤S10生成的初始NC代码进行第二次后处理以适用超声切削；

S30：运用机床运动仿真软件对步骤S20生成的NC代码进行含有超声主轴的六轴机床仿真。

本发明的更进一步优选方案是:所述步骤S10具体包括：

S11：添加辅助面以在后续刀具路径规划中限定修剪边界；

S12：选择型腔铣进行粗加工刀具路径规划；

S13：设置步骤S11中的辅助面为修剪边界；

S14：加工刀具等效设置为以直刃刀的刀厚e为直径的平底铣刀；

S15：设置步距、切削深度、切削余量、进退刀类型和加工起点；

S16：根据S11-S15的设置参数，运用CAM软件自动生成刀具路径；

S17：自动后处理生成初始NC代码。

本发明的更进一步优选方案是:所述步骤S20具体包括：

S21：自动逐行读取初始NC代码；

S22：区分奇偶切削层；

S23：有效刀位点识别计数：若当前只含X信息的刀位点P₃与上一个只含X信息刀位点P₂产生的向量与前一次操作产生的向量方向相反，则当前只含X信息的刀位点被称为有效刀位点，并计数；

S24：删减、调整刀位点为正常步距：根据有效刀位点对其前后的刀位点进行删减、调整顺序；

S25：设置抬刀标记；

S26：计算正负摆角下的A、C、“U”转角并插入NC代码；

S27：调整抬刀处刀轴旋转角度信息与坐标信息顺序，防止刀具在工件内部旋转；

S28：同一切削层的每一条刀具切削路径走刀两次，且摆角相反；

S29：加入圆锥铣刀按照每个切削层的切削路径走刀一次，把切屑从显示的角度脱落；

S210：单个切削层第二次切削进刀刀位点调整；

S211：设定超声刀具抬刀和再次下刀的刀位点，避免刀具与工件挤压、碰撞；

S212：人工添加使抬刀位置正常掉屑的刀具路径；

S213：重新对NC代码编排序号；

S214：第二次后处理完成，输出NC代码文件；

S215：将步骤S20的内容集成为独立后处理软件。

本发明的更进一步优选方案是:所述步骤S30具体包括：

S31：导入含有超声主轴的六轴龙门机床组件；

S32：选用控制系统匹配CAM软件的后处理器；

S33：设定绝对旋转方向，优化旋转轴的旋转方向；

S34：选用步骤S214生成的NC代码文件作为数控程序进行机床运动仿真；

S35：过切、残高检查，检验NC代码仿真程序是否可行。

本发明的有益效果在于，运用CAM软件对零件进行初步刀具路径规划并生成初始NC代码，运用程序编译软件集成对该NC代码进行第二次后处理过程为独立软件以适用超声切削粗加工，并经过仿真验证效果。使用该代码切削效率高，符合精加工要求，且无需人工手动修改NC代码，减少了编程时间，最终提高了生产效率与质量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明所述方法的简要流程图；

图2是本发明所述方法的具体流程图；

图3是本发明所述奇偶层删减、调整刀位点为正常步距示意图；

图4是本发明所述超声刀具在零件最大尺寸范围内抬刀示意图；

图5是本发明所述超声刀具切削以及掉屑示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

“V”形切削工艺由于加工过程无需换刀其加工效率要高于矩形切削工艺，但是“V”形切削工艺的后处理过程要比矩形切削工艺复杂很多。因此，本发明将以“V”形切削工艺的后处理过程为例进行阐述。

如图1所示，所述五轴数控龙门机床六轴改造的NC代码生成及其仿真方法包括以下步骤：

步骤S10、运用NX软件对零件进行初步刀具路径规划并生成初始NC代码。

步骤S20、运用MATLAB软件对步骤S10生成的NC代码进行第二次后处理以适用超声切削。

步骤S30、运用VERICUT软件对步骤S20生成的NC代码进行含有超声主轴的六轴机床仿真。

详细过程如图2所示，具体叙述如下：

步骤S10、运用NX软件对零件进行初步刀具路径规划并生成初始NC代码。主要运用型腔铣进行刀具路径规划，已经根据零件的外形进行逐层规划刀路，此时自动后处理产生的NC代码不含A、C轴以及超声主轴的转角信息。

(1)添加辅助面以便在后续道路规划中限定修剪边界。为使加工刀具在零件毛坯边缘变换角度时不与毛坯发生干涉，需运行NX“建模”应用模块，在零件底部添加沿X或Y轴方向(刀具切削零件的进给方向，本案例选择X轴为刀具进给方向)延长一定长度的辅助面，以便在后续道路规划中限定修剪边界。

(2)选择型腔铣作为粗加工刀具路径规划方法。运行NX“加工”应用模块，选用型腔铣进行粗加工刀具路径规划，其可以根据型腔或型芯的形状，通过逐层切削零件的方式来创建加工刀具路径。但是应用型腔铣规划粗加工刀具路径不含摆角与倾角。

(3)几何体设置要点。需指定修剪边界为步骤S10(1)中的辅助面外轮廓。

(4)加工刀具设置要点。加工刀具等效设置为以直刃刀的刀厚e为直径的平底铣刀，刀刃长度与直刃刀刀刃在刀轴方向的长度一致。由于运用NX CAM时加工刀具都为回转体，并不适用于直刃刀路径规划，因此需要把直刃刀等效设置为直径等于刀厚的小铣刀。

(5)刀轨设置要点。

a.步距设为最终步距的一半为0.5f为后续删减刀位点做好准备，由于在“V”形切削工艺中，两层之间的刀路需要错位排布，如设置步距为最终步距，则在隔层平移刀路过程中会造成干涉问题；

b.切削深度a_p以及最终的步距f根据直刃刀刀刃的最大切削深度d、切削摆角α、倾角θ和刀厚e综合确定；

c.切削参数设置中的策略部分需要给定足够大的延伸路径用于切削到全部毛坯，余量部分需给定部件底部余量为δ以防止后续在加入摆角与倾角后刀具与零件表面发生干涉；

d.非切削移动设置中进退刀类型为线性-相对于切削，此进退刀类型可以使直刃刀切入推出轨迹平滑，且方便修改刀位点数据，起点设置在零件需去料最深的某一角，此步骤可以使上下层刀路保持整齐，以便后续更改刀路使得“V”形切削工艺中的切屑能正常脱落；

(6)自动生成刀具路径。根据步骤S10中(1)-(5)的特殊设置以及其他常规设置完成后，使用NX CAM自动生成刀具路径。

(7)自动后处理生成原始NC代码。利用NX导出安装文件中postprocessor文件夹中的后处理器，本发明选用西门子840D后处理器，经后续测试可以与VERICUT中自带的840D控制系统相匹配。

步骤S20、运用MATLAB软件对步骤S10生成的NC代码进行第二次后处理以适用超声切削。步骤S10产生的NC代码具有不含旋转轴的转角信息、不能产生“V”形刀路、不能使切屑顺利脱落等问题。本发明需要根据超声切削所需的摆角、倾角、切深、步距等信息对步骤S10产生NC代码进行第二次后处理，转化为完全适用于超声切削的NC代码。本发明选用MATLAB软件来编译实现此过程，并把此过程集成为独立的NC代码处理软件。

(1)自动逐行读取NC代码文件。运用MATLAB软件将步骤S10生成的初始NC代码逐行读取，以便后续过程对其改编。

(2)区分奇偶切削层。在“V”形切削工艺中，要实现“V”形切屑的产生，首先两层切削层的刀路在YOZ平面视角里要错位0.5f步距，奇数层和偶数层的刀位点调整过程将有所差别。因此，需要记录NC代码中的Z坐标变化，以记录切削层的变化。

(3)有效刀位点识别计数。在本发明中若当前只含X信息的刀位点P₃与上一个只含X信息刀位点P₂产生的向量与前一次这么操作(P₂与P₁)产生的向量方向相反，则当前只含X信息的刀位点被称为有效刀位点，并计数用于后续步骤S20-(4)中调整刀位点作为标志使用。

(4)删减、调整刀位点为正常步距。步骤S20-(3)中标志的有效刀位点位于每一行刀路的终点处，如图3所示，可以根据这些有效刀位点对其前后的刀位点进行删减、调整顺序，根据奇偶层的不同，产生图3后两种情况的刀路。

(5)设置抬刀标记。若刀路在零件的最大尺寸范围内有转折点且转折角度较大，通常是在遇到斜面的情况下，超声刀具就无法进行路径转折，因此需要设置抬刀点，当前步骤只设置Z坐标的值，具体的抬刀点需要根据后续加入旋转轴角度后，判断此抬刀位置的刀具姿态，然后沿其刀轴方向抽出刀具，防止刀具挤压零件。

(6)计算正负摆角下的A、C、“U”转角并插入NC代码。要实现设定的刀具摆角与倾角参数，需要计算A、C、“U”转角，其中C转角的计算分为根据摆角与倾角推导出的静态值C₁和根据当前进给方向推导出的动态值C₂两部分。最终的A、C、“U”转角值还需结合后处理器的计算规律得出。具体公式如下：

当摆角为正时：

A＝A₁

当摆角为负时：

A＝-A₁

其中，(u_x，u_y，u_z)为刀具移动时的单位向量，在超声切削中刀具只在XOY平面内切削，因此u_z通常为0。为保证前后刀面均匀磨损，每切削一段距离，须在角度变换时同时将“U”轴在“U”角的基础上旋转180度。计算后的角度插入当前刀位点的前一行。

(7)调整抬刀处刀轴旋转角度信息与坐标信息顺序。根据步骤S20-(6)所述，计算后的角度插入当前刀位点的前一行，如果遇到当前刀位点的前一行是抬刀坐标Z的回落值，那么应把刀轴旋转角度信息调整到当前刀位点的前两行位置，也就是含有Z坐标刀位点的前一行，以免发生刀具在材料内部发生角度变换。

(8)实现单层两次切削。要实现“V”形刀路，同一切削层的每一条刀具切削路径需要走刀两次，且摆角相反，摆角相反时的旋转轴转角计算在步骤S20-(6)中已给出。

(9)加入每一层的第三遍刀路以保证步骤S30中仿真时的掉屑。超声刀具在切削完毕后，事实上切屑已经掉落，但是在步骤S30的VERICUT的仿真过程中，切屑并不能显示脱落，因此需要用一把圆锥铣刀，按照每一层的路径再走一遍，把切屑从显示的角度脱落。注意：真正的加工程序无需此刀路。

(10)单层第二次切削进刀刀位点调整。在实现步骤S20-(8)时，需要注意修改第二次切削时的进刀刀位点信息，获取上一层退刀时的坐标，与该层进刀坐标比对，如果进刀坐标有Y坐标或X坐标残缺需要根据上一层退刀时的坐标补全，否则刀具从单层第一次切削转到单层第二次切削走空刀时将发生干涉。

(11)设定超声刀具抬刀和再次下刀的刀位点。在步骤S20-(5)已经完成抬刀标记的设置，当前步骤需要对抬刀和再次下刀的刀位点进行完善。如图4所示，在超声刀具切削过程中进行抬刀，需要判断此抬刀位置的刀具姿态，然后沿其刀轴方向抽出刀具，防止刀具挤压零件，再次进刀同理。

(12)添加使抬刀位置正常掉屑的特殊刀路。如图4所示，如果在零件最大尺寸范围内有抬刀操作，那么切屑无法自动掉落，需要人工添加刀路，在步骤S20-(11)中记录转折点刀位点，在当步骤连续添加这些刀位点，并插入到NC代码的单层两次切削结束之后，下层刀路切削之前。

(13)重新对NC代码编排序号。由于此时的刀位点前的编号由于各种调整已经混乱，因此需要对其重新编号。

(14)第二次后处理完成，输出NC代码文件。至此第二次后处理过程已经完成，逐行输出，就可以得到新的适用于超声切削过程的NC代码。

(15)将步骤S20内容集成为独立后处理软件。将步骤S20中的内容运用MATLAB编译完成后打包成独立应用软件，无需再打开MATLAB软件，方便使用。

步骤S30、运用VERICUT软件对步骤S20生成的NC代码进行含有超声主轴的六轴机床仿真。在超声切削仿真中，需要在五轴龙门机床的基础上加入超声主轴，并实现对其控制。超声刀具的掉屑过程如图5所示，与传统铣刀的掉屑方式不同，传统铣刀在加工或加工仿真时，是刀具所经过的部分会掉屑，而超声刀具则需要两遍切削组合才能使中间部分的切屑脱落。

(1)导入含有超声主轴的六轴龙门机床组件。首先再一次启动NX软件，进入“加工”应用模块，打开机床视图，从库中调用五轴龙门机床，进入“建模”应用模块，对超声主轴“U”轴建模，并使各个运动轴移动到机床坐标系圆心，并导入各个组件。启动VERICUT软件，新建项目，导入从NX软件导出的五轴龙门机床组件，包括床身、X轴、Y轴、Z轴、A轴、C轴和“U”轴。

(2)选用sin840d控制系统。双击打开此项目中的控制，在VERICUT自带控制系统库中找到sin840d控制系统，经验证，该控制系统能够识别并适配NX后处理器840D后处理生成的NC代码。

(3)绝对旋转方向设定。在多数机床旋转轴的旋转方向设定中都是“最短的距离”，本发明的仿真过程的A轴、C轴和“U”轴三个旋转轴也是相同设定，可以有效提高在角度变换时的效率。打开VERICUT的“控制设定”，在各个旋转轴旋转台型选定“EIA(360绝对)”的基础上，绝对旋转式方向选择“最短的距离”。

(4)选用步骤S20生成的NC代码文件作为数控程序进行机床运动仿真。在此项目的数控程序里添加NC代码，点击“重置模型”按钮，点击“开始”按钮开始机床运动仿真。

(5)过切、残高检查。在“Design”中添加零件模型，在切削完毕后，打开“自动比较”可进行过切、残高检查。经检查，应用步骤S20中生成的NC代码仿真加工过后，残余高度符合精加工要求，无过切现象。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。