Pro/ENGINEER中叶片专用动态加速后置处理的设计

【摘    要】 由于目前国产四坐标机床在加工曲面时存在切削速度不均匀的现象，为此我们采用开发专用的后置处理软件的方式来补偿切削速度，达到理想的切削效果和加工效率。本文详细地分析了开发模块和各模块的功能，为自主开发专用后置处理提供参考依据。
【关键词】 开发   后置处理    动态加速   四坐标   叶片专用

1 引言

    四轴联动加工技术主要应用于加工具有较为复杂曲面的工件，与三轴联动加工相比，四轴联动加工可以加工出更高质量、更复杂的曲面，主要适用于飞机、模具、汽车等行业的特殊加工。目前已经普及国产四坐标机床，并且机床价格、维护成本低于进口机床，这对一个发展中的企业来说是非常重要的。由于四轴联动加工中的刀具路径已经由简单的二维刀路变化为复杂的三维刀路。在切削速度的计算上更为复杂，并且各个切削点的切削速度是变化的。本文以透平叶片加工刀具路径为例，来分析刀具进给速度以及相应的专用后置处理软件开发方式。

2 开发目标

    由于四轴联动加工刀具路径属于复杂三维刀具切削路径，因此每点的切削速度受到很多因数的干扰：旋转轴上切削点到旋转中心距离大小；四轴同时联动时机床功率大小；加工工件曲率变化大小等等因素。以国产四坐标机床透平叶片型面加工作为研究对象开发了专用的后置处理软件。开发目标是能根据加工产品的曲率自动计算当前点的切削速度，从而达到平稳切削速度的效果；设置工装偏移参数调整，能运用该参数动态调整加工刀具路径，达到补偿工装误差的目的；生成的程序可以自动根据刀具情况显示刀具特性参数（刀具大小）和能自动设置刀具长度补偿。

3 产品及刀具路径分析

    叶片型面是由多个截面采用混成造型而成的（如图1所示），所以截面（如图2所示）是生成叶片型面的关键因素。

图1

图2

    根据截面图可以分析出叶片整个曲率变化规律——内背弧型面变化平坦；进出汽边变化剧烈（如图3所示）；再看我们加工叶片的刀具轨迹图（如图4所示）。

图3

图4

    从图3中可以看出，在内背弧处曲面变化很平坦，那么加工中旋转轴转动比较缓慢，XYZ轴运动行程也比较短，在这种小功率运动时速度就会非常快；而在进出汽边处曲率变化非常剧烈，那么加工中旋转轴转动就非常快，XYZ轴运动行程也非常大，在这样大功率的运动下机床驱动功率不足，导致系统整体速度下降。

    由于存在这种现象，那么刀具在切削过程中会受到很大的冲击。我们的解决方案就在于补偿这个切削速度。在曲面曲率变化小的内背弧处降低切削速度，在曲面曲率变化大的进出汽边处加大切削进给速度。根据刀具路径和曲面曲率分布，我们不难看出，要做到切削速度平衡的关键之处就在于刀具的矢量夹角变化。进出汽边矢量夹角变化非常剧烈，而内背弧矢量夹角变化相对平滑。切削进给速度运算公式：

其中：ΔF——动态速度                             Δd——空间两刀轨点距离 
      Δθ——空间两刀轨点矢量夹角                F——标准进给速度
      e——调整系数

     同时，为做到补偿工装误差的目的，采用在刀具切割点上增加补偿参数。工装误差补偿调整公式：

4 软件设计

    采用VB6.0作为该后置处理的开发平台，程序结构模块见图5。

图5

处理的NCL刀具路径文件是由Pro/ENGINEER生成的，具体格式如下：

MACHIN / MILL, 1
$$-> CUTCOM_GEOMETRY_TYPE / OUTPUT_ON_CENTER
UNITS / MM
LOADTL / 2,  OSETNO,  1
$$-> CUTTER / 16.000000
SET / OFSETL,  55
$$-> CSYS / 1.0000000000, 0.0000000000, 0.0000000000, 0.0000000000,  $
            0.0000000000, 1.0000000000, 0.0000000000, 0.0000000000,  $
            0.0000000000, 0.0000000000, 1.0000000000, 0.0000000000
MULTAX / ON
$$-> OSETNO / 1,  0.0000000000, 0.0000000000, 0.0000000000
$$-> OSETNO / 1,  0.0000000000, 0.0000000000, 0.0000000000
SPINDL / RPM, 2500.000000,  CLW
COOLNT / ON
RAPID
GOTO / -154.2004692605, 115.1954527379, 96.0729289056,  $
0.0000000000, 0.9681056801, 0.2505421964
RAPID
GOTO / -154.2004692605, -27.2128043462, 59.2181947073,  $
0.0000000000, 0.9681056801, 0.2505421964
FEDRAT / 2000.000000,  MMPM
GOTO / -154.2004692605, -36.8938611471, 56.7127727433,  $
0.0000000000, 0.9681056801, 0.2505421964
GOTO / -154.4368894098, -26.5081938974, 33.9733351668,  $
0.0000000000, 0.9681056801, 0.2505421964
GOTO / -154.4806703200, -24.3118361484, 29.3048579455,  $
0.0000000000, 0.9537348605, 0.3006489912
GOTO / -154.5256258457, -21.8470821009, 24.7278490649,  $
0.0000000000, 0.9342948121, 0.3565013381

    该刀具路径文件给明了刀具运动点的坐标及刀具矢量方向，只需要根据刀具矢量方向计算出机床运动数据和动态进给速度，软件的设计目的就达到了。

生成的加工程序如下：

%
N10 (Sir Zcm Design Dvelopment)
N20 (TEL-08388862948 E_Mail-dq_zcm@163.com)
N30 (M053-201012A001 DATE:2003-11-13 Time:11:05:01)处理的产品代号及处理时间
N40 (File_name:1.ncl.1)被处理的文件名
N50 T2
N60 M06
N70 (TOOL-16.) 刀具特性参数
N80 M10
N90 G00 G55 G90 Z135.642
N100 X-154.200 Y-64.341 A-75.490
N110 S2500 M03
N120 M08
N130 G91
N140 G43 Z-147.100 H1
N150 G01 Z-10.000 F2000.000
N160 X-0.236 Y24.616 Z4.357
N170 X-0.044 Y4.276 Z2.784 A2.987 F2760.873（动态F）
N180 X-0.045 Y4.371 Z2.792 A3.389 F2807.391
N190 X-0.047 Y4.596 Z2.456 A3.219 F2783.794
N200 X-0.043 Y4.673 Z2.491 A4.002 F2870.734
………………………
N2320 G49 Z164.781 F9000.000
N2330 M09
N2340 M05
N2350 M30
%

图6

5 结束语

    本后置处理软件完全达到了最初的设计目的，通过该后置处理软件生成的NC代码在进出汽边出加大进给速度，用于补偿机床在该处的功率不足现象，使机床加大功率运转满足切削要求；而在内背弧处，明显降低切削速度，使机床在小功率时能保持切削速度均匀。切削速度匀化后明显地提高了刀具寿命和产品光洁度，同时提高加工效率。在工装偏移参数设计上更体贴工程技术人员，不用再操作烦琐的编程软件直接在后置处理软件内设置相应参数就达到了目的。此次开发四轴联动后置处理程序使我们探索出了编制数控系统后置处理程序的方法，为以后设计更为复杂的后置处理程序提供了借鉴。该后置处理软件已成功运用于国产四坐标加工透平叶片型面，给企业带来很高的经济效益。