五轴数控铣削毕业论文

大 连 民 族 学 院 本 科 毕 业 设 计（论 文）基于Pro/E的五轴数控铣削加工编程与Vericut仿真验证学 院（系）： 机电信息工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 李东泽 学 号： 2007022209 指 导 教 师： 刘德全 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2011年6月6日 大连民族学院基于pro/e五轴数控铣削加工编程与Vericut仿真验证摘 要五轴联动数控加工技术以其特有的优越性在复杂、高精度零件加工方面起着越来越重要的作用。五轴加工优越性的充分发挥离不开高质量的五轴加工编程和有针对性的后置处理程序。由于刀具与工件相对运动的复杂性，五轴加工编程的复杂程度远远超过三轴加工的编程。同时，五轴加工后置处理，由于开发难度大和技术保密等原因，也成为五轴加工设备充分发挥效率的制约因素。针对上述两个方面的问题，本文作了相应的研究。首先，五轴联动加工中心进行了数控铣削后置处理开发，通过基于Pro/e软件的辅助模块进行了后置处理程序的开发。本文的研究对于如何提高五轴加工编程质量和解决后置处理问题，具有一定的实际意义。关键词：五轴加工编程；后置处理；坐标变换；仿真加工- I -基于pro/e五轴数控铣削加工编程与vericut仿真验证AbstractFive.axis NC machining technology with its special advantages becomes more and more important in the machining of complex and high precision Parts.Without the reasonable programming of five.axis NC machining and the pertinent special post processing，the advantages can not be exerted completely.owing to the complexity of the motion between the tool and the workpiece,it is more difficult to get the programming of the five.axis NC machining than the three.axis.And the five.axis post processing is the main constraint in improving the effectivity of the machining tool just because of the difficult redevelopment，technique secrecy and so on.Based on resolving the two problems above，some relative research is done in this paper.There is one methods to realize the post processing :It is the redevelopment of the general post.processing module based on the pro/e.The research of the paper have some important significance at resolving the problem of post.processing and improving the effectivity of NC machining programmingKey words: five.axis NC machining programming;post Processing;coordinatetransformation;simulation for machining- 29 -目 录摘 要.IAbstract.II1. 绪论.11.1 数控编程技术的发展历程.11.2 数控编程技术的关键技术.21.3 后置处理技术概述.21.3.1后置处理的主要任务. . . .31.3.2 后置处理技术发展.31.33 国内后置处理技术研究现状.41.4 课题的研究内容及意义.42. 五轴加工编程及后置处理算法.52.1 五轴数控加工工艺有关内容.52.1.1 刀具选择.5 2.1.2 切削用量的选择.62.1.3 五轴加工编程刀具轨迹生成.82.1.4 刀位干涉处理.112.2 本章小结.143五轴数控加工仿真几何模型的建立. .15 3.1 三维实体表示方法概述.15 3.1.1 线框图表示法.15 3.1.2 边界表示法. .164 凸管模型数控加工. .17 4.1建立制造模型. .17 4.2 体积块加工 . .17 4.3 曲面铣削精加工 . . . .21 4.4后置处理生成程序. . .24结 论. .25参考文献.26致 谢. .271. 绪论五轴数控技术是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术1。在复杂曲面的高效、精密、自动化加工方面，五轴联动加工更是具有三轴加工所不能比拟的的优势。主要体现在以下几个方面:1)五轴加工可有效地避免刀具千涉，加工三轴机床难以加工的复杂零件;2)对于直纹面的加工，五轴加工可以采用侧铣的方式一刀成型，加工质量和加工效率高;3)五轴加工可以实现一次装夹、多面多工序加工，容易保证产品精度;4)五轴加工中刀具相对于工件具有良好的切削状态;5)对于加工空间受到限制的通道加工和组合曲面过渡区域加工，五轴加工可以选用较大尺寸刀具避开干涉进行加工，刀具刚性好3。因此，五轴加工技术一直是数控加工领域内国内外学者的研究热点之一15。并且，也一直受到西方国家对我国的技术封锁。因为许多先进武器装备的制造，如飞机、导弹、坦克等的关键零件，都离不开高性能数控机床的加工。五轴编程技术是五轴加工技术的关键问题之一。在此对数控编程技术的各方面内容做一简单概述。1.1数控编程技术的发展历程20世纪50年代，美国麻省理工学院 (MIT)设计了一种专门用于零件数控加工程序编制的语言APT(Automatically Programmed Tools)。其后MIT组织美国各大飞机公司共同开发了APTII。到了60年代，在APTII的基础上研制的APTIII已经到了应用阶段。以后又几经修改和充实，发展成为APT.IV，APT.AC和APT一IV/SS。APT能处理二维、三维铣削加工，但较难掌握。为此，在APT的基础上，世界各国发展了带有一定特色和专用性更强的APT衍生语言3。1972年，美国洛克西德加里福尼亚飞机公司首先研究成功采用图像仪辅助设计、绘图和编制数控加工程序的一体化系统以DAM系统。1975年，法国达索飞机公司引进CADAM系统，为己有的二维加工系统CALIBRB增加二维设计和绘图功能，1978年进一步扩充，开发了CATIA系统。随着计算机处理速度的发展和图形设备及，数控编程系统进入了CAD/CAM一体化时代3。目前应用较为广泛的数控编程系统有APT一IV/SS、CADAM、CATIA、EUKLID、UGNX、INTERGRAPH、Pro/Engineer、MasterCAM、Cimatron E、Edge CAM等。我国西北学、华中科技大学等开发的图形编程系统如NPU/GNCP和InteCAM也具有两轴加工和雕塑曲面多轴加工等功能，达到了实用化程度。1.2数控编程技术的关键技术1.零件几何建模要完成复杂零件的数控加工编程，必须要用自动编程软件来实现。其首节是建立被加工零件几何模型3。复杂形状零件几何建模的主要技术内容包线曲面创建及编辑技术、实体建模技术和特征建模技术等。2.加工方案及工艺参数的合理选择加工方案的确定及工艺参数的选择，直接决定着数控加工的效率和质量中刀具、刀轴控制方式、走刀路线和进给速度的自动优化选择与自适应控制年来所研究的重点问题3。3.刀具轨迹生成刀具轨迹生成是复杂形状零件数控加工中最重要同时也是研究最为广泛的内容，能否生成有效的刀具轨迹直接决定了加工的可能性、质量和效率。轨迹生成的首要目标是使所生成的刀具轨迹能满足:无干涉、无碰撞、轨迹切削负荷光滑并满足要求、代码质量高、代码量小等条件3。4.数控加工仿真零件实际加工之前，对所编制的数控加工程序进行加工仿真验证是十分的，特别是在多轴加工编程中，其作用更为突出。由于多轴加工中刀具相对件运动的复杂性，所生成的加工程序在加工过程中有可能会出现过切与欠切涉与碰撞等问题。数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径与材料切程来检验并优化加工程序3，可以有效地避免上述问题，提高编程效率与质量。5.后置处理后置处理是数控编程技术的一个重要内容，它将CAM系统生成的不包含具体机床和数控系统信息的刀位数据转换成能够控制特定机床运动的数控加工程序。有效的后置处理对于保证加工质量、效率与机床可靠运行具有重要作用3。1.3后置处理技术概述数控机床的各种运动都是执行特定的数控指令的结果，完成一个零件的数控加工一般需要执行一连串的数控指令，即数控程序。在以M系统中，考虑到具体机床的结构和系统不同以及以M编程的独立性，其自动生成的是相对于工件坐标系的刀位文件，这个过程称为前置处理。前置处理产生的刀位文件不能用于驱动数控机床的运动。因此，这时需要设法把刀位文件转换成特定数控机床能够识别并且能够执行的数控程序，这个过程称为后置处理2。1.3.1后置处理的主要任务后置处理的主要任务包括以下几个方面3:1.机床运动变换五轴数控编程生成的刀位文件中的刀位数据，是刀具相对于工件坐标系的刀心位置和刀轴矢量数据。机床运动变换的作用就是根据具体的机床运动结构将刀位文件中的刀位数据转换成为机床各运动轴的运动数据。2.非线性运动误差校验CAM系统进行刀位数据的计算时，是使用离散直线来逼近工件轮廓。加工过程中，只有当刀位点实际运动为直线时，才能与编程精度相符合。多坐标加工时，由于旋转运动的非线性，由机床各运动轴线性合成的实际刀位运动会严重偏离编程直线。因此，应对该误差进行检验，若超过允许误差时应作必要修正。3.进给速度校验进给速度是指刀具接触点或刀位点与工件表面的相对速度。在多轴加工中，由于回转半径的放大作用，其合成速度转换到机床坐标时，会使平动轴的速度变换很大，超出机床伺服能力或机床、刀具的负荷能力。因此，应根据机床伺服能力(速度、加速度)及切削负荷能力进行校验修正。4.数控加工程序生成数控加工程序生成是指根据数控系统规定的指令格式将机床运动数据转机床程序代码。后置处理在完成这个过程时，原则上是逐行解释执行，根据文件记录行的类型，来确定是进行针对特定机床的坐标变换还是进行代码转直到刀位源文件结束。1.3.2后置处理技术发展自20世纪50年代由美国麻省理工学院设计APT语言以来，后置处理就成为编程的重要组成部分。在APT中，对于不同的数控系统，编写不同的后置处理由于数控系统种类繁多，机床配置不尽相同，APT的专用后置处理程序达上千多。1980年IBM公司为解决APT刀位源文件的处理推出了DAPP(Design Aid Post Processor)系统，系统包括输入模块、输出模块、数据处理模块等，可以利用它生成所需后置处理。该系统的推出使后置处理系统向通用化发展了一步10。随着CAD/CAM一体化技术的出现及迅速发展。各种CAD/CAM系统的CAM部分配置了通用后置处理(PostPr。cessing)模块。例如UG软件系统采用的UG/Pro/Engineer系统采用的Pro/NC一POST、CATIA软件系统采用的ImsPost，CimaE系统采用的GPPZ等。1.3.3国内后置处理技术研究现状近年来，国内对后置处理理论与技术也进行了深入研究，取得了一定的成果。在通用后置处理技术方面，张利波，周济10提出了一种基于配置文件的式数控编程通用后置处理模型;程筱胜，刘壮10对南京航空航天大学的超人CAD/CAM系统的通用后置处理系统进行了研究，开发了具有交互式图形系统用面的通用后置处理程序;CAXA制造工程师是目前国内应用最广泛的国产CAD/CAM系统，其后置处理功能模块解决了常见数控机床的后置处理10。在后置处理的有关技术方面，刘雄伟13探索了典型配置多坐标数控机床后置处理的算法;陈涛，彭芳瑜，周云飞13提出了适用于任意结构形式的多坐标数控机床运动模型的建立与反求方法，在此基础上建立了对机床几何误差进行补偿的后置变换。韩向利，袁哲俊11对五坐标数控机床的后置处理算法原理和后置处理配置文件参数进行了探索和设计;刘日良、张承瑞10等研究解决了45B轴特殊双转台五坐标数控机床后置处理算法。冯显英、丁勇、耿小强10等也针对特殊双转台结构的机床进行了后置处理算法研究。周艳红、周济12提出了通过后置处理实现数控机床几何误差软件补偿的原理和算法。在针对国外CAD/CAM系统的应用研究方面，明兴祖9介绍了后置处理系统的组成、数控自动编程系统瓶Mastercam后置处理程序的结构及其惯用文件的设定内容，并探索了开发途径，通过操作修改后的后置处理程序，使它能适合其它数控系统的NC程序生成;吕凤民14研究了基于UG/open GRIP下的DMU60M特殊双转台数控机床后置处理程序的开发。李吉平、刘华明在分析五轴数控加工中心基本结构的基础上，给出了涉及多轴数控加工后置处理角度分配和坐标变换的数学模型，以此数学模型为核心，基于Pro/Engineer软件开发了后置处理器。陈辉、王知行10基于UG/Post后置处理器，开发了并联机床的后置处理。1.4课题的研究内容及意义加工编程和后置处理是数控加工技术的重要内容，决定着数控加工质量和效率的发挥。特别是在五轴加工领域，由于刀具与工件相对运动以及机床结构的复杂性，使得编程与后置的实现技术难度更大。针对上述两个方面的问题，本文进行了相应的研究:针对DMG DMU760M型特殊双转台五轴联动加工中心进行了基于Edge CAM软件环境下的后置处理开发,并利用所开发的后置处理程序进行了数控机床加工仿真，验证了五轴编程和后置处理的正确性。本文的研究对于如何提高五轴加工编程质量和解决后置处理问题，具有一定的实际意义。2. 五轴加工编程及后置处理算法2.1五轴数控加工工艺有关内容编制高质量的五轴加工程序，加工工艺的合理确定具有极为重要的作用。五轴加工工艺的内容包括机床选择、刀具选择、走刀路线规划、主轴转速、切削速度和进给速度等3。有关五轴数控机床的内容，已在前面有所阐述，在此不再赘述。现对五轴加工工艺的其它内容作简单介绍。2.1.1刀具选择数控铣削加工中常用的刀具主要有平底立铣刀、端铣刀、球头刀、环形刀、鼓形刀和锥形刀等，根据具体的加工特征选择合理的刀具，是非常重要的。对于各种刀具的使用特点简介如下3:1.平底立铣刀平底立铣刀图2.1(a)所示在多坐标加工中的应用有侧铣和端铣两种方式。侧铣方式主要应用于直纹面的加工，可用其周边切削刃一次成形，加工效率和加工质量高。端铣方式在保证刀具不与型面干涉的前提下，尽可能使平底立铣刀底部贴近被加工表面进行加工，从而改善切削条件，并有效抑止行间残余高度。2.端铣刀端铣刀图2.l(b)所示主要用于面积较大的平面铣削和较平坦的立体轮廓(如大型叶片、螺旋桨、模具等)的多坐标铣削，以减少走刀次数，提高加工效率与表面质量。3.球头刀球头刀图2.1(c)所示加工的刀具中心轨迹是由零件轮廓沿其外法线方向偏置一个刀具半径而成。球头刀球头切削刃上各点的切削情况不一，越接近球头刀的底部其切削条件越差(切削速度低、容屑空间小等)。但是，球头刀对于加工对象的适应能力很强，且编程与使用也较方便，是多轴加工的常用刀具。4.环形刀环形刀图2.1(d)所示主要用于凹槽、平底型腔等平面铣削和立体轮廓的加工，其工艺特点与平底立铣刀类似，切削性能好。5.鼓形刀鼓形刀图2.1(e)所示多用来对飞机结构件等零件中与安装面倾斜的表面进行三坐标加工。鼓形刀也应用于一般表面的多坐标侧铣，而且它比圆柱面或圆锥面侧铣的适应能力强。鼓形刀不适于加工内缘表面。6.锥形刀锥形刀图2.1(f)所示的应用目的与鼓形刀有些相似，在三坐标机床上，它可替代多坐标侧铣加工零件上与安装面倾斜的表面。对于底部狭窄的通道等情况的加工，采用锥形刀可在满足结构空间限制的情况下增加刀具的刚度，从而提高加工效率与精度。 图2.1数控铣削常用刀具2.1.2切削用量的选择1.切削深度在机床动力足够、工艺系统刚度允许的情况下，尽量提高，这是提高生产率的一个有效措施。切削深度的提高会降低刀具使用寿命，但是影响不大。2.切削宽度一般与刀具直径d成正比，与切削深度成反比。经济型数控加工中，一般的取值范围为。切削宽度对刀具寿命的影响同切削深度。3.切削速度提高也是提高生产率的一个措施，但与刀具耐用度的关系比较密切。随着的增大，刀具耐用度急剧下降，故的选择主要取决于刀具耐用度。另外，切削速度与加工材料也有很大关系，例如用立铣刀铣削模具钢时，可采用120m/min左右;而用同样的立铣刀铣削铝合金时，可选80m/min以上。4.主轴转速n(r/min)主轴转速一般根据切削速度来选定。计算公式为: （2.1）式中:d一一刀具或工件直径(mm)数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调(倍率)开关，可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。5.进给速度进给速度应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。的增加也可以提高生产效率。进给速度与每齿进给量有关。粗加工时，每齿进给量的选取主要决定于工件材料的力学性能、刀具材料和铣刀类型。工件材料强度和硬度越高，选取的越小，反之则越大:硬质合金铣刀的每齿进给量应大于高速钢铣刀。而精加工时，每齿进给量的选取要考虑工件表面粗糙度的要求，表面粗糙度要求越高，越小进给速度每齿进给量与转速n之间的关系是: =Zn （2.2）在加工过程中，也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。进给速度的选择，还需要注意零件加工的特殊情况。例如，当加工圆弧时，切削点的实际进给速度并不等于编程数值。加工外圆弧时，切削点的实际进给速度小于编程值。而加工内圆弧时切削点的实际进给速度大于编程值。若刀具半径与圆弧路径的半径接近时，实际进给速度将变得很大，有可能损伤刀具和工件。6.体积切除率 （2.3）式中，一工作台进给量，mm/min; n一机床主轴转速，r/min; z一齿数; 一每齿进给量，mm/r Dc一刀具直径,mm合理选择切削用量的原则是，粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本;精加工时，首先应保证加工质量，兼顾切削效率、经济性。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。粗加工为体积加工，从高的生产率考虑，应在保证刀具耐用度的前提下，使材料的去除率最大，而材料的去除率又与吃刀量(切削深度、切削宽度)、进给速度切削速度等有关。切削用量各要素中，任一要素的增加都会使刀具的耐用度下降，但影响程度不同，影响最大的是切削速度，切削速度稍一提高，刀具寿命就会有明显的降低，其次是进给速度，最小的是吃刀量。为使所选的切削用量使生产率高且对刀具耐用度下降影响最小，一般首先选择尽可能大的吃刀量，其次是确定进给速度，最后根据刀具耐用度确定切削速度精加工主要保证精度，进给速度受表面粗糙度限制，根据刀具耐用度确定切削速度。2.1.3五轴加工编程刀具轨迹生成1.刀具轨迹生成方法五轴数控加工刀具轨迹生成是数控编程的基础和关键，主要方法如下:l)参数线法曲面参数线加工方法如图2.2所示是多坐标数控加工中生成刀具轨迹的主要方法，特点是切削行沿曲面的参数线分布，即切削行沿u线或v线分布，适用于网格比较规整的参数曲面的加工。该算法的优点是计算方法简单，速度快;不足之处是当加工曲面的参数线分布不均匀时，切削行刀具轨迹的分布也不均匀。 图2.2 参数线加工刀具轨迹分布2)截平面法截平面法加工方法如图2.3所示是采用一组截平面去截取加工表面，截出一系列交线，刀具与加工表面的接触点就沿着这些交线运动，完成曲面的加工。截平面法使刀具与曲面的切触点轨迹在同一平面上。该方法对于曲面网格分布不太均匀及由多个曲面形成的组合曲面的加工非常有效，可以使加工轨迹分布相对比较均匀，可使残留高度分布比较均匀，加工效率也较高。 图2.3 截平面法加工的刀具迹 a)绕z轴旋转的截平面 b)平行于x轴的截平面 c)任意角度截平面3)回转截面法回转截面法加工方法如图2.4所示是采用一组回转圆柱面去截取加工表面，截出一系列交线，刀具与加工表面的接触点就沿着这些交线运动完成曲面加工。一般情况下，回转圆柱面的轴心线平行于Z坐标值。 图2.4回转截面法加工的刀具轨迹4)投影法投影法加工方法如图2.5所示是使刀具沿一组事先定义好的导动曲线(或轨迹)运动，同时跟踪待加工表面的形状。导动曲线在待加工表面上的投影一般为触点轨迹，也可以是刀尖点轨迹。切触点轨迹适合于曲面特征的加工，而对于有干涉面的场合，限制刀心点更为有效。由于待加工表面上每一点的法矢方向均不相同，因此限制切触点轨迹不能保证刀尖点轨迹落在投影方向上，所以限制刀尖点容易控制刀具的准确位置，可以保证在一些临界位置和其他曲面(如干涉面)不发生干涉。 图2.5投影法加工的刀具轨迹2.刀轴控制方式3多坐标数控加工不同于三坐标数控加工，在加工过程中其刀具轴线(刀轴矢量)是不断变化的。并且，根据机床配置型式的不同，其刀具轴线的变化方式也不同。但是，在刀位文件的刀位数据计算过程中并不考虑具体机床的结构，而是相对于统一的工件坐标系进行计算。多坐标数控加工的刀位数据由工件坐标系中的刀位点位置数量和刀轴矢量组成。刀轴矢量控制方式可在局部坐标系内进行描述。如图2.6所示，为基于前倾角a和倾斜角r的一般刀轴控制方式。 图2.6倾斜轴刀轴控制方式图中，(a，v，n)为曲面在切削点的局部坐标系。a为曲面上切削点处沿进方向的单位切失，n为曲面上切削点处单位法失，v=。前倾角a为刀轴矢量垂直于进给方向的平面所成角度，可在端铣加工凹面时防止干涉。倾斜角r为刀与曲面法矢的夹角，不属某个截面，位于以法矢为轴线，r为顶角的圆锥上，但可由r角及指定沿走刀方向的左右侧来确定刀轴的空间方向。根据前倾角a和倾斜角r的不同，可得到两种特殊情况下的刀轴控制方式:l)垂直于表面端铣(a=r=0)垂直于表面端铣方式是使刀具轴线始终平行于各切削点处的表面法矢，由刀具底面紧贴加工表面来对切削行间残余高度作最大限度的抑止，以减少走刀次数和获得高的生产效率。该方式一般用于大型平坦的无干涉凸曲面端铣加工16。2)平行于表面侧铣(r=90)平行于表面侧铣方式是指刀具轴线或母线始终处于各切削点的切平面内。这种方式的重要应用是直纹面的加工，由圆柱或圆锥形刀具侧刃与直纹面母线接触，可以一刀加工成型，效率高而且表面质量好16。 2.1.4刀位干涉处理1.干涉的产生3五坐标加工中刀具干涉可分为端铣干涉和侧铣干涉。按照与零件发生干涉的刀具部位的不同，存在刀具头部干涉和刀杆干涉两种情况。l)端铣加工时的刀具干涉端铣加工时，刀具头部干涉如图2.7所示是主要的干涉方式，在曲面的内凹区域和组合曲面的过渡区域附近加工时都可能出现。在加工一些异型结构零件和加工通道类、复杂型腔类等具有约束面的零件时则容易出现刀杆干涉如图28所示。 图2.7 端铣刀具头部干涉 图2.8端铣刀杆干涉2)侧铣加工时的刀具干涉侧铣加工时刀杆干涉如图2.9所示是主要形式。以直纹面加工为例，当被加工表面不可展时，刀杆干涉是不可避免的。因此，这种情况下侧铣本身就是一种近似方法，其问题的关键在于如何处理刀具干涉以满足加工精度要求。 图2.9侧铣刀杆干涉 图2.10侧铣刀头干涉2.干涉的避免方法3l)端铣加工刀具干涉的避免 在五坐标端铣加工出现干涉时，调整刀位数据(即刀具位置与方向)以避免干涉的方法有:轴向移动法如图2.11(a)所示和轴线摆动法如图2.11(b)所示。 图2.11端铣干涉刀头避免 a)轴向移动法 b)轴线摆动法轴向移动法是使刀具沿着刀轴方向移动到一新的位置，以使刀具与加工表面(离散多面体)相切触且不再存在干涉。该方法的主要优点是算法较简单，但是该方法未能发挥五坐标加工可调整刀轴方向的优势，在避免过切的同时又将导致一定程度的欠切，因此一般只在用轴线摆动法难以避免干涉的情况下使用。此外，对于球头刀加工，其刀头部位干涉则只可能用轴向移动法来避免。轴线摆动法则是保持刀具接触点不变，而通过摆动刀具轴线到一新的方向，以使刀具与加工表面相切触且不再存在干涉。由于刀具切触点不变，因此该方法在避免过切的同时不会产牛欠切。因此，它是五坐标加工中避免刀具干涉的较理想的方法，且在刀杆干涉时也只能用轴线摆动法进行处理，如图2.12所示。 图2.12轴线摆动法避免刀杆干涉2)侧铣加工刀具干涉的避免五坐标侧铣加工刀具干涉避免有三种方法:轴线平移、轴线摆动和轴向移动。其中轴线平移和轴线摆动用于处理刀杆干涉，而轴向移动用于处理刀头干涉。轴线平移方法如图2.13所示是使刀具在垂直于刀轴的平面内沿某一方向(如曲面法失方向)平移到一个新的位置，以使刀具与加工表面相切接触或使在整个刀具切削长度内的加工误差分布满足给定精度要求。该方法计算简单，但是有可能产生较大欠切。轴线摆动方法与端铣加工时类似，但其目的是要使得在整个刀具切削长度内的加工误差分布均匀且最大误差满足给定精度要求。由于算法复杂，目前只是针对特定的加工对象和加工方式进行一定程度的处理，例如在加工不可展直纹面时采取的双点偏置法和多点偏置法。 图2.13轴线平移法避免刀杆干涉2.2本章小结 高质量的五轴加工编程对于实现高质、高效的五轴数控加工至关重要。本章首先介绍了五轴加工编程工艺的有关内容，包括刀具选择、切削用量确定、刀路轨迹生成方法以及干涉的产生和避免方法。其次讨论了对双转台型、双摆头型以及特殊转台配置型式机床的后置处理算法。特别是特殊运动轴旋转方式数控机床后置处理算法的讨论，不仅有助于加深对机床运动学的理解，还可以为其它类型运动轴旋转方式的数控机床的后置处理提供一定的解决思路。3 五轴数控加工仿真几何模型的建立 所谓仿真，就是用模型代替实际系统进行的试验和研究，它的最基本和最重要的步骤就是建立数学模型。通过数学建模对现实世界中存在的复杂的实体及实体的关系进行抽象和简化，得到系统的基本特征和实体的基本属性或特点，忽略其次要的属性，并通过这种简化建立一定的数学表示方法和数据结构来描述实体的基本属性及实体间的相互关系。本文所涉及的数控加工仿真就是通过计算机在屏幕上模拟出刀具对工件的加工过程，因此建模的关键就是要为这个加工过程建立一套可以被计算机接受并表示的数据结构。3.1 三维实体表示方法概述3.1.1 线框图表示法 早期的计算机图形生成技术中，三维物体大多是用线框模型来表示的。线框模型是由定义一个物体边界的直线和曲线组成，每一条直线和曲线都是单独构造出来的，并不存在面的信息。由于它具有表示方法比较简单和运算速度快的优点，在早期数控加工仿真和验证中得到了应用。但是，单一的线框模型存在着几个不可克服的缺陷；（1） 用线框模型表示出来的三维物体常常具有二义性；（2） 表示空间实体的线框模型也易于构造无效形体；（3） 线框模型不能正确表示曲面信息。由于存在这些问题所以线框模型应用并不广泛。3.1.2 边界表示法 边界表示法(Boundary Representation ，B-rep)也是一种出现比较早的几何建模方法，它的基本思想是把物体定义为封闭的边界表面围成的有限空间，这样一个形体可通过它的边界即面的子集来表示。而每一个面又通过边、边通过点、点又通过三个坐标值来定义。因此边界表示法强调的是形体外表细节详细，记录了构成几何形体的所有几何、拓扑信息，其模型中的数据结构如图2.1所示是一个网状结构。 边界表示法的优点在于含有较多的关于面、边、点及其相互关系的信息，这些信息对于工程图绘制及图形显示都是十分重要的，并且易于同二维绘图软件衔接和同曲面建模软件联合应用，此外，这种方法便于通过人机交互方式对物体模型进行局部修改。但是有关物体生成的原始信息，即它是由哪些基本体定义的，是怎样拼合而成的，在边界表示法中无法提供，同时描述所需信息量较大并有信息冗余。 在数控加工仿真中，直接利用边界表示法来作为几何造型方法的几乎没有，更多使用的是一种可以认为是从边界表示法演变而来，或者说它就是属于边界表示法的一种方法，一种被称为三角片离散法的方法，也有的学者将这种方法称为Z-map结构。这种方法仅仅针对于三轴的数控铣削仿真。在三轴数控铣床加工中加工工件有以下特点：（1） 只有毛坯的上表面才是加工表面；（2） 平行于刀轴的一条直线与被加工的毛坯的上表面有且仅有一个交点。三角片离散法将上表面离散为均匀点阵，再将这些点阵连接成三角网格。在加工仿真过程中，通过不断修改上表面点阵的高度，再对三角网格进行真实感渲染，以此实现数控加工仿真时材料的去除过程。 使用三角片离散法进行数控加工仿真，对于三轴仿真来讲，这是一种不错的选择，它有简单、高效和易于实现等优点。但是其缺点也是显而易见的，它只适用于三轴铣削对多于三轴的铣削仿真无能为力，而且在对仿真的精度要求较高或者仿真的模型较大时，由于三角网格数目的增大，会影响动态显示的速度减少离散点可以加快仿真速度，但是以牺牲仿真精度和图像的显示质量为代价。 4.圆管凸模数控加工 4.1 建立制造模型。 图4.1 圆管凸模 1.利用原件放置操控板，选择约束类型为缺省，然后单击原件放置对话框上的确定按钮。 2.创建工件，具体步骤如下。 a.单击右侧制造单元工具栏自动工件，打开操纵版，选中创造矩形工件。 b.单击右侧选项按钮，设计矩形的尺寸。 4.2体积块加工 (1) 单击上面NC铣削工具栏的体积块粗加工，弹出NC序列菜单，依次选择序列设置、刀具、参数、退刀曲面、窗口、完成、命令。（2） 刀具设置，具体操作步骤如下。系统自动打开刀具设定对话框设定刀具参数如下图。 图4.2 刀具设定及设置(3) 加工参数的设置。系统自动打开编辑序列参数对话框，设定铣削参数如下图所示。 图4.3编辑序列参数、体积块加工（4）刀具路径演示，具体步骤如下。在NC序列菜单中依次选择菜单播放路径、演示命令，如下图。 图4.4刀具演示路径 （5）刀具路径检查。在NC序列中依次选定播放路径、NC检查命令，系统弹出下图所示的VERICUT对话框，系统进入切削动态模拟状态，并显示加工完成后的效果。 图4.5vericut切削检查4.3曲面铣削精加工（1） 单击上面NC铣削工具栏上的曲面加工按钮弹出加工轴菜单选择5轴，在弹出的NC序列菜单中依次选择序列设置，刀具，参数，曲面，定义切削，轴定义，完成。（2） 刀具设置具体步骤如下图 图4.6精加工刀具设定（3）加工参数的设定系统自动打开编辑序列参数曲面铣削对话框，设定铣削参数如下图收示。 图4.7曲面铣削序列参数（4） 刀具路径检查。在NC序列菜单中依次选择菜单播放路径，NC检查命令，系统弹出如图对话框，单击播放，系统进入切削动态模拟状态，并显示加工完成后的效果。 图4.8vercuit切削检查 4.4后置处理生成加工程序（1）选择下拉菜单编辑，CL数据，输出命令，弹出选取特征菜单选择操作-OP010，在弹出的轨迹菜单中选择文件选项，弹出输出类型菜单，选择CL文件，交互，完成，系统弹出保存副本对话框使用默认的文件名OP010.ncl单击确定完成CL文件创建。（2）选择选择下拉菜单工具，CL数据，后处理命令，系统弹出打开对话框，选择上一步创建后处理文件OP010.ncl。 (3)在弹出后置处理选项菜单中选择详细跟踪，在弹出后置处理列表菜单中选择UNCX01.P11，在系统弹出命令提示符窗口输入程序号1000后，系统自动在后台进行后置处理，后置处理完成后NC代码存放在OP010.ncl。 (4)在当前目录下们用记事本程序打开保存的OP010.ncl文件。则生成数控加工程序。 结 论五轴加工领域，由于机床结构的多样性和机床运动的复杂性，对于后置处理和加工编程的实现，技术难度较大，特别是后置处理己成为机床效率发挥的制约因素。本课题针对五轴机床后置处理和五轴编程的实现，主要进行了以下几个方面的工作:1、分析讨论了多种配置类型的五轴数控加工中心后置处理坐标变换算法，特别是45度斜B轴特殊双转台五轴机床的坐标变换算法，不但有助于加深对机床运动学的理解，还可以为推导其它特殊配置形式五轴机床的后置处理算法提供一定的解决思路。2、针对45度斜B轴特殊双转台五轴机床，通过两种手段进行了后置处理开发。一是基于Pro/E辅助模块进行了后置处理开发，一是基于五轴机床坐标变换算法采用。语言编写了专用后置程序。3、综合运用课题所涉及的五轴加工编程工艺的有关内容，特别是刀路轨迹生成以及干涉避免的方法。本课题虽然在五轴加工后置处理和五轴编程方面进行了一定程度的研究，但是由于五轴加工的复杂性，在后置处理和五轴编程方面还有很多需要解决的问题。比如，后置处理过程中非线性误差补偿等问题;五轴加工编程中考虑到加工效率和刀具寿命等问题的工艺优化等问题，都是需要进一步进行广泛学习和深入研究的内容。参 考 文 献1全荣.五坐标联动数控技术.长沙:湖南科学技术出版社，1995.2刘雄伟.数控加工理论与编程技术.北京:机械工业出版社，2003.3周济，周艳红.数控加工技术.北京:国防工业出版社，2002.4刘雄伟，张定华等.数控加工理论与编程技术.北京:机械工业出版社，1994.5王隆太.机械CAD/CAM技术.北京:机械工业出版社，2004.6孔庆复.计算机辅助设计与制造.哈尔滨工业大学出版社，1997.7唐荣锡，汪嘉业等.计算机图形学教程.北京:科学出版社，2001.8李明雪，刘小川等.EdgeCAM12.0基础与实例教程.北京:化学工业出版社,2008.9李云龙，曹岩.数控机床加工仿真系统VERICUT.西安:西安交通大学出版社，2005.10吕凤民.后置处理算法及基于UG/即Open GRIP下的程序开发.大连理工大学硕士学位论文.2005.11丁勇，耿小强，陈刚一种特殊结构的五轴数控机床的后置处理算法与软件实现.CAD/C枷与制造业信息化，2005，l:77.78.12冯显英，葛荣雨.五坐标数控机床后置处理算法的研究.工具技术，2006，40(4):44-46.13刘日良，张承瑞，宋现春，刘战强，艾兴.5轴数控机床坐标系统的一个特例及其后置处理，2005，40(4):44-46.14邓奕，彭浩炯，谢骇.CAM后置处理技术研究现状与发展趋势.湖南工程学院学报，2003，40(4):44-46.15何永红，齐乐华等.双转台五轴数控机床后置处理算法研究.制造技术与机床，2006，40(4):44-46.16C.Lartigue，E.Duc，A.Affouard.Tool path deformation in 5.axis flank milling usingenvelop surface.Computer.Aided Design，2003，35:375.382.17Yen.Hung Chen，Yuan.Shen Lee，and Shu.Cherng Fang.Optimal cutter selection andmachining Plane determination for Process Planning and NC machining of complex surface.Journal of Manufacturing 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