基于MasterCAM双摆台五轴后处理的定制及仿真验证

郝巧梅 江 洁

(①鄂尔多斯职业学院，内蒙古 鄂尔多斯 017000;②武汉职业技术学院，湖北 武汉 430074)

双摆台五轴机床是五轴加工中应用较为普及的一种结构类型，通常有BC和AC两种配置形式。使用MasterCAM Xn设计五轴加工刀路后，虽然可借助其内嵌的刀路仿真或机床仿真模块检查刀路效果，但这种检查是在没有生成NC程序的状况下进行的，可以说它与实际机床系统中的应用还存在一定的距离。在其默认的后置处理样例中已经有针对FANUC系统BC结构形式的PST档［1］，但由于五轴加工涉及的空间概念复杂，由自动编程获得的程序坐标数据难以直观地进行判断，因而对其后置得到的程序是否合理可用往往没有信心，若自用的机床为AC结构形式，要定制修改后置文档并进行评判更难以把握。本文从简单五轴钻孔节点坐标的手工计算着手，结合MasterCAM Xn版双摆台五轴加工后处理的定制修改，比对程序数据，并借助VERICUT仿真验证探讨其合理性。

1 双摆台五轴钻孔节点坐标的手工计算

如图1所示为一箱体工件的工程图样，其上φ50mm、φ20mm、φ18mm三个孔需要通过五轴控制机床来加工。工件在五轴AC双摆台上装夹如图2所示，装夹定位时使工件坐标系原点与工作台回转中心重合，即工件底面中心在C轴回转轴线上。

五轴钻孔加工时，如果以A轴摆转90°，先加工φ50的孔后，再使C转台逆时针转动60°加工φ20mm的孔;提刀安全退出并使A、C返回零位后，再以C转台顺时针旋转45°，A轴向上摆转60°后加工 φ18mm的孔。各孔位坐标关系计算如下:

(1)加工 φ50mm 的孔时，A=90°，C=0°，X=0;Y、Z坐标可按图3所示几何关系计算得出。Y=100+125+165=390，Z=165+100 －125=140。

(2)加工 φ20mm 的孔时，A=90°，C= －60°，但相对回转中心的坐标原点在X方向有一定的偏置，该偏置值可由图4所示几何关系，利用三角函数进行计算。

在图4所示直角三角形OAB中，斜边OB=100，∠AOB=60°，AB=100 ×sin60°=86.603。则转台逆时针转动60°后φ20mm孔的X坐标值为:X=86.603－62.5=24.103。Y坐标与φ50mm孔相同，即Y=390。而Z坐标的计算必须先由图4计算出OD线长。

(3)从图1中知，在A、C轴为0时，φ18mm孔的中心点坐标为(81.25，－81.25，184.69)。从图2知，工件坐标系的原点(工作台面中心)离A轴的距离为Y=165，Z=125。当按工作台 C轴顺时针旋转45°，A轴向上旋转60°后加工该孔时，其孔中心点的坐标可按图5的几何关系计算。

表1 双摆头C+A五轴主要参数设置及含义解析

则回转后φ18mm孔中心点D'的坐标为:

2 双摆台五轴后置的参数定制与修改

MasterCAM Xn版PST文档的五轴参数主要集中在5 Axis Rotary Settings区段中设置［2］，包括旋转轴代码、各轴零位及正方向、摆台五轴类型设置、轴间偏置数据设置等参数。以Generic FANUC 5X Mill.pst后置处理文档为蓝本，按前述C+A模式对双摆台五轴进行主要设置参数的修改，见表1所示。

3 双摆台五轴钻孔自动编程的坐标数据比对

在MasterCAM Xn版中，对图1所示工件建模并按点钻－2mm深、提刀R面高于孔口表面10mm设计五轴钻孔加工的刀路，使用以上定制修改确立的后处理档，可自动编制得到如下NC程序:

通过对该程序识读解析，并与前述手工节点计算的结果进行比较，不难看出，自动编程的NC程序中各孔中心的五轴坐标数据与手工节点计算结果完全一致。更改钻孔深度数据时，其孔位的X、Y坐标不变，仅Z深度变化，更改偏置距离时将会引起X、Y、Z数据的变化但A、C角度不变，更改A、C零位及旋向时各轴数据都会产生变化。由此可初步判定，以上双摆台五轴后处理参数的定制修改是合理可行的。

4 VERICUT的仿真验证

为验证程序与数控系统的适应性，我们借助VERICUT软件，以doosan_vmd600.mch为五轴机床模型，选用FANUC31i数控系统，第一家族按X→Z→主轴→刀具的逻辑关系，第二家族按Y→A→C→附件夹具→毛坯的逻辑关系构成AC双轴摆台式五轴机床，并以Y165、Z－125调整AC摆台的轴间偏置，整个机床模型的逻辑关系如图6所示。接着添加钻头刀具并导入上述NC程序，调入用MasterCAM实体建模后转换生成的STL毛坯模型，然后执行机床加工仿真，即可以得到期望的加工效果。若更改调整MasterCAM后置中Y、Z偏置数据后重新生成NC程序，并在VERICUT中对AC的轴间偏置做相应调整，同样可得到期望的加工结果，由此进一步验证了前述定制修改双摆台后处理参数的合理可行性。

5 结语

对CAM软件而言，在未输出程序之前的五轴加工刀路设计与采用何种机床无关，通过其内嵌的仿真验证能一定程度检查走刀路线的合理性，但其与机床系统及其五轴结构模式是否匹配，仍存在很大程度的不确定性，这与后置设置合理与否是分不开的。对一个成熟的CAM软件而言，其五轴坐标数据的算法本身应该是可信的，后置中也通常提供有适应各类机床结构模式的相关参数项设置供用户修改。只是由于五轴坐标数据涉及的空间概念让编程者无法直观快捷地对NC程序进行判定，因此对后置设置的修改结果信心不足，从而在很大程度上制约了五轴技术的应用。本文所介绍的简单的五轴钻孔案例，对具有常规编程基础的用户来说，从计算其孔位节点坐标着手不难手工编制出其加工用NC程序，在此基础上再进行CAM五轴后置的定制修改，对修改后所输出的程序中关键坐标数据比对一下即可判定其合理性。对于成熟的CAM软件而言，只要五轴钻孔自动编制的程序得以验证通过，其他基本线圆插补、合理设计下的曲面铣削等程序数据均应无原则性错误，甚至都不需要借助VERICUT多轴仿真软件来验证。至于因刀路设计的不合理导致干涉碰撞的产生，应该说与后处理机床配置方案修改的合理性无关，刀路设计的合理性及干涉碰撞可能性的判定，则必须借助像VERICUT这种面向程序的多轴仿真软件做进一步的验证［3］。

［1］孟凡秋.MasterCAM后处理数控加工程序的修改［J］.模具制造，2007(4):11－12.

［2］唐进元，尹风.基于MasterCAM的三大类型五轴机床后处理程序编制方法［J］.制造技术与机床，2010(8):32－38.

［3］胡宁国.VERICUT仿真加工软件对制造业的重要作用［J］.航空制造技术，2004(2):101.