基于UG POST的卧式双工位四轴加工中心后处理定制

王钧，李玮，李小鹏，郭志伟，魏新宇，刘斌

(1.西南林业大学机械与交通学院，云南昆明 650224；2.中铁二十二局集团第三工程有限公司，福建厦门 361000)

0 前言

具备双工位的四轴联动加工中心，能实现任意空间的四轴联动加工，并且具备双工位，在第一次加工完成以后能够换至另外一个工位，减少了装夹时间。其性能优良、工艺广泛、精度高、可靠性高、生产率高。在工件一次装夹后可连续完成铣、镗、钻、扩、铰及攻丝等多种工序的粗加工和精加工。特别适合于箱体零件、盘件、模具等复杂零件的加工，是航天、航空、军工、汽车、环保、模具等机械制造工业的理想加工设备。

但是在此类机床的使用过程中，除了能够正常运行四轴联动插补和进退刀动作以外，还存在着加工坐标差异性、避让平面不同、双工位切换安全判断等问题。除此以外机床的旋转轴为机床底座，由于底座较大，所以使用的是双导程涡轮蜗杆减速器，由于卧式加工中心底座受力较大，在四轴联动和不联动的情况下，分别需要配合锁定和松开指令，并且锁定四轴和不锁定四轴时机床的底座高度还会发生变化。而上述问题需要在数控编程后的后处理中通过专门定制命令实现其功能。

1 卧式加工中心介绍

以沈阳机床厂生产的TH6350加工中心为研究对象，该机床结构示意如图1所示，其X轴行程为800 mm，Y轴行程1 600 mm，Z轴650 mm，以上3个轴的最大进给速度为10 000 mm/min，重复定位精度为0.08 mm。旋转轴B绕Y轴旋转，能够实现360°连续旋转，最小分度为3°，最大进给速度为5 rad/min。该机床配备了交换站，交换站可以通过升降旋转的方式将两个工作台进行互换。除此以外，机床配备了32把BT50的刀库，机床可以自动进行刀具的更换[1]。

如图2所示，双导程蜗轮蜗杆将旋转的运动传输到工作台上。由于工作台本身质量比较大，再加上工件的安装导致质量更大，多导程的蜗轮蜗杆反向自锁性不强，如果不联动加工，机床的底座势必会在切削力的作用下发生转动，影响加工精度。为了克服上述问题，卧式加工中心的工作台必须有以下两种位置：

图2 工作台结构示意

(1)不需要四轴联动加工时，工作台夹紧机构中的定位销固定，并且夹紧机构锁死，此时工作台只能移动，不能旋转。

(2)当需要四轴联动时，夹紧机构打开，定位销下落，滑座在液压动力下将工作台顶起，此时工作台不受定位销的限制，可以旋转。

工作台在上升和下降两种情况下Y方向的数值差距有15 mm，如此巨大的误差是数控精密加工不允许的，所以在加工时需要先判断需不需要四轴联动，然后将底座调整好，再对刀工作，从而避免误差。

2 后处理核心解决的问题

卧式加工中心由于其结构方式和立式加工中心完全不同，导致了加工过程中的危险系数也显著提高，其中卧式加工中心的四轴联动和立式机床的联动轴方向以及联动方式都不一样。其次，由于工作台上升下降两种情况导致的高度差异，所以需要在后处理中判断是否需要四轴联动。除此以外，旋转轴和托盘站在回原点时会发生碰撞，还有当卧式加工中心在加工内凹产品时如果停止所有程序会导致底座下落、撞坏刀具和工件等问题都是此次后处理定制的主要困难[2-3]。

2.1 整体插补及其运动问题

程序运动分为两部分：一部分为实际参与加工的路径；另外一部分为辅助运动路径，用于帮助其进退刀、移动刀具。在后处理中，需要将整个运动轨迹串联起来，最终形成整个加工刀轨。图3所示是整个后处理的逻辑图，其中包括机床的直线运动和旋转运动的参数设置；刀具的进刀参数设置，包括进给方式、速度配比、刀轴优先程度；辅助加工代码在程序中起辅助作用，配合定义机床指标如公制、补偿是否打开等；程序头%和程序的行号等是程序的既定规则，需要按照机床的要求进行设置；G代码和M代码用于驱动机床内部寄存器的程序完成相应动作。完成上述以后才能根据软件中的刀具路径设置插补代码；其中后处理还需要考虑到退刀危险等情况，整个后处理的插补需要对整体逻辑完成构建[4-5]。

图3 后处理整体逻辑图

2.2 自动判断四轴联动

如图4所示，当需要四轴联动时底座会在液压驱动下上升，当不需要四轴联动时底座会固定在原位置。由于上升导致的位移偏差需要在对刀时就解决，否则会出现坐标偏差。所以在后处理中需要能够自动判断程序是否需要进行四轴联动，从而输出底座是否联动的指令，提前做好对刀工作，避免误差。

图4 旋转底座位置示意

2.3 回原点时旋转轴和托盘站之间的碰撞

如图5所示，图中的双工作底座中右边的底座已经完成回原点，在正方形的底座上有一块凸出块，图中用红色的1表示，这个块正好可以卡入凹槽限位块中，图中用蓝色的2表示；而左边的底座还没有卡入凹槽中。这样的结构是为了保证旋转底座和机床整体保持固定的旋转角度回原点而设计的。

图5 旋转座回原点示意

但是上述设计不可避免地会出现回原点时旋转轴和托盘站之间的碰撞问题。从图5可以看出：当B轴也就是机床旋转底座回原点时，必须使底座的凸块准确地朝向凹槽，并且需要B轴先旋转到位，再做Z轴的回原点动作。如果不按以上顺序回原点，则凸块不能正好插入凹型定位块中，很可能和托盘站或者和凹型定位块发生碰撞，严重的会造成机床的损坏。该问题是在卧式加工中心的后处理中需要解决的重点问题。

2.4 发生错误加工后的暂停风险规避

在实际加工中，在加工内凹工件时，如果出现加工到一半突然发现问题、需要停止加工的时候，一般会按下机床的RST键，但是一旦按下这个按钮，首先机床会停下来，最主要的是，如果此时处于四轴联动和内凹件加工，一旦按下停止按钮以后，上述讲到的液压为动力将底座抬起的功能也会取消，然而此时刀具如图6所示还插入在内凹件的腔体内部，一旦此命令取消底座下落就会撞到刀具，轻则断刀，重则主轴受损。一般卧式加工中心都在百万左右，会造成巨大的损失。

图6 暂停加工风险规避情况示意

2.5 RTCP输出加工中心位置数据

在实际的四轴联动加工中涉及到刀尖跟随(RTCP)问题，在四轴加工中编程的工件坐标位置必须要和机床的回转原点保持一致。如图7所示，X、Y、Z坐标表示机床的旋转原点(理论坐标)，XC、YC、ZC为工件的实际坐标。一般来说四轴加工机床都不具备自动RTCP功能[6-7]，所以在装夹时工件坐标必须尽量和理论坐标保持一致，在后处理中能够自动输出工件的位置坐标对于机床加工具有很重要的辅助作用。

图7 实际坐标和理论坐标示意

3 后处理定制

3.1 整体插补及其运动定制

如图8所示，整个后处理的逻辑指令包括4个部分：起始动作、机床控制、机床运动、返回动作，4个部分中包含着机床整体运动的必要包含参数。在整体的参数运动过程中要定义某个指令需要用到TLC语言进行命令[8-9]，此部分篇幅较大，属于基础部分，本文作者将核心模块代码使用图标进行罗列。

图8 后处理整体插补运动指令逻辑图

如：定义出发点移动需要用到TCL语言命令(global mom_feed_rate mom_feed_rate_per_rev mom_motion_type mom_kin_max_fpm)声明出发点移动的位置和速率；(COOLANT_SET ; CUTCOM_SET ; SPINDLE_SET ; RAPID_SET)定制第一次移动的冷却液是否打开、切削坐标位置、主轴转速设定、进给速度设置。

如上述所述的要设置第一次移动需要设置相应的TCL语言，如果整体参数都需要设置则定制程序就会很繁琐，所以后处理构造器将常用的逻辑指令进行了封装，直接调用就可以，所以设置第一次移动直接调用{proc MOM_from_move}命令就可以实现，不必再去写，所有的指令都在图8中展示其调用指令。但是对于一些特殊的命令，依然需要定制。

3.2 判断是否需要四轴联动指令定制

机床的第四轴是否需要四轴联动主要是判断其输出两个机床特定的指令(M55)B轴夹紧和(M65)B轴松开。夹紧时底座处于下落状态，松开时B轴在液压为动力的情况下上升，后处理通过自动判断程序中是否有四轴联动从而自动判断输出M55和M56来实现该功能[10]。

特殊的命令就和上述不一致，需要进行定制。如图9所示：首先声明两个变量为i和1，当判断“Variable-axis Surface Contouring”(变轴曲面轮廓)也就是判断程序中是否有第四轴的运动轨迹，如果存在其数值等于1，则输出第一个命令M55，第四轴锁死；如果不存在则输出第二个命令M65，第四轴松开。

图9 自动判断是否锁死定制命令

3.3 旋转轴和托盘站的碰撞问题

旋转轴和托盘站的碰撞问题主要存在以下2种情况：

(1)回原点时，B轴工作台还没有回到原点，但是Z轴已经到位，还在旋转的B轴工作台上的凸块会和定位槽发生碰撞。

(2)加工物体过大，Z轴的行程过于靠后，加工旋转过程中B轴工作台上的凸块和定位块发生碰撞。

要解决上述问题需要对程序做定制处理。如图10所示，既然B轴和Z轴在回原点时会出现碰撞干涉，在回原点之前对程序做一个判断，首先使用“mom_out_angle_pos(0):＄mom_out_angle_pos(0)”命令声明旋转轴的变量，也就是文中的B轴，完成以后做判断，使用指令if { [info exists mom_prev_out_angle_pos(0)] }当旋转轴先回零以后，再输出set clamp1 G91G30Z0，让Z轴回原点。这样的判断方法就可以解决上述的第一类碰撞问题，但是第二类，如果加工过程中超过行程的碰撞则无法解决，需要再做定制。

图10 避免回原点碰撞定制命令

第二类碰撞情况需要从机床的坐标入手，机床说明书标称机床的Z轴最大行程为650 mm，机床自带光栅尺反馈的行程数据为661.68 mm，到达661.68 mm机床则回到Z轴的机械原点。通过实验测量，当Z轴的坐标达到570 mm左右时B轴一旦旋转，则可能碰撞到限位块。所以根据上述的测试数据如图11所示，使用指令if {＄mom_out_pos(3) >"570."做判断，如果pos(3)Z轴的绝对坐标数值超过570 mm则输出报警(MOM_output_to_listing_device "B轴超过限制，为了避免碰撞，请检查程序")。

图11 报警命令示意

需要注意的是该指令出现在软件编程以后进行后处理时的软件界面上，但是程序依然是会输出的，需要编程者在接收到警报以后自己做判断。该程序无法在机床的数控面板上表示，因为很多国外的数控系统在显示中文时都会乱码，但是只要看到警报就做修改，此种危险亦可避免。

3.4 暂停风险规避

如图12所示，正常四轴联动加工时B轴松开，整体机构上升。如果正在加工时操作人员判断机床加工过程有误，按下RST取消加工按钮，机床的所有程序将全部取消，上述第3.2节中的M65指令也会随之取消，B轴的底座会迅速下落，但是此时加工内凹的工件，刀具还在其凹槽中未拔出，所以此时工件就会和未抽出的刀具发生碰撞，并且这种碰撞非常危险，直径小的刀具可能会折断，如果刀具直径较大可能直接使机床的主轴损坏，造成非常严重的后果。

图12 碰撞情况示意

按照实际加工的严谨思维来看，上述这一类问题没有办法在程序中和后处理中避免，因为程序并不知道操作人员会在何时按下停止按钮，所以在后处理中只能在程序中产生预警提示指令。当加工内凹件时提示操作人员，如果要停止，只能先暂停(pause)，手动将Z轴移出后再做停止(RST)。

这一个提示模块的后处理定制的关键问题就在于如何判断在加工凹型零件。如图13所示，后处理无法判断其属不属于凹型零件，但是从零件特征来看，图13(a)所示的凹型加工由于内部是有材料的，刀具不能直接插入，所以会使用螺旋进刀的方法来减少进刀时的切削力，而图13(b)所示的凸型零件则不需要，所以从这一点入手就可以使用后处理判断零件是不是凹型零件。

图13 凹型(a)和凸型(b)零件刀具路径差别示意

判断是否是螺旋进刀也是比较困难的，因为螺旋进刀也是通过坐标关系表达的，没有直接可以调用和定制的命令。通过长时间实践总结，发现了以下的两个规律。

(1)从逻辑上来看，刀具进刀的时候如果是螺旋进刀则程序中会出现I、J、K指令，如果是凹型则不会。

(2)这段程序只会出现在进刀的这一部分，其余部分不算。

基于上述的两个特征，如图14所示，只在程序进刀的这一个模块定制指令，其余部分不判断，这样就能限制住第二个条件。

图14 凹型进刀判断示意

如图15所示，通过指令if { [string compare "none" ＄mom_sys_helix_pitch_type] } {MOM_force once I J K}判断在上述区间内如果出现了I、J、K，并且通过圆弧进刀插补的程序检测后就可以确定，该程序是凹型程序，如果两者满足则输出“警告：程序中存在凹型零件，请在停止时退出Z轴”。以此提醒加工操作人员，避免此类问题的出现。

图15 螺旋进刀I、J、K判断示意

但总结以上，此种方法也只能辅助避免，程序是无法检测到操作人员何时想要停止的，请读者谨记。

综上所述，经过长时间的实践经验总结，上述的方案可以很好解决卧式四轴联动加工中心的几个痛点问题。为了说明此方案的正确性，还需要做实验验证。

4 实验验证

4.1 实验对象

为了验证文中的后处理是正确的，此种后处理定制方法能够为卧式加工中心提供良好的后处理定制技术支持，还需要实际上机加工，以验证其正确性和可靠性[11-12]。

如图16所示，使用的验证模型为大力神杯。使用该模型主要有以下几点原因：

图16 实验验证模型

(1)该模型是典型的至少四轴联动才能加工的模型，该模型能够很好地验证后处理是否能够进行四轴联动。

(2)大多数的四轴联动都只能走直线、圆弧，空间的四轴联动还涉及多曲线等问题，大力神杯能够很好地验证路径的正确性。

(3)该模型也会涉及到定轴开粗和四轴联动配合，可以很好地检验其B轴锁死和松开两种状态下的配合效果。

(4)该模型属于头部大、下身小的零件。和上文讲到的凹型零件相似，突然停止也会发生碰撞，也可以借此检验。

综上所述，使用大力神杯对卧式加工中心的定制开发后处理进行检测，能够全方面地对后处理的正确性进行验证。

4.2 实验加工工艺

如表1所示，对验证加工的工艺进行了安排：

表1 验证实验加工工艺

(1)第1、2两个工序的程序主要进行定轴开粗，检验后处理在M55锁定状态下的正确性。

(2)第3～6段程序检验使用四轴联动情况先后处理M55B轴锁定和M65B轴松开联动的切换和四轴联动加工的插补正确性。

(3)第7段是固定轴连续循环加工，检验不带RTCP状态下的四轴机床的后处理正确性。

4.3 实验对象编对象

如图17所示，展示了大力神杯的编程刀具路径顺序。按照上述的加工工艺编程后就能够得到图17所示的刀具路径，但是该刀具路径还不能直接在机床上使用，所以还需要文中的核心，后处理对其进行对应机床类型的专门化处理，得到对应机床识别的NC代码[13-14]。

图17 实验验证模型编程顺序

4.4 实验验证

将上述得到的程序通过文中所叙述的后处理进行处理以后，得到TH6350卧式加工中心的NC代码。使用该代码，经过工件装夹、刀具安装、对刀、找平等工作以后就可以在机床上进行实际的加工验证[15]。

如图18所示，工序1～2采用定轴开粗的方式进行加工，其加工出的零件，轮廓清晰、特征明显，无碰撞和过切、变形等情况，加工效果良好。

图18 加工定轴开粗示意

除了定轴加工外，更重要的是四轴联动加工。在判断有四轴联动的情况下输出M65进行四轴联动的加工。如图19所示，在后处理的配合下能够完成四轴联动所有情况下的加工，且加工轮廓清晰明了。

综上所述，阐述的后处理开发方案能够为卧式四轴加工中心提供很好的实现方案，为大型卧式机床的全方面、多功能、安全化的后处理提供可行方案。

注：若要大力神杯表面更加光滑，可采用电镀处理。

5 结论

本文作者阐述了针对卧式四轴联动加工中心的后处理定制方案，主要解决了卧式四轴加工中心的整体逻辑插补问题、旋转轴和交换站碰撞问题、不带RTCP的联动和输出中心点坐标问题、暂停时的风险规避问题等几类在卧式四轴加工中存在的痛点问题，得出以下结论：

(1)通过实验证明该后处理的定制开发方案准确、实用，能够为卧式四轴联动加工中心的后处理痛点问题提供完整的解决方案，在一定程度上助力了大型航天、航空、军工、汽车、环保、模具等机械制造的工艺优化进程。

(2)针对加工中的人为停止造成的内凹件碰撞问题，程序无法判断人何时会停止，只能起到辅助操作人员进行提醒预警的作用，若在超级工程或者大型精密加工无法接受此种风险的情况下，应配合视觉识别，或者引入数字孪生解决。

综上所述，本文作者为四轴联动的卧式加工中心提供了一套完整的后处理解决方案，并且在上述的结果下通过典型零件加工验证该后处理的严谨性、逻辑性、正确性，为此类机床的后处理定制和加工工艺提供了参考。