基于VC++的车铣复合机床后置处理器开发及应用研究

曹旭妍

(陕西国防工业职业技术学院数控工程学院，陕西 西安 710300)

车铣复合机床不仅能够进行车削、铣削等加工，还能够实现多轴联动下的复合加工，尤其适合复杂零件的一次成型，因此该类机床在航空、航天、汽车等领域得到广泛应用[1]。由于该类机床结构较为复杂，加工中机床运动轴位姿变化多样，因此在进行复杂零件编程时，依靠手工编程基本无法实现。借助于UG、CATIA等三维软件能够方便地对零件进行工艺处理，生成零件加工的走刀轨迹文件，但该文件尚不能直接用于机床加工。当前主要通过后置处理器对刀轨文件进行处理，将其转化为机床能够直接读取的NC程序，从而实现复杂零件的加工。本文以WFL M65车铣复合加工中心为研究对象，对机床结构展开研究，基于VC++开发适用于该机床的后置处理器，实现零件的NC自动化生成，并基于VERICUT仿真平台构建机床的虚拟仿真加工系统，实现工件的仿真加工，验证NC的正确性，保障机床使用安全。

1 机床结构介绍

WFL M65车铣复合加工中心的运动结构如图1所示，该机床共有7个运动轴，包括：3个平动轴X1,Y1,Z1，分别绕Y轴和Z轴旋转的B1轴、C1轴，中心架运动的Z2轴，尾座运动的Z4轴。机床具有2个主轴：车削主轴S1和铣削主轴S3。在车削模式下绕Z向旋转的主轴为车削主轴S1，当机床转换到铣削模式下，车削主轴切换为C1轴。

图1 WFL M65机床运动结构

2 机床运动学建模与后置处理算法研究

数控加工系统中，坐标点的变换是在三维空间中进行的，其具体变化可分为旋转变换和平移变换。开发后置处理器时，定义物体绕坐标轴旋转的正方向为右手螺旋方向，三维旋转变换可看作是三个二维旋转变化的合成，即分别绕X,Y,Z轴的旋转；平移变换也可视为分别沿着X,Y,Z轴的平移变换的合成[2]。后置处理时，对机床运动的求解就是将刀具轨迹点的坐标值从工件坐标系转换到机床坐标系中。图形变换的齐次变换方程为

D*=DT

(1)

式中：D*为变换后图形上点的坐标矩阵；D为变换前图形上点的坐标矩阵；T为图形几何变换矩阵。

WFL M65车铣复合加工中心坐标系统如图2所示，Om2Xm2Ym2Zm2为与回转轴B固联的坐标系，方向与机床坐标系一致；原点Om2为回转轴线与刀具轴线的交点；Om1Xm1Ym1Zm1为与回转轴C1固联的坐标系，方向与机床坐标系一致；坐标原点Om1可在回转轴线上任意选取。显然，其运动关系即是刀具坐标系OtXtYtZt相对于工件坐标系OwXwYwZw的变换关系，进一步可分解为OtXtYtZt相对于OmXmYmZm的平动和OmXmYmZm相对于OwXwYwZw的转动[3]。

图2 机床坐标系统

设图2所示为机床初始状态，其中刀具轴线平行于Z轴，工件坐标系方向与机床坐标系一致，刀具坐标系与工件坐标系原点重合。通过OtXtYtZt相对于Om2Xm2Ym2Zm2旋转、Om2Xm2Ym2Zm2相对于Om1Xm1Ym1Zm1平移和Om1Xm1Ym1Zm1相对于OwXwYwZw旋转的坐标变换，可得:

[μxμyμz0]T=T(rm1)·Rz(-θC)·

T(rs-rm1+rm2)·Ry(θB)·T(-rm2)·[0 0 1 0]T

(2)

[PxPyPz1]T=T(rm1)·RZ(-θC)·

T(rs-rm1+rm2)·Ry(θB)·T(-rm2)·[0 0 0 1]T

(3)

式中：T和R分别为平移和回转运动的齐次坐标变换矩阵；μx,μy,μz为刀具三维坐标值；Px,Py,Pz为刀轴矢量值；rs为刀具坐标系相对工件坐标系的变换矢量；rm1为与C轴固连的坐标系相对工件坐标系的变换矢量；rm2为与B轴固连的坐标系相对工件坐标系的变换矢量；θB为绕B轴的旋转角度；θC为绕C轴的旋转角度。根据图形学知识，将矩阵T,R代入式(2)、(3)中求解，可得机床各运动轴的计算公式。B轴转角θB的计算公式如下：

θB=k·arccosμzk=+1,-1

(4)

在标准右手笛卡尔坐标中，B轴转角范围为0°～180°，k值应当取正值，但WFL M65车铣复合加工中心中B的角度设置区间为-90°～+90°，因此θB的计算公式应修正为：

θB=arccosμz-90°

(5)

C轴转角θC的求解应根据μx和μy的取值情况进行分类分析：

(6)

X，Y，Z轴的运动计算公式如下：

(7)

式中：sx，sy，sz分别为工件坐标系下机床X轴、Y轴、Z轴的坐标值；mx，my，mz分别为刀尖的三维坐标值；px，py，pz为刀轴的矢量值；L为刀具长度补偿值。

3 基于VC++的后置处理器开发

后置处理的过程就是通过后置处理器将工艺处理过程中生成的刀具轨迹文件根据机床结构及控制系统进行转化，生成机床能够直接识别的NC代码，其基本过程如图3所示。开发后置处理器，其程序语言需要匹配实际机床的控制系统，WFL M65车铣复合加工中心控制系统为SINUMERIK 840D，开发时需根据该控制系统的功能代码进行专门的后置处理器配置。

图3 后置处理器开发流程

Visual C++ 2010是一款可视化应用程序开发工具，本文基于其提供的Ribbon界面，完成车铣复合加工中心五轴后置处理器“5AXIS-POST”的开发。刀具轨迹文件中包含了刀具的位置、矢量、加工换刀、进给等所有加工信息，后置处理器需对其进行定义和转换，使之成为机床能直接识别的NC程序。处理器开发过程中，最复杂的内容就是对走刀路径的数值转换，刀轨文件中所提供的数值为刀尖点的空间坐标和刀轴矢量(x,y,z,i,j,k)，需将其转化为机床运动轴X,Y,Z,B,C的数值。程序处理中，通过提取刀位点数值，并根据前文所得计算公式求解各运动轴数值。

4 虚拟仿真加工

由于后置处理所生成NC的正确性无法保证，因此需要对NC进行正确性检验。传统的NC验证是通过样件试切的方式来完成，然而对于车铣复合机床而言，机床加工时刀具空间位姿复杂多变，一步出错就可能导致撞刀等危险情况发生，给企业带来较大损失[4]。本文通过虚拟仿真技术，基于VERICUT仿真平台，构建WFL M65虚拟仿真系统，并以叶轮零件为样件实现仿真加工，检验NC的正确性，同时验证后置处理器的正确性。图4所示为WFL M65车铣复合加工中心的虚拟仿真系统，通过该系统能够对NC加工过程中机床各运动轴状态进行监管，预测加工中可能存在的干涉、碰撞等危险情况，方便技术人员对加工中出现的问题进行原因分析，从而对加工工艺进行改进，确保加工过程中NC的正确性[5]。

图4 WFL M65虚拟仿真加工系统

仿真加工结束后，可以对加工中存在的过切、欠切问题进行分析，进而查找前置工艺处理中存在的问题并进行修改、优化[6]。图5所示为叶轮零件的仿真加工结果，图5(a)中将加工精度设置为0.2 mm，零件表面及叶片根部存在较多阴影区域，显示存在较多欠切部分；图5(b)中将加工精度设置为0.7 mm，欠切部分主要集中在叶轮边缘和叶片顶部区域。比较加工后的结果，明显看出叶轮表面存在欠切部分，尤其是叶片根部，当加工精度要求进一步提高时，需通过清根、磨削等加工来满足质量要求。

图5 仿真加工结果检验

5 实际加工

将虚拟验证后的NC载入实际机床中，添加毛坯并定义与仿真中一致的加工坐标后，进行叶轮零件的样件加工，加工过程如图6(a)所示；加工完成后对加工结果进行检测，如图6(b)所示，叶轮表面及叶片根部存在较多残留，与仿真加工结果一致。通过对加工过程的观察及对加工结果的检测，证实了NC程序的正确性，进而验证了本文所开发的后置处理器的正确性和可靠性。

图6 叶轮实际加工验证

6 结束语

本文以WFL M65车铣复合加工中心为对象，基于VC++平台开发了适用该机床的专用后置处理器，经实际验证其能准确、可靠地实现NC程序的自动化获取。但由于不同机床的运动轴结构不同，该处理器尚无法实现通用，后期需通过总结更多机床结构，进行系列化设计开发，拓宽该后置处理器的应用范围。