基于UG的iTNC530正交五轴数控系统的后置处理机械制造专业.doc

浙江师范大学本科毕业设计(论文)正文 目 录 中文摘要 英文摘要 1 绪论 1.1 五轴数控加工的现状（研究背景） 1.2 五轴数控加工编程方法 1.2.1 编程软件 1.2.2 编程过程 1.3 研究内容和研究方法 1.3.1 研究内容 1.3.2 研究方法 1.4 研究意义 2 基于ITNC530五轴数控机床配置及指令系统 2.1 五轴数控机床结构 2.1.1 常用五轴数控机床介绍 2.1.2 正交五轴数控机床的结构及基本操作 2.2 海德汉ITNC530系统的指令系统 2.2.1 程序段格式 2.2.2 指令系统 2.2.2 程序格式 3 基于UG的ITNC530五轴数控机床后置处理文件的开发 3.1 后置处理文件的作用 3.2 后置处理文件的构成 3.3 iTNC530五轴数控机床后置处理文件的开发 4 仿真验证 3.1 仿真软件介绍 3.2 加工工件编程 3.3 仿真结果 5 结论 基于UG的iTNC530正交五轴数控系统的后置处理 摘要： 关键词：UG;五轴系统;后置处理 一、绪论 1.1 五轴数控加工的现状（研究背景） 1.1.1 五轴数控技术的发展 数控机床是装备制造的工作母机，数控机床的使用推动先进制造技术的发展，是实现先进制造技术的重要基础，也是高技术产业发展的依赖。数控加工技术更是衡量一个企业、一个国家制造工业技术水平的重要标志。 随着CAD/CAM技术的发展，设计人员为了追求产品性能、外观，使得设计出来的几何模型越来越复杂，对制造技术的要求也变得越来越高。五轴加工依靠其X、Y、Z三个坐标轴和绕X、Y、Z中的任意两个轴旋转的坐标，最终实现五轴的运动，因为有了两个转动轴，可以实现刀具与工件在行程内实现任意角度加工。因此在制造复杂零件时相较于三轴、四轴加工具有显著的优势。在航空、航天、军事、高精度仪器等行业有着举足轻重的地位。五轴数控加工技术甚至是制造叶轮、叶片、船用螺旋桨、汽轮机转子、大型柴油机这些带有自由曲面的复杂形状、精度要求高且用数字表达式难以精确表达形状的几何模型的唯一加工手段。 这些优势使得五轴数控加工在工厂中越来越广泛的得到应用，也促进了CAD/CAM软件功能不断的完善，更使得五轴数控加工的研究也原来越深入，但是为了保持自身技术的先进，许多高新的研究成果都严格控制外传，导致各国之间在五轴数控领域有着明显的差距。 1.1.2 后置处理的发展 通过CAD/CAM软件的自动程序编制语言的处理程序，可以将设计人员在CAD/CAM设计的几何模型上生成刀具轨迹，对于通用的数控自动编程系统，其前置处理部分是通用的，但是考虑到不同机床其具有不同的结构，如三轴数控机床、四轴数控机床、五轴数控机床，不同的种类，如铣床、车床等，同时不同机床厂生产的机床也可能使用不一样的系统语言，常见的有FANUC系统、SINUMERIK系统。所以在利用CAD/CAM自动编程的时候，需要为了适应数控机床的要求，还要进行后置处理，使得CAD/CAM生成的NC程序符合实际使用机床的要求。 目前常见的后置处理一般由数控厂商有偿提供专用后置处理文件，后置处理文件仅可以在指定计算机上使用，在设计人员完成前置处理后的刀具轨迹，通过专用后置处理文件转换成所需要的NC程序，或者是采用独立的后置处理系统，例如加拿大ICAM Technology Corporation公司开发的Cam-Post，以及各类CAD/CAM自带的后置处理系统，例如UG自带的UG/Post builder。 1.1.3 后置处理面临的问题 随着设计人员对零件的性能外观等方面不断地追求，使得复杂零件的市场需求不断地加大，复杂零件的需求量促使企业不断对五轴数控加工机床的开发和使用，使用CAD/CAM软件通过计算机生成符合机床设备的NC代码，不仅可以使设备运行准确、高效，同时降低操作人员的劳动强度，节约资源，节省制造成本，然后目前国内外企业在通过CAD/CAM软件对五轴数控机床编程，进行后置处理时，依旧面临很多问题，例如不同的机床系统需要不同的程序格式，不同机床可能采用不同的刀位文件的格式，即使两种机床可以使用同一个后置处理，也会影响制造的精度和效率。由于后置处理文件掌握在软件提供商手上，用户在购置CAD/CAM软件时也需要同时考虑到后置处理的能力以及配置后处理程序的价格。同时，使用软件提供商提供的后置处理程序为了保证自己的版权，仅限在一台计算机上进行使用，导致了其他计算机无法直接使用该后置处理程序造成了诸多不便。所以针对企业已有的五轴数控机床开发相应的专用后置处理程序具有较大的实用价值。 1.2五轴数控加工编程方法 1.2.1 编程软件 随着五轴数控加工技术的发展，研究人员不断加大对五轴数控加工编程的研究，目前，五轴数控机床加工几何复杂模型越来越多的采用编程软件自动编程的方式，编程软件包括UG、cero（Pro/E）、Master CAM、I-DEAS、CATIA、Cimatron、Tebis等，不同的软件具有不同的加工特点，也有不同的价格，针对不同结构选择合适的编程软件是非常重要的，一般使用较多的有UG、Master CAM。Master CAM编程的特点是快捷、方便，Master CAM提供了多种先进的粗加工技术，以及丰富的曲面精加工功能，针对不同结构的几何模型，可以在Master CAM中选择合适的功能，而且具有刀具路径校验功能，可以通过路径校验功能，模拟整个几何模型的加工过程，在模拟过程中不仅可以查看刀具路径，也可以查看到刀具与夹具、工件的干涉、碰撞情况。UG编程是指采用西门子公司研发的3D软件UGNX，利用计算机对数控机床的数字程序的编制。UG软件是以设计三维模型为基础，依靠其强大的刀具轨迹生成算法，不仅可以针对不同的零件进行车削刀具轨迹设计也可以进行铣削以及线切割等的刀轨生成，其生成的刀轨相当合理，进给量均匀，加工精度高速度快，且几何模型修改以后，在UG中只需重新计算刀轨，程序可直接自动生成新的程序。不仅可以实现对数铣、数车以及电极的编程，也可以在计算机上模拟出刀具轨迹路径，并进行刀轨播放，功能十分强大。UG以三维主模型为基础，具有强大可靠的刀具轨迹生成方法，可以完成铣削（2.5轴～5轴）、车削、线切割等的编程。UG CAM是模具数控行业最具代表性的数控编程软件，其最大的特点就是生成的刀具轨迹合理、切削负载均匀、适合高速加工。另外，在加工过程中的模型、加工工艺和刀具管理，均与主模型相关联，主模型更改设计后，编程只需重新计算即可，所以UG编程的效率非常高。 1.2.2 编程过程 编程软件在编制NC代码的过程中各不相同，本文主要针对UG进行自动编制NC代码的流程做一个简单介绍，设计人员在利用UC进行编程时，经过六个流程，分别是： 1、在建立几何模型后切换到加工模块。 2、在几何模型上创建坐标系以及毛坯。 3、在完成坐标系创建后创建程序组。 4、根据加工需要创建所需要的刀具。 5、根据工艺过程创建新的工序。 6、进行刀路模拟。 在UG上通过以上六个流程来完成设计人员所设计的几何模型的编程。 1.3 研究内容和研究方法 1.3.1 研究内容 目前国内外后置处理软件的开发方法如表1. 1所示: 后处理实现方法 优点 缺点 1 使用高级语言直接将刀位记录转换为数控指令代码 针对性强 灵活性高 开发工作量大，编制困难 2 由用户根据厂家提供的软件编制工具包编制专用后处理程序 灵活简便 要求同时掌握软件编程和数控编程语言，难度较高 3 由软件厂家编制专用后处理程序 无需用户自己开发 需额外购买该机床的专用后处理程序 4 软件商提供人机交互式后处理书写器，用户自行开发 简单方便，开发容易，有针对性 唯一性，只可在同型号机床上应用 表1. 1 表1.1为国内外后置处理软件开发发放，通过分析后处理实现方法以及其优点和缺点，本文根据研究对象五轴联动数控机床的特点，根据开发成本，难易程度以及开发对象的特点，本文将采用第四种后置处理实现方法，利用UG/Post Builder软件模块进行后处理文件的开发。使制作后处理文件简单方便，直接可以在UG中使用，开发难度相对较低。但是其缺点是机床结构需是通用的机床结构，若是特殊结构的机床，需要重新建模求解，再添加自定义程序块来进行解决。 本文将利用UG自带的UG/Post Builder通用后置处理器对******五轴数控机床，根据其自身携带的数控系统以及其机床具体参数，进行后处理文件开发，用以实现在UG刀具轨迹设计后完成后处理操作，以实现机床参数、程序和导轨参数、和NC代码格式设置的修改，通过在UG/Post Builder购置处理器添加iTNC530相应的G代码和M代码，通过添加定制命令，生成相应的后处理文件，在使用UG前置处理后直接调用文件使用相应的后处理文件，直接生成可在iTNC530数控机床上使用的NC代码。本文最终将对生成的NC代码在仿真软件VERICUT上，通过新建iTNC530数控系统的德玛吉50五轴数控机床上进行验证，通过加工复杂曲面，实现NC代码自动编程，提高编程效率，本研究对基于UG的后置处理文件开发研究具有一定的积极作用。 1.3.2 研究方法 图1.1研究流程图 1.4 研究意义 目前，随着技术的发展，世界各国对五轴数控机床的应用和研究越来越多，然而通过各类资料调查显示我国的数控机床平均使用率远远不足国外机床的使用率，同时在低使用率的情况下，两班制的情况更加不足，有不少花了大价钱的数控机床闲置或很少使用，之所以产生这样的问题，关键的原因在于编程上，随着几何模型越来越复杂，传动的手工编程效率低下，对编程人员的要求越来越高，据国外资料统计编程的时间比实际加工时间比甚至占到了30:1，其中还有一个原因是因为一时编制不出而耽搁了机床的运行。面对目前各种不同结构的数控机床，不同的数控系统，对编程人员的要求也不断地提升，所以高效的编程技术是目前世界各国面临的一大问题。为此，不少编程人员面对复杂的几何模型纷纷把目光转向了利用CAD/CAM软件进行自动编程。设计人员能够利用CAD/CAM能够实现从设计到编程到仿真加工的高度集成，因此国内许多的企业、学校、培训机构针对不同的客户都购置了CAD/CAM软件和各类的数控加工机床，用于生产与课程开设。 CAD/CAM的自动编程需要先对几何模型进行前置处理，生成刀具轨迹，在通过后置处理，针对不同的机床种类、规格、指令格式，使用对应的后处理文件产生数控NC代码，这样产生的数控NC代码无需编程人员手工的修改，直接可以在数控加工设备中投入使用，但是不同的机床，需要不同的后置处理文件，后置处理文件质量的好坏，直接影响到最终NC代码加工效果。而且，目前国外在五轴数控机床加工对我国依旧保持着技术封锁，后置处理文件需要向供应商购买，价格昂贵且用途专一，而国内对这一方面的研究还不成熟，因此，这对这样的国内外形式，需要更加加强研究和发展后置处理系统。 二、基于iTNC530五轴数控机床配置及指令系统 2.1五轴数控机床结构 五轴数控机床有多种不同的结构形式，主要分为以下几类：五轴双转台数控机床、五轴双摆动主轴头、五轴旋转工作台+摆动主轴头、非正交五轴加工中心。 （1）五轴双转台数控机床加工特点： 适用于加工小型、轻型工件，工艺性较好，能较好完成孔的钻、扩、绞、镗、攻螺纹等加工。常用于复杂箱体、精密机械零件。模具的加工。经济型五轴双转台加工中心通常由3轴加工中心附加A、C轴回转工作台组成，常用语加工精度要求不高的小型零件。 （2）五轴双摆动主轴头加工特点： 适用于大型、重型工件，机床结构一般为龙门式，常用于大型模具、飞机机翼等的加工。 （3）五轴旋转工作台+摆动主轴头加工特点：