SINUMERIK 840D系统五坐标孔加工循环后置处理方法研究
导语：随着数控加工设备的广泛应用，各种先进的数控加工控制系统也不断地开发出来
西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 田荣鑫 任军学 史耀耀 孟晓贤 摘要：基于SINUMERIK 840D系统固定循环特点，以及五坐标方式下的参数变化规律，采用UGⅡ及CATIA软件编制了五轴孔加工固定循环及后置处理的程序。 1 引言 随着数控加工设备的广泛应用，各种先进的数控加工控制系统也不断地开发出来，SINUMERIK 840D(以下简称840D)系统是当前应用较广泛的多轴控制系统之一。840D系统有完善的固定循环指令，可以在数控加工中心上完成钻孔、镗孔及攻丝等系列操作，在SAJO 12000P及UniSpeed3两型机床的应用中，其三坐标固定循环操作简便，参数完整，加工精度高；但在加工空间孔系时，刀轴方向的变化引起固定循环参数复杂化，增加了后置处理难度。840D系统的三坐标孔加工固定循环后置处理在多篇文章中已讨论，但无法处理五坐标孔加工坐标变换，因此本文对斜孔固定循环的参数变化规律进行探讨，并基于UG和CATIA刀位文件编制了相应的后置处理程序。 2 840D的固定循环 840D系统提供了24个固定循环，其中加工单孔的有CYCLE81～90。钻孔循环的参数包含了被加工孔的所有信息，因此后置处理需要把刀位文件中的定位语句和循环语句结合处理。现以CYCLE83为例先对其参数进行说明。
图1 加工方式 CYCLE83是深孔钻(Deep hole drilling)，加工方式如图1所示，其指令格式为CYCLE83(RTP，RFP，SDIS，DP，DPR，FDEP，FDPR，DAM，DTB，DTS，FRF，VARl)。各参数含义为：RTP-回退面的绝对坐标；RFP-孔表面绝对坐标；SDIS-安全距离(无符号)；DP-孔深绝对值；DPR-孔深相对RFP值，不能和DP-起给定；FDEP-首钻深度；FDPR-首钻深度相对值，不能和FDEP一起给定；DAM-每次钻深递减值；DTB-孔底停留时间；DTS-排屑点停留时间；FRF-钻孔速度比率(0.001～1)；VARI-排屑方式：VARI的值为0，刀具回退SDIS的距离；其值为1时，刀具回退RFP+SDIS的距离。 840D的固定循环加工参数完整，可以适应各种加工方式，并且也有相当的自由度让用户选择。应用中要注意FRF是一个相对值，指用当前进给速度和该比率的乘积作为钻孔速度，因此FRF应该小于1。 3 固定循环后置处理 UG和CATIA是当前航空企业应用最广泛的大型CAD/CAM工程软件，其孔加工刀位文件生成系统都很完善，以下从两软件的钻孔循环参数设置说明后置处理中的对应关系，均以DEEPHOLE为例。 3.1 UGⅡ的DRILLDEEP过程生成的刀位文件格式 CYCLE/DRILL，DEEP，STEP[，data[，data……]]，DWELL[，data]，RAPTO [，data 1，FEDTO[，data]，CAM[，data]，RTRCTO[，data]，MMPM[，data]，OPTION。其中关键参数含义为：DEEP-孔深；STEP[，data[，data．……]]一每次钻到的孔深；DWELL[，data]-孔底停留时间；RAPTO[，data]-安全距离；FEDTO[，data]-钻人深度；RTRCTO[，data]-回退距离；MMPM[，data]-钻孔速度。 3.2 CATIA的DEEPHL过程生成的刀位文件格式 循环指令格式：CYCLE/DEEPHL，%MFG_TOTAL_DEPTH，%MFG_CLEAR_TIP，%MFG_PLUNGE_VAL，%MFG_DWELL_TIME，%MFG_OFFSET_RET，%MFG_FEED_MACH，%MFG_SPNDL_MACH，%MFG_PLUNGE_VAL，%MFG_DEPTH_DEC。其中关键参数含义：MFG_TOTAL_DEPTH-总深度；MFG_CLEAR_TIP-安全距离；MFG_PLUNGE_VAL-首次钻人深度；MFG_DWELL_TIME-钻到底后停留时间；MFG_OFFSET_RET-钻孔回退距离；MFG_FEED_MACH-钻孔速度；MFG_SPNDL_MACH-钻孔主轴转速；MFG_PLUNGE_VAL-首次钻人深度；MFG_DEPTH_DEC-钻深递减值。各参数与CYCLE83的对应关系依据各参数的实际意义确定。当加工方式为三坐标时，刀位文件各参数可以和数控程序指令参数直接对应，其中的变换关系见表1。
表1 参数的变换关系 其中UG系统产生的刀位文件依该变换方式进行后置，结果如下(CATIA刀位文件后置结果类似)： UG CLS文件：CYCLE/DRILL，DEEP，STEP，50.0000，20.0000，10.0000，DWELL，2.00，RAPTO，6.0000，FEDTO，-80.0000，CAM，2，RTRCTO，5.0000，MMPM，250.0000．OPTION PAINT/COLOR，3 GOTO/80.0000，20.0000，100.0000，0.0000000，0.0000000，1.0000000 后置结果： N50 C1 X80.000 Y20.000 Z105.000 N51 CYCLE83(105.000，100.000，20.000，，50.000，10.000，2.000，，0.014，1) 当加工孔系为空间任意孔时，加工方式为五坐标方式。840D系统的孔加工循环指令中孔深和刀轴方向的孔位均由前五个参数给出，最简单如CYCLE81(RTP，RFP，SDIS，DP，DPR)，这五个值仅与孔的轴向参数有关。840D系统进行五坐标孔加工时，其移动坐标X、Y、Z轴定位是依赖TRAORI指令自动跟踪完成的，无法实现空间孔心坐标值直接控制孔循环轴向定位，因此要在后置处理中把加工坐标系变换成刀轴方向与孔心轴方向相同的坐标系，同时在加工中指定坐标变换。840D系统的主轴方向坐标系指定指令是TOFRAME。以UniSpeed3机床为例，机床旋转轴为B轴和C轴，其旋转角度计算公式如下：
依机床结构取口β角度范围为正：
执行TOFRAME后，控制系统忽略C轴旋转，以B轴旋转后的主轴方向为Z坐标方向，Y坐标方向不变，X坐标以右手坐标系由YZ坐标方向给出。如图2所示，前表1中刀轴方向坐标值应给定图中Z′值，相应坐标变换关系为：
图2 依CATIA刀位为例按变换后的坐标值进行后置结果如下： CATIA刀位文件：CYCLE/DEEPHL，15.00000，20.00000，.00000，.08333，1.30000，500.00000，5.00000，1.00000 GOTO/15.00000，55.98076，15.00000，258819，.965926PT CYCLE/OFF 后置结果： X15.000Y55.644216.256B-15.000C90.000 TOFRAME(主轴方向坐标系开启) CYCLE83(11.907，10.607，20.000，，15.000，，5.000，1.000，0.083，，1,1) TRAFOOF(关闭所有坐标变换) 应用该处理方式后，对多坐标孔系加工可以用UG或CASA的POINT-TO-POINT编程方式，编制孔加工程序直接后置处理生成加工程序控制加工。由于840D系统的钻孔循环指令孔深参数在CYCLE中给定，因此当孔系的中心轴方向变化时，只能依次给出孔位及方向，一一处理。孔系加工如下所示： …… N50 TRAORI(2) N51 G54G17 N52 G1X15.000Y55.644216.256B15.000C90.000 N53 TOFRAME N54 CYCLE83 (11.907，10.607，15.000，，0.000，0.000，0.083，，1，1) N55 TRAFOOF N56TRAORI(2) N57 C1X25．000Y55.981225.000B30.000N58 CYCLE83(-5.000，-25.000，1.300，-40.000，，0.000，，0.000，0.083，0.006，1) N59 TRAFOOF 4 结论 应用前述的后置处理方式处理获得的五坐标孔加工程序可以直接在840D系统的机床上使用。程序在UniSpeed3机床和SAJ012000P机床(AB轴摆动)上调试通过。该后置处理方式在五坐标孔系加工的应用中获得了良好的反响，提高了编程效率，同时结合UG和CATIA的编程及刀位验证可避免加工中的碰撞。该后置处理方式已整合在为西安飞机工业公司研制的UNISPEED3五坐标数控加工中心后置处理软件中，目前该软件应用状况良好。
图1 加工方式 CYCLE83是深孔钻(Deep hole drilling)，加工方式如图1所示，其指令格式为CYCLE83(RTP，RFP，SDIS，DP，DPR，FDEP，FDPR，DAM，DTB，DTS，FRF，VARl)。各参数含义为：RTP-回退面的绝对坐标；RFP-孔表面绝对坐标；SDIS-安全距离(无符号)；DP-孔深绝对值；DPR-孔深相对RFP值，不能和DP-起给定；FDEP-首钻深度；FDPR-首钻深度相对值，不能和FDEP一起给定；DAM-每次钻深递减值；DTB-孔底停留时间；DTS-排屑点停留时间；FRF-钻孔速度比率(0.001～1)；VARI-排屑方式：VARI的值为0，刀具回退SDIS的距离；其值为1时，刀具回退RFP+SDIS的距离。 840D的固定循环加工参数完整，可以适应各种加工方式，并且也有相当的自由度让用户选择。应用中要注意FRF是一个相对值，指用当前进给速度和该比率的乘积作为钻孔速度，因此FRF应该小于1。 3 固定循环后置处理 UG和CATIA是当前航空企业应用最广泛的大型CAD/CAM工程软件，其孔加工刀位文件生成系统都很完善，以下从两软件的钻孔循环参数设置说明后置处理中的对应关系，均以DEEPHOLE为例。 3.1 UGⅡ的DRILLDEEP过程生成的刀位文件格式 CYCLE/DRILL，DEEP，STEP[，data[，data……]]，DWELL[，data]，RAPTO [，data 1，FEDTO[，data]，CAM[，data]，RTRCTO[，data]，MMPM[，data]，OPTION。其中关键参数含义为：DEEP-孔深；STEP[，data[，data．……]]一每次钻到的孔深；DWELL[，data]-孔底停留时间；RAPTO[，data]-安全距离；FEDTO[，data]-钻人深度；RTRCTO[，data]-回退距离；MMPM[，data]-钻孔速度。 3.2 CATIA的DEEPHL过程生成的刀位文件格式 循环指令格式：CYCLE/DEEPHL，%MFG_TOTAL_DEPTH，%MFG_CLEAR_TIP，%MFG_PLUNGE_VAL，%MFG_DWELL_TIME，%MFG_OFFSET_RET，%MFG_FEED_MACH，%MFG_SPNDL_MACH，%MFG_PLUNGE_VAL，%MFG_DEPTH_DEC。其中关键参数含义：MFG_TOTAL_DEPTH-总深度；MFG_CLEAR_TIP-安全距离；MFG_PLUNGE_VAL-首次钻人深度；MFG_DWELL_TIME-钻到底后停留时间；MFG_OFFSET_RET-钻孔回退距离；MFG_FEED_MACH-钻孔速度；MFG_SPNDL_MACH-钻孔主轴转速；MFG_PLUNGE_VAL-首次钻人深度；MFG_DEPTH_DEC-钻深递减值。各参数与CYCLE83的对应关系依据各参数的实际意义确定。当加工方式为三坐标时，刀位文件各参数可以和数控程序指令参数直接对应，其中的变换关系见表1。 表1 参数的变换关系 其中UG系统产生的刀位文件依该变换方式进行后置，结果如下(CATIA刀位文件后置结果类似)： UG CLS文件：CYCLE/DRILL，DEEP，STEP，50.0000，20.0000，10.0000，DWELL，2.00，RAPTO，6.0000，FEDTO，-80.0000，CAM，2，RTRCTO，5.0000，MMPM，250.0000．OPTION PAINT/COLOR，3 GOTO/80.0000，20.0000，100.0000，0.0000000，0.0000000，1.0000000 后置结果： N50 C1 X80.000 Y20.000 Z105.000 N51 CYCLE83(105.000，100.000，20.000，，50.000，10.000，2.000，，0.014，1) 当加工孔系为空间任意孔时，加工方式为五坐标方式。840D系统的孔加工循环指令中孔深和刀轴方向的孔位均由前五个参数给出，最简单如CYCLE81(RTP，RFP，SDIS，DP，DPR)，这五个值仅与孔的轴向参数有关。840D系统进行五坐标孔加工时，其移动坐标X、Y、Z轴定位是依赖TRAORI指令自动跟踪完成的，无法实现空间孔心坐标值直接控制孔循环轴向定位，因此要在后置处理中把加工坐标系变换成刀轴方向与孔心轴方向相同的坐标系，同时在加工中指定坐标变换。840D系统的主轴方向坐标系指定指令是TOFRAME。以UniSpeed3机床为例，机床旋转轴为B轴和C轴，其旋转角度计算公式如下： 依机床结构取口β角度范围为正： 执行TOFRAME后，控制系统忽略C轴旋转，以B轴旋转后的主轴方向为Z坐标方向，Y坐标方向不变，X坐标以右手坐标系由YZ坐标方向给出。如图2所示，前表1中刀轴方向坐标值应给定图中Z′值，相应坐标变换关系为： 图2 依CATIA刀位为例按变换后的坐标值进行后置结果如下： CATIA刀位文件：CYCLE/DEEPHL，15.00000，20.00000，.00000，.08333，1.30000，500.00000，5.00000，1.00000 GOTO/15.00000，55.98076，15.00000，258819，.965926PT CYCLE/OFF 后置结果： X15.000Y55.644216.256B-15.000C90.000 TOFRAME(主轴方向坐标系开启) CYCLE83(11.907，10.607，20.000，，15.000，，5.000，1.000，0.083，，1,1) TRAFOOF(关闭所有坐标变换) 应用该处理方式后，对多坐标孔系加工可以用UG或CASA的POINT-TO-POINT编程方式，编制孔加工程序直接后置处理生成加工程序控制加工。由于840D系统的钻孔循环指令孔深参数在CYCLE中给定，因此当孔系的中心轴方向变化时，只能依次给出孔位及方向，一一处理。孔系加工如下所示： …… N50 TRAORI(2) N51 G54G17 N52 G1X15.000Y55.644216.256B15.000C90.000 N53 TOFRAME N54 CYCLE83 (11.907，10.607，15.000，，0.000，0.000，0.083，，1，1) N55 TRAFOOF N56TRAORI(2) N57 C1X25．000Y55.981225.000B30.000N58 CYCLE83(-5.000，-25.000，1.300，-40.000，，0.000，，0.000，0.083，0.006，1) N59 TRAFOOF 4 结论 应用前述的后置处理方式处理获得的五坐标孔加工程序可以直接在840D系统的机床上使用。程序在UniSpeed3机床和SAJ012000P机床(AB轴摆动)上调试通过。该后置处理方式在五坐标孔系加工的应用中获得了良好的反响，提高了编程效率，同时结合UG和CATIA的编程及刀位验证可避免加工中的碰撞。该后置处理方式已整合在为西安飞机工业公司研制的UNISPEED3五坐标数控加工中心后置处理软件中，目前该软件应用状况良好。