基于 VC + + 的车铣复合机床后置处理器开发及应用研究
2021-1-4 来源：陕西国防工业职业技术学院数控工程学院 作者：曹旭妍
摘要: 基于 VC + + 开发出适用于车铣复合机床的后置处理器，通过对前置刀轨文件进行后置处理，快速获取加工所需 NC 程序; 通过 VEＲICUT 仿真平台构建车铣复合机床的虚拟仿真系统，采用仿真加工预判加工中可能存在的干涉、碰撞等加工问题，进而实现对 NC 程序的正确性检验。结果表明: 通过该方法能快速实现复杂零件 NC 程序的获取及正确性检验，提高车铣复合机床的使用效率，同时保障机床的使用安全。
关键词: 车铣复合; VC + + ; 后置处理; 虚拟仿真
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。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。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
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。
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:
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:
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：
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:
X，Y，Z 轴的运动计算公式如下:
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，WFLM65 车铣复合加工中心控制系统为 SINUMEＲIK840D，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。
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。
图3：后置处理器开发流程
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。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。
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。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． 2mm，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。
6、结束语
图6：叶轮实际加工验证
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。
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