2024年4月8日发(作者：)

阐述五轴数控加工程序的设计

数控加工的编程规定不但是要求计算直线运动，根据生产需要协调其旋转角

度的行程检验、道具的旋转运动或者是非线性的误差校核等与之相关计算，传统

的手工编程对于这些抽象的或者是运算量非常大程序的编制来说具有一定的难

度，自动软件UG与后置的处理器的使用，根据需求编制出五轴数控的加工程序，

在生产制造软件前期根据独立的模拟仿真软件特点—模拟仿真功能，仿真功能对

于整个生产机械的加工环节具有重要作用，以此检验出数控加工的程序的准确性。

五轴数控加工难点是曲面的形状相对复杂，对于自动生成软件所提供五轴数控加

工的功能来说应用性不强，其用于生产过程中的加工程序制造出的五轴数控的机

床，发挥效果不明显。

自动化编程的第一步是前置处理，第二步是生成数控加工刀具的轨迹，相应

地生成G代码的程序。生成G代码的程序中需要排除G指令，不但如此，大量

的数值组成了数控机床的各轴的坐标值，而坐标值即刀具轨迹点与之相对应的加

工程序的坐标系值。在数控机床的加工过程中，数控机床会根据坐标值位置确定

自动化刀具运动轨迹，从而实现精确的工件加工。

1 五轴刀具在加工时产生的轨迹

分析人类头部模型曲面，曲率的变化范围很大。三轴与四轴通常是刀具轨迹

的传统方式，但是不能满足复杂曲面的加工需求。在加工前期三轴刀具的轨迹，

只需要进行一次的装夹限制，加工时迎着三轴刀具的曲面，如果进行全部的曲面

最好进行重复性的装夹，但是重复性的装夹其弊端是定位误差容易造成数控加工

的效率降低，同时也会影响加工工艺的质量。进行切削时刀具的摆角会是在曲率

偏小处，切削速度几乎为零，在很大程度上造成摆角曲率的差异性，会导致曲面

加工表面的质量差异性大。如果四轴在使用日常刀具的轨迹运动中加入旋转或者

是摆动轴，会大大改善三轴的加工轨迹弊端，但问题是二次性装夹或者是曲面加

工时质量的差异性大，这个问题需要解决，所以为了得到连续的、高效的刀具轨

道，则需要采用现代化技术—五轴联动的方式进行数控加工。

第一，五轴联动刀具的轨迹形成方法，原型是人类的头部形状，头部根据曲

面的曲率变化以及变化急剧趋势，选择性地进行可变轴的曲面轮廓铣的刀具轨迹

的生成功能。可变轴的曲面轮廓铣的功能是主要以驱动面、驱动点或者是驱动线

的驱动轨迹形式，将驱动点运用特殊的数学关系方法，投影到被加工曲面上，然

后按照可变轴的曲面的变化规律生成刀具的运动路径。

第二，驱动生成方法。UG软件为五轴的数控加工中又包含很多驱动方法，

驱动方法和被加工的零件的表面形状以及驱动方法的复杂程度都是有直接关系

的。人类头部的曲面驱动模型的建立是以曲面区域的驱动为基本点，由于曲面区

域的驱动可以建立驱动曲面网格，也可以创建出一定规格的驱动点，根据这些驱

动点，结合程序关系模型，并沿着投影方向将驱动点投影向人类头部的模型曲面

上，形成适合于加工人类头部模型的曲面五轴刀具的路径。需要注意的是，构造

驱动面的几何体的保障摆动轴的超程问题，还有驱动面几何体和人类头部模型的

曲面曲率的变化趋势一致性，只有这样的数控程序设计才会使五轴刀具的运动轨

迹在加工过程中方向是始终垂直于加工部位的曲面。

2 后置处理

刀具轨迹的形成仅仅是刀位文件，是不能运用到实际机床加工中的，在原理

上数控机床的接收对象是与数控系统的指令格式相似或者是相同的程序，这时根

据生成刀具的轨迹进而深加工，然后将刀位的轨迹数据转化成为机床程序的计算

机代码，称之为“后置处理”。

后置处理的使用对象是UG/Post Builder，根据不同性质的数控机床程序结

构，设计出五轴的运动方向、运动的方式、运动的范围、数据的精度性、摆轴的

长度、摆动轴偏心以及旋转轴等具体的参数值，根据程序软件计算出类似于人类

头像模型的加工坐标系刀位点，后置处理格式是根据用户定义决定的，形式多样，

需要注意的是数据点前面应该加上地址字、运动的方向以及计算的坐标点的食量

方向产生的数据、运动的关系与由于不同的功能产生的代码，然后输出程序NC。

2.1 机床的分析

案例分析的例子是SKY80120的龙门雕铣，其是数控机床的前提保障，其中

的要求规定是双旋转形式的工作台，在设计中旋转轴的B轴设置为平面YZ，C轴

的旋转平面设置为XY，数控系统是SKY五轴数控机床。

2.2 程序设计中的后置处理

第四轴与第五轴的页面是行程限制的设置的机床参数，点击Configure，在

即将弹出的小窗口中设定第四轴的旋转平面，字头是B。在第五轴的旋转平面设

计上设置为XY，字头是C。公差设为0.001。第四轴与第五轴的页面机床的参数，

应该将转轴的最高进给率设置为2000，并且数值的大小决定着方向。

2.3 参数的设定

UG/Post Builder的设定只是针对机床参数，保证G代码的程序符合数控机

床的控制系统标准。SKY的系统参数在一般情况是可以使用默认值的，只需要对

其参数进行更改。

3 结语

在五轴数控机床的制造结构进一步确定之前，先进行的是后置处理步骤，这

是五轴数控加工程序设计基础性条件。例如Pro/E、Cimatron以及PowerMILL

自动编程软件等，软件的加工方式在参数设置上应该选择与本文中介绍的UG软

件的基本特点相似性很大。加工程序设计的编程者依据自己所选择的五轴数控机

床的具体操作情况，合理地选择编程技术方法，但是需要根据下面的基本原则进

行设计：

第一，在提高数控程序加工的效率方面，应该根据编制的程序的复杂性有选

择的减少数控机床的运动量。

第二，在提高数控程序加工的质量方面，编程者的程序设计着重强调的是刀

轴矢量的变化的均匀改变量，在设计上为了减少突变点的发生，在不能够避免刀

轴的矢量突变性的前提下，要从突变点的数量或者是分道次的加工方面着手，减

少其数量。

第三，如果程序运动时存在多个刀路，各个刀路之间的衔接处的刀轴的矢量

应该平滑过渡。

第四，在五轴数控加工程序的编程过程中，需要使用各种方法将其应用到数

学中，并且求得唯一解，使其保证准确性。

参考文献

[1] 徐智卿.“45°B轴”五轴数控加工中心后置处理程序的开发[D].上海交通大

学，2012.

[2] 李超.五轴数控加工程序设计研究[J].机械设计与制造，2009.

[3] 李东君.基于UGNX6.0充电器凹模五轴数控加工设计与实现[J].机床与液

压，2011.