U200五轴加工中心加工三星堆面具人研究

1 加工工艺设计

本文中所用的加工设备是 U200 立式五轴加工中心，控制系统为国产铼钠克操作系统，适用于企业小型模具、产品、工艺品、首饰、医疗器材等多个领域的生产，满足高精度、形状复杂的小型回转体零件加工的要求。针对三星堆面具人文创雕像的复杂曲面特征与加工难点，结合 U200 机床的设备特点，进行工艺流程设计和加工策略设计。

1.1 工艺流程设计

如图 1 中的三星堆面具人雕像，除了要对雕像的顶部平面加工外，还需要完成颈部、面部轮廓和底台主要曲面的加工。传统五轴加工中心为兼顾大型工件加工，其运动控制参数通常按大行程、低加速度设置，导致在加工小型圆柱类曲面零件时，响应速度慢，难以跟随复杂曲面的轮廓变化，加工时不如 U200 这类小型化机床灵活高效。同时，U200 五轴加工中心具备高转速的电主轴和高性能的进给系统，可以一次性完成复杂面部轮廓曲面、颈部曲面和底台曲面的五轴铣削加工 [6]。在加工过程中，高速、精准的运动控制能快速准确地跟踪雕像曲面轮廓，加工出高精度的曲面。选用 2 把小直径刀具，能深入三星堆面具人雕像的细节部分进行加工，有效避免干涉和过切，提高加工精度和表面质量。材料为 6061 铝，毛坯采用 35 mm×67 mm 的圆柱形棒料，结合三星堆面具人雕像的结构和 U200 机床的特点，设计加工工艺流程。

1.2 加工策略设计

根据加工工艺表，借助 UG 软件的五轴加工模块功能，对三星堆面具人雕像加工过程的每个步骤进行系统性的规划与设计。考虑到 U200 机床是含 A 、C 两个旋转轴的摇篮式五轴加工中心，毛坯装在夹头座夹具上， A 轴旋转一定角度后进行加工，采用成型面左右对称的开粗策略不仅提升了加工效率，还有效降低干涉风险。由于现代机床制造技术不断进步， U200 机床更合理的结构设计，大幅提升了机床的刚性，可承受更大的切削力。同时，采用了高精度的传动部件和定位系统，加工小型复杂曲面零件时，无需像传统五轴加工中心采用半精加工的过渡策略，直接使用一次精加工策略便可加工出符合精度要求的曲面，所以在加工要求较高的面部轮廓曲面、颈部曲面和底台曲面均采用一次性精加工的成型策略。由于三星堆面具人颈部以上的曲面与底台曲面存在明显的斜度差异，采用两种针对策略加工底台曲面和其余曲面，使刀具在不同斜度曲面上均保存良好的切削状态，从而保证加工精度，有助于提高加工效率和延长刀具寿命。

根据三星堆面具人的结构特点，从加工策略的制定到驱动方法的选择，再到加工参数的优化，在 UG 软件上均进行了相应的设计与调整，以确保加工时的高效性和精确性 [7]。如表 1 列出了各加工步骤的主要参数设置，相比于传统五轴加工中心的主轴、进给参数设置，小型化机床的加工预测用时更短。如图 2 展示了刀具轨迹的可视化结果，为三星堆面具人加工过程提供了更直观的参考。

表 1 刀具轨迹策略表

表格

步骤	加工策略驱动方法	投影矢量	刀轴	余量 (侧 / 底) /mm	预测时间 /s
右侧开粗	型腔铣	无	指定矢量	0.15/0.15	44
左侧开粗	型腔铣	无	指定矢量	0.15/0.15	47
顶部平面精铣	底璧铣	无	垂直于第一个面	0/0	7
底台曲面精加工	可变轮廓铣	曲面区域	5 轴，垂直于驱动体	0/0	65
剩余曲面精加工	可变引导曲线	引导曲线	5 轴，远离直线	0/0	148

2 后置处理开发

经过上述使用 UG 软件对三星堆面具人进行了加工设计，生成的刀具路径数据为通用格式，并不能直接使用于机床加工。需要通过后置处理，将加工参数、加工几何和运动指令等按照机床控制系统能理解的代码格式进行转换，加载到机床才能完成正确加工 [8]。然而，UG 软件自带的后置处理只能对普通常见的机床进行刀具轨迹编译，像 U200 这类国产小型化五轴加工中心并没有配套的后置处理程序，这就需要开发一套属于 U200 机床的加工专用后置处理，使 UG 软件生成的加工程序能与机床的铼钠克控制系统兼容，映射转换为相应的 G 代码和 M 代码，确保机床能准确识别和执行指令，让设计意图在 U200 上准确实现。

2.1 搜集机床资料

只有在对现有机床的结构、性能、运动学和控制系统的功能指令有充分了解及认识的基础上，才能开发出与该机床相匹配的后置处理 [9]。查阅 U200 的操作说明书、编程说明书、维修说明书等相关的机床资料，掌握 U200 机床各直线轴的行程范围、定位精度、重复定位精度，以及旋转轴的旋转范围、分度精度等参数。清楚各轴之间的联动方式和限制条件，明确机床坐标系的零点位置以及各轴零点的确定方法 [10]。同时，了解铼钠克数控系统支持的指令集、代码格式、数据类型以及各种参数的设置方法，为后置处理的开发提供主要数据支撑，并制定后置处理开发流程，如图 3 所示。

2.2 后置处理定制

首先，通过上述收集到的 U200 机床资料和铼钠克数控系统手册，打开 UG 软件的后置处理构造器模块进行针对性开发。在机床运动学方面，根据 U200 机床五轴带双转台的结构特征进行设置，并参照机床说明书中的移动行程 X 轴 260 mm Y 轴 270 mm、Z 轴 305 mm 等技术参数进行设置。

其次，在实用功能方面，U200 作为典型的摇篮式五轴加工中心，除了 XYZ 三个平移轴之外还具有旋转的 A (4) 轴和 C (5) 轴，核对 U200 机床说明书技术参数表，进入旋转轴配置页面进行进行 A (4) 轴 ±110° 和 C (5) 轴 0°~360° 的旋转角度行程参数设置，完成运动轴结构设计；并在程序界面进行含 G 代码和 M 代码在内的加工单位设置。

最后，参考铼钠克数控系统手册进行辅助功能方面的设置。通过设置程序初始化相关指令和参数，可确保 U200 机床在开始加工前出于正确的初始状态，为后续加工操作提供统一且准确的起始条件，并保证加工合理进行，明确指定要加工的零件区域，避免误加工到其他部位。进行工序和程序结束相关指令设置，确保刀具在完成一个工序后能够安全、准确地退出加工区域，避免刀具与已加工表面或零件其他部位发生碰撞，保护已加工表面质量和刀具不受损坏。并将 U200 机床的各种状态参数恢复到初始的状态，为下一次加工做好准备，同时也确保机床在闲置时处于安全状态 [11]。由于篇幅有限，不过多赘述，将所有的参数设置好之后保存后处理文件。接下来需要对生成的后处理文件进行虚拟加工，经过检验后，制作出来的后置处理才能应用到实际生产加工中。

3 三星堆面具人的加工

经过上述开发的专用后置处理程序，将三星堆面具人的刀具轨迹转换成铼钠克数控系统对应的 G 代码和 M 代码加工程序。为提前预知并设法解决可能出现的加工问题，先使用 Vericut 软件对加工程序进行仿真模拟，通过安全验证后再进行实体加工，为 U200 机床保护提供可靠手段。

3.1 模拟仿真加工

专用后置处理生成的数控程序，需要对其进行实体加工前的安全验证，以确保 U200 机床在加工三星堆面具创雕像时能够安全和稳定运行。采用 Vericut 软件不仅能够精准模拟机床、刀具、夹具和工件在加工过程中的运动，还能提前发现它们之间是否存在碰撞或干涉情况，避免在实际加工中因碰撞导致机床损坏、刀具折断或工件报废等问题，起到保护设备和降低成本的作用。同时，Vericut 软件能对 UG 等软件经过专用后置处理生成的数控程序进行全面验证，检查程序中的语法错误、逻辑错误以及指令是否符合机床的运动特性，防止因程序错误造成的加工失误 [12]。将专用后置处理生成的程序导入 Vericut 软件进行模拟加工，仿真结果如图 4 所示，无碰撞和干涉情况，符合实体加工前的准备条件。

3.2 实体加工

如图 5‑1 所示，为 U200 五轴加工中心。相较于传统数控五轴加工设备，这类小型化五轴加工中心 1.6 m×2.06 m 的占地面积，能够灵活适应各类小型加工车间和工作室的空间布局，有效降低场地使用成本。经过前期的工作铺垫，现将安全验证过的三星堆面具人雕像完整 NC 程序导入 U200 五轴加工中心，安装好圆柱形的棒料毛坯，在五轴坐标找正之后进行实体加工，进一步验证后置处理程序的正确性和可行性。两把刀具的加工合计用时约 23 min，结果如图 5‑2 所示。然后使用测量工具，对三星堆面具人文创雕像的加工样件表面质量等技术指标进行检测，结果表面 (R_{a} ≤1.6 mu m)，符合设计的要求。

4 结论

通过 UG 软件和 Vericut 软件的联合运用对三星堆面具人文创雕像的小型化数控五轴加工研究，得出以下结论：1) 使用 UG 软件对三星堆面具人进行加工工艺设计，与传统数控五轴加工采用半精加工的过渡策略不同，高精度小型化数控五轴机床只用一次精加工策略的方式更高效。2) 基于 UG 软件开发了小型化五轴加工中心 U200 的专用后置处理，为小型化结构机床不同数控系统后置处理开发提供了标准流程。3) 以三星堆面具人加工为载体，验证了后置处理的正确性和实用性，结果表明高效率、高精度的小型化数控加工设备，有助于未来小型复杂零件加工技术的工程应用。