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毕业设计（论文）开题报告 题目 五轴加工中心的数控编程后置处理研究 专 业 名 称 ： 机械设计与制造及其自动化 班 级 学 号 ： 学 生 姓 名 ： 指 导 教 师 ： 填 表 日 期 年 3 月 5 日 2 一、 选题的依据及意义 ： 后置处理技术是随着数控技术、 早的数控程序都是手工编制，不存在后置处理问题。近年来，自动编程 具有编程速度快、精度高、稳 定性好、更改方便和易于管理等特点，但是 自动编程经过刀具轨迹计算产生的刀位数据文件 不能被机床识别 ，需要设法把刀位数据文件转换成 数控指令代码 ，通过通信的方式输入数控机床的数控系统，才能进行零件的数控加工 1。因此，要把 前置处理产生的刀位数据文件、加工工艺参数与特定的机床特性文件、定义文件相结合，生成指定数控加工设备能够识别的数控加工程序，该过程 称为后置处理 （ 2。 后置处理程序将 着高档数控加工中心、特殊结构数控机床的不 断出现，为其配置和开发合适的后置处理器愈显重要，这对提高数控编程效率、扩大 前后置处理技术已经成为 后置处理系统分为通用后置处理系统和专用后置处理系统。通用后置处理系统是今后发展的方向，但在目前无论是国外还是国内真正能够做到完全通用后置处理系统几乎没有 3，因为通用后置处理是以标准刀位数据、通用的数控指令为前提进行考虑的 4。虽然国际标准化组织 (美国国家标准协会 (电子工业协会 (刀位源文件、后置处理语句和数控指令都有相应的标准，但各数控系统生产厂商采用不尽相同的标准，数控系统的指令格式多样，由于竞争需要还会采用一些非标准的内容 5，有些数控系统的扩展功能己经超出了前置处理刀位数据的规定格式，如样条曲线、渐开线等，而目前的通用后置处理系统还只是考虑直线和圆弧 6，多数采用离散直线来逼近工件轮廓，零件形状越复杂，数控程序量越大 7，而且多轴加工时还要考虑 非线性运动误差校验、进给速度的校核、特定数控系统数控加工程序的生成等问题，以保障数控加工的安全、可靠 8。 随着产品 加工精度及复杂程度的提高，使得数控系统和数控机床技术不断发展变化，造成通用后置处理器越来越难以适应这种现状。实践表明，直接利用通用后置处理器生成的 致数控加工过程 3 不能安全、可靠地进行 9。 专用后置处理器与相应的数控机床和系统完全匹配，能充分发挥数控加工能力。 瑞士产的高速五轴立式加工中心，它 配置 了 速电主轴（主轴最高 转速为 20000 转 /分 ） ，可以在最佳的切削条件下，对从淬硬钢到塑料的 材料进行加工。 高速切削相对传 统加工有以下特点：一是提高生产效率。高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高 5 10 倍，单位时间材料切除率可提高3 6 倍；二是降低切削力。由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低 30。这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能；三是提高加工质量。因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件 变形小，保证了尺寸的精确性，实现了高精度、低粗糙度加工；四是加工能耗低。由于单位功率的金属切除率高、能耗低、工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率；五是简化加工工艺流程。常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工 10。 针对 轴加工中心和 控系统 11，通过 逐一完成机床类型及技术参数定制、旋转轴超限时的处理、数控系统定制、程序和刀轨参数的设置、 据的定义和 后置处理文件列表 等具体内容，最后获得符合 轴加工中心 的后置处理器。 五轴加工中心是加工复杂零件的现代化设备，由于五轴加工的复杂性，后置处理器的开发越来越复杂，近年来考虑到机床结构和便于排屑等因素又出现了一些带倾斜转台或者倾斜摆主轴头的特殊结构的五轴加工中心，这都对后置处理器的开发提出了新的要求，后置处理问题解决不好，轻则不能发挥加工设备的新功能和加工效率 上的优势，造成大材小用，重则由于程序问题造成生产事故。因此本课题针对 二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）： 置处理技术研究现状 关于通用后置处理器的开发和应用，国外已经非常成熟和普及，当前所有的图形交 4 互式自动编程 12。如 以图形方式创建从二轴到五轴的后处理程序。其后置处理器主要由事件生成器、事件处理器和定义文件三部分组 成，它们一起将刀具路径转换成为一系列数控机床能够直接读取和执行的数控程序 13。而 处理器完全针对应用很广泛的日本 用开放式功能型数据库技术设计，允许用户根据特定数控机床和数控系统的具体情况，在 而定制出适合该特定数控机床系统的专用后置处理器。使用 后再对该 改 动后的 14。加拿大 0以上的 可以读取所覆盖的 制所覆盖的 样英国 15 16 17。 在国内来说，比较成熟和普及的自动编程 制造工程师） 软件， 它采用通用后置处 理器，可以提供常见的数控系统后置处理格式，而且用户还可以自定义专用数控系统的后置处理格式 18。但该软件有较大的局限性，只适用于一般的铣削加工，在解决 果零件中涉及到孔的加工，将不能生成相应的程序代码 19。华中理工大学的张利波等人提出了一种基于配置文件的开放式数控编程通用后置处理模型，定义了配置文件的语法规则，给出了配置文件的 在 对于多轴数控加工的后置处理还是不能通用 20。程筱胜等人对南京航空航天大学的 超人 发了具有交互式图形系统的通用后置处理程序，尽管该后置处理系统具有很好的可靠性和较强的通用性，但超人京航空航天大学的曾爱华等人，以通用化、结构化、模块化的基本设计思想对通用后置处理系统作了总体的分析，对系统结构和程序实现作了具体描述，并为系统的通用化、实用化和商品化提供了必要的条件，但是该系统只能满足一般的两轴半和三轴数控铣加工自动编程的需要 21。正因为如此，专用后处理器开发已成为数控自动编程 的一个急需解决的热点问题之一。 5 专用后置处理器开发和应用不如通用后置处理器那样成熟和普及，因为专用后置处理器所面对的各种数控系统的专用性、特殊性和互不兼容性等特点使得开发总工作量巨大，导致专用后置器开发相对薄弱。国外对专用后置处理器开发和应用相当重视，加拿大滑铁卢大学机械系就以其 实验室的一台 用 现了专用后置处理器的开发，已在该加工中心得到了验证 22。 国内像信息产业部第 39所曹永新和任林杰就曾在武汉重型机械厂 用的数控系统是国产的华中 系统最大的优势就是经济，其缺陷是一般的自动编程软件中没有支持它的后置处理器），专门为此数控系统和车床设计开发了其专用后置处理器 将其集成到 际加工效果良好。武汉工业学院陈文革和尹芳根据 02构、控制系统的编程原理和通信接口的要求，对程序 完全满足数控编程加工的生产需要 23。广东富士康模具公司的邓德军根据 610加工中心配置德国西门子 择 功地为 610加工中心开发了专用后置处理器。 韩建军对 于一个回转轴、三个移动轴的 24。 王启富等人用 开发 5。祝益 军针对 C 环境下开发了后置处理软件 26。 哈尔滨工业大学的陈辉等人基于 发了并联机床后置处理器，用于六轴或七轴并联机床的后置处理 27。 置处理技术发展趋势 （ 1）面向通用化 专用 后置处理系统将机床特性直接编入后置处理程序中，只能适应于一种或一个系列机床，对于不同的数控装置和数控机床 还 必须 要 有不同的专用后置处理程序。 而一般的 通用后置处理系 统将后置处理程序功能 通用化，能针对不同类型的数控系统对刀位原文件进行后置处理，输出数控程序。 而且在 一般情况下，通用后置处理系统 只 要求输入标准格式的刀位原文件， 再 结合数控系统数据文件或机床特性文件， 就可以输出 符合该数控系统指令集及格式的数控程序。 除了以上优点外 ,通用后置处理程序 还 采用开放结 6 构，以数据库文件方式，由用户自行定义机床运动结构和控制指令格式，扩充应用系统，使其适合于各种机床和数控系统，具有通用性 , 因此通用后置处理器是后置处理技术发展的方向 。 (2)面向高速加工 高速数控加工，是一种以高主轴转速、快速进给、较小的切削深度和间距为加工特征的高效率、高精度数控加工方式，它不仅对机床结构和数控系统提出 了新的要求，对于加工工艺的规划、工艺参数的设置和加工约束的设置也提出了新的要求。 普通数控加工中， 成的数控程序量大，运算时间长。高速数控加工中采用 过控制点、节点矢量和权三个变量来表达自由曲线，对复杂曲面加工的程序量可减少 1 2以上，加工时间缩短 1 3以上，加工精度更高。 统生成 生巨量微小直线数据，经后置处理转换为 接产生 将已产生的巨量微小直线经后置处理生成 过转换软件，变换为 第二种方法不存在将线性刀轨转换成 度特别高，但实现难度大。 （ 3）校核与处理非线性运动误差 具运动的包络面与加工表面之间存在逼近误差，根据误差的大小决定走刀步长和加工带宽度。尤其在多轴联动加工时，由于旋转运动的影响，机床各坐标线性插补的合成运动使得实际刀位运动偏离编程直线，产生非线性运动误差。由于该误差的大小与机床运 动结构有关，在通用化的前置处理中难以处理。因此，在后置处理中应根据具体机床结构对非线性运动误差进行校验，若误差超出允许范围，需对相应的刀位点作修正处理。 （ 4）发展到 统之间没有统一的产品数据模型。 数据信息通过标准接口的方式传递 统，即使是在一体化的集成 统中，信息的共享也只是单向的和单一的。 1997年欧共体提出了 产品数据转换标准 新定义了 要求 包括几何数据、设计和制造特征 )，加上工艺的信息和刀具信息。直接产生加工程序来控制机床，不存在单独的刀具路径文件，废弃了 代码，从而不再需要后置处理系统。目前 中 7 较具代表性的研究项目有欧洲的 国的 本的 相应的现有数控系统和 统都需更新或废弃，目前这不是短期内可以实现的事。 三、研究内容及 实验方案： 究内容 （ 1）通过 置处理器设置机床参数、 工程序格式和输出文件格式，生成 (2)利用 置处理器 ,实现模态辅助功能指令 输出和非模态辅助功能指令循环 32 的输出 。 (3)通过用户自定义功能 ,以 言为开发语言 ,实现在生成 序的同时输出总加工时间、每道工序的加工时间和刀具信息 。 (4)专用后置处理程序与 成 。 验方案 (1）了解 控系统 和 轴加工中心的机床结构 (2) 基于 发 置处理程序 ,生成 轴加工中心的特性数据文件 . (3) 根据实际加工过程和加工结果，修正理论并总结方法。 四、目标、主要特色及工作进度 标 针对复杂曲面零件，基于现有的 统和 统，研究其自动编程技术、走刀路径规划、后置处理技术 。 要特色 （ 1）实现了在通用后置处理基础上快速有效地开发数控机床的专用后置处理器，解决了用高级计算机语言从头编写专用后置处理器的繁琐过 程。 （ 2）运用 成的数控加工程序无需手工修改就可以直接输入数控机床进行产品加工，从而解决了通用后置处理器产生的数控程序需人 工进行二次修改的繁琐过程。 （ 3）充分发挥了 而使加工中心的强大功能得到了充分的发挥。 8 （ 4）有效地解决了 体化技术的推广应用奠定了基础。 作进度 1. 开题报告、查阅资料、外文翻译（ 6000 字符 ) 3 周 2. 研究 控系统和 3 周 3. 生成 轴加工中心的特性数据文件 2 周 4. 输出模态和非模态辅助功能指令 3 周 5. 输出总加工时间、每道工序的加工时间和刀具信息 2 周 G 集成 1 周 7. 撰写毕业论文 3 周 8. 答辩准备及毕业答辩 1 周 五、参考文献 1 周济 ,周艳红 ,数控加工技术 ,北京 :国防工业出版社 ,2002 2 刘雄伟 ,数控加工理论与编程技术 ,北京 :机械工业出版社 ,2002 3 司 北 京 办 事 处 , 寻 求 完 美 的 后 置 处 理 程 序 , 制 造 业 信 息化 ,2003,(4):994 王卫兵 ,X 数控编程实用教程 ,北京 :清华大学出报社 ,2004 5 李佳 ,朱心雄 ,通用后置处理系统介绍 ,计算机辅助设计与制造 ,1996,(6):196 杨胜群 ,X 数控加工技术 ,北京 :清华大学出版社 ,2006 7熊清平 ,张正勇等 ,统巨量 序解释实现的方法 ,中国机械工程 ,1999,10(6):6738雷大江 ,周 茂书 ,五轴联动数控加工后置处理器的定制 ,工程物理研究院科技年报 ,2004,(1):1269 梁训塇 ,我国机床工业已跨入世界行列第一方阵 ,组合机床与自动化加工技术 ,2003,(8):1101992,41(2):63711 s 12 实用数控加工 技术委员会 ,实用数控加工技术 ,北京 :兵器工业出版社 ,1995 13 安杰 ,邹昱章 ,北京 :清华大学出版社 ,2002 14 王卫兵 ,北京 :清华大学出版社 ,2004 15 AE of 999,39(1):3316 of 001,115(3):28417 a of 9 997,13(9):65818 杨国平 ,000教程 ,北京 :机械工业出版社 ,2001 19 钟见琳 ,陈秀梅等 ,机械设计与制造 ,2002,(2):8820 张利波 ,周济 ,开方式数控编程通用后置处理器 ,机械与电子 ,1996, (4): 321 曾爱华 ,数控加工系统中通用后置处理系统的研究与实现 ,计算机辅助设计与制造，1996,(1):2622 苟琪等编著 ,北京 :机械工业出版社， 2003 23 陈文革 ,尹芳 ,基于 005,(3):3624 韩建军 ,图形软件 其后置处理程序设计 ,天津理工学院学报 ,1999,15(2):9425 王启富，袁辉， C 后置处理的开发与应用， 制造业信息化， 2003, (11):8826 祝益军 ,五轴加工中心 昌河科技 ,2004,(3):1527 陈辉 ,王知行等 ,基于 哈尔滨理工大学学报 ,2002, (5): 83南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 论 控编程后置处理技术 数控加工技术是在数控机床上依靠 序进行零件加工的自动化加工方法，具有高效率、高精度与高柔性的特点。数控加工技术可有效解决复杂、精密和小批多变零件的加工问题，能够充分适应现代化生产的需要。它是 加工执行单元，是现代自动化、柔性化及数字化生产加工技术的基础与关键技术。 随着航空、汽车、造船和模具制造等工业的发展，越来越多的复杂曲面应用于工程之中。包含复杂曲面的大型零件和模具的制造越来越离不开数控机床和数控加工技术。同时，由于对产品质量和生产效率要求的不 断提高，对复杂曲面加工的数控机床性能和相应的数控加工技术也提出了更高的要求。五坐标联动数控技术是数控技术中难度最大，应用范围最广的技术之一，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体。目前，多采用五坐标联动的数控加工方法来完成复杂曲面的加工。飞机和航空发动机的复杂结构件、船用螺旋桨、泵类叶轮等都是五坐标加工的典型例子。 后置处理技术是随着数控技术、 术的发展而发展起来的。最早的数控程序都是手工编制，不存在后置处理问题。近年来，自动编程 件取代了手工编程，它具有编程速度快、 精度高、稳定性好、更改方便和易于管理等特点，但是 自动编程经过刀具轨迹计算产生的刀位数据文件 不能被机床识别 ，需要设法把刀位数据文件转换成 数控指令代码 ，通过通信的方式输入数控机床的数控系统，才能进行零件的数控加工 1。因此，要把 前置处理产生的刀位数据文件、加工工艺参数与特定的机床特性文件、定义文件相结合，生成指定数控加工设备能够识别的数控加工程序，该过程 称为后置处理 （ 2。 后置处理程序将 统通过机床的 统与机床数控加工紧密结合起来。随着高档数控加工中心、特殊结构数 控机床的不断出现，为其配置和开发合适的后置处理器愈显重要，这对提高数控编程效率、扩大 体化技术的应用范围具有重要的工程应用价值和实际意义，目前后置处理技术已经成为术领域的一个研究热点。 控编程后处理技术研究现状 后置处理系统分为通用后置处理系统和专用后置处理系统。通用后置处理系统一般按照具有代表性的数控系统和数控机床的编程规范及特点进行设计开发，它直接支持这类数控系统，同时它也支持用户根据特定的数控系统编程格式对它进行二次开发。 关于通用后置处理器的开发和应用，国外已经 非常成熟和普及，当前所有的图形交互式自动编程 3。如 以图形方式创建从二轴到五轴的后处理程序。其后置处理器主要由事件生成器、事件处理器和定义文件三部分组成，它们一起将刀具路径转换成为一系南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 列数控机床能够直接读取和执行的数控程序 4。而 处理器完全针对应用很广泛的日本 用开放式功能型数据库技术设计，允许用户根据特定数控机床 和数控系统的具体情况，而定制出适合该特定数控机床系统的专用后置处理器。使用 后再对该 改动后的 5。加拿大 0以上的 可以读取所覆盖的 制所覆盖的 样英国 6 7 8。 在国内来说，比较成熟和普及的自动编程 制造工程师） 软件， 它采用通用后置处理器，可以提供常见的数控系统后置处理格式，而且用户还可以自定义专用数控系统的后置处理格式 9。但该软件有较大的局限性，只适用于一般的铣削加工，在解决 果零件中涉及到孔的加工，将不能生成相应的程序代码 10。华中理工大学的张利波等人提出了一种基于配置文件的开放式数控编程通用后置处理模型，定义了配置文件的语法规则，给出了配置文件的 在 对于多轴数控加工的后置处理还是不能通用 11。北京航空航天大学的曾爱华等人，以通用化、结构化、模块化的基本设计思想对通用后置处理系统作了总体的分析，对系统结构和程序实现作了具体描述，并为系统的通用化、实用化和商品化提供了必要的条件，但是该系统只能满足一般的两轴半和三轴数控铣加工自动编程的需要 12。正因为如此，专用后处理器开发已成为数控自动编 程的一个急需解决的热点问题之一。 专用后置处理器开发和应用不如通用后置处理器那样成熟和普及，因为专用后置处理器所面对的各种数控系统的专用性、特殊性和互不兼容性等特点使得开发总工作量巨大，导致专用后置器开发相对薄弱。国外对专用后置处理器开发和应用相当重视，加拿大滑铁卢大学机械系就以其 实验室的一台 用 现了专用后置处理器的开发，已在该加工中心得到了验 证 13。 国内像信息产业部第 39所曹永新和任林杰就曾在武汉重型机械厂 用的数控系统是国产的华中 系统最大的优势就是经济，其缺陷是一般的自动编程软件中没有支持它的后置处理器），专门为此数控系统和车床设计开发了其专用后置处理器 将其集成到 际加工效果良好。武汉工业学院陈文革和尹芳根据 3 （ 02构、控制系统的编程原理和通信接口的要求，对程序 完全满足数控编程加工的生产需要 14。广东富士康模具公司的邓德军根据 610加工中心配置德国西门子 择 功地为 610加工中心开发了专用后置处理器。 韩建军对 于一个回转轴、三个移动轴的 15。 王启富等人用 开发 6。祝益 军针对 C 环境下开发了后置处理软件 17。 哈尔滨工业大学的陈辉等人基于 发了并联机床后置处理器，用于六轴或七轴并联机床的后置处理 18。 综上所述：通用后置处理系统是今后发展的方向，但在目前无论是国外还是国内真正能够做到完全通用后置处理系统几乎没有 19，因为通用后置处理是以标准刀位数据、通用的数控指令为前提进行考虑的 20。虽然国际标准化组织 (美国国家标准协会(电子工业协会 (刀位源文件、后置处理语句和数控指令都有相应的标准，但各数控系统生产厂商采用不尽相同的标准，数控系统的指令格式多样，由于竞争需要还会采用一些非标准的内容 21，有些数控系统的扩展功能己经超出了前置处理刀位数据的规定格式，如样条曲线、渐开线等，而目前的通用后置处理系统还只是考虑直线和圆弧 22，多数采用离散直线来逼近工件轮廓，零件形状越复杂，数控程序量越大 23，而且多轴加工时还要考虑 非线性运动误差校验、进给速度的校核、特定数控系统数控加工程序的生成等问题，以保证数控加工安全、可靠的进行 24。随着产品加工精度及复杂程度的提高，使得数控系统和数控机床技 术不断发展变化，造成通用后置处理器越来越难以适应这种现状。 目前，虽然国内很多制造企业拥有了先进的五坐标数控机床，但真正能充分发挥五坐标加工功能的还为数不多，并且多数企业在购买机床的同时，没有对 件引起足够的重视，在实际加工中普遍遇到了问题。例如，中国电子科技集团某电子研究所 2004 年引进的五轴数控加工中心，由于 件的后置处理问题，导致该机床一直无法进行五轴加工，只能作为普通的三轴数控机床使用。 实践表明， 直接利用 通用后置处理器 生成的 码一般都与用户使用的数 控机床和数控系统的要求不符， 不能生成正确的加工程序， 导致数控加工过程不能安全、可靠地进行 ，并且通用后置处理器不能输出机床数控系统所特有的辅助功能， 使得数控机床特性功能的利用受到影响 25。 轴加工中心配置的 控系统，具有特有的辅助功能。例如，辅助功能 以在倾斜轴定位时保持刀尖位置不变；辅南昌航空大学科技学院学士学位论文 4 助功能 以实现刀具的短路径行程；循环 32 功能可以实现两个路径之间的轮廓平滑过渡（无论补偿与否），刀具与工件表面保持接触。但 这些辅助功能不能在 用后置处理器中直接调用。在这种情况下，通过本课题的研究解决这个难题，对于五轴联动数控加工技术的推广，具有重要的现实意义和工程应用价值。 要研究内容 本论文基于 X 系统，针对 床和 体的工作内容包括： (1)通过 置处理器设置机床参数、 工程序格式和输出文件格式，生成轴加工中心的特性数据文件 。 (2)利用 置处理器 ,实现模态辅助功能指令 输出和非模态辅助功能指令循环 32 的输出 。 (3)通过用户自定义功能 ,以 实现在生成 道工序的加工时间和刀具信息 。 (4)专用后置处理程序与 成 。 第二章 置处理器介绍 G 提供的后置处理方法 功能强大、内容丰富，为用户提供了集成最先进的技术和一流实践经验的解决方案，能够把任何产品构想付诸于实际。 型、装配、加工、仿真和分析等领域的操作功能。 具、电器、汽车、化工及航天领域 26。 图形后置处理模块 G/前应用最多的是 7。 形后置处理模块 图形后置处理模块 *，机床数据文件包含对刀位源文件进行后置处理时所需的机 床数据。 时 * 采用图形后置处理模块 先需要将 用机床数据文件生成器建立机床数据文件，然后运行 定刀位源文件和机床数据文件，系统根据机床数据文件中的指令对刀位源文件进行后置处理，最后输出数控加工程序 28。 G 后置处理器 以 5 加工刀路轨迹作为输入，输出符合机床控制系统要求的 户可以通过 后通过 成任意复杂机床的后处理 29， 图 2 (1)件生成器）将事件传给 件是后置处理的一个数据集，用来控制机床的每一个动作。事件生成器提取零件的刀具路径信息，并将 其作为事件和参数传递到加工输出管理器。 (2)件处理文件 这个文件是用 言写成，定义了每一个事件的处理方式。它可以通过 (3)件 定义文件 定义事件处理后输出的数据格式。它可以通过 (4)工输出管理器）简称 内部刀轨数据加载给解释程序，并打开 (5)输出文件） (6)处理用户界面文件 通过它用户可利用 图 2处理流程图 事件生成器、事件处理器和事件定义文件是相关联的，它们结合在一起把 30。 采用 立后处理文件的过程，如图 2示。 后置处理必须具备两个要素 :轨数据在 置处理器由事件管理器和定义文件构成。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 6 首先由事件生成器提取刀轨信息，并将刀轨信息整理成事件和变量后，传递到加工输出管理器进行处理，加工输出管理器把带有相关数据信息的事件传递到事件管理器，由事件管理器对事件进行处理，处理结果再返回到加工输出管理器，加工输出管理器再根据定义文件来决定要输出的加工程序的输 出格式并输出，直到结束。 采用 系统会产生三个文件。一个是事件定义文件(*包含了指定机床控制系统的静态信息和程序格式；一个是 事件处理文件 (*定义了每一个事件的处理方式，决定导轨源文件中每个事件如何处理，并决定反馈什么变量和数据给加工输出管理器，事件处理文件结构是由 言编写而成的；还有一个是后处理用户界面文件 (*通过它用户可利用 并可进行用户化后处理。 图 2G/立后处理文件的过程图 G/要参数 使用 立后处理时， 户界面分成 5 个大项，分别是：床参数）、 序和刀轨参数）、 N/C 据格式）、 出参数）和 处理文件预览）。当一个大项选定后，里面还有许多小项参数需要设定。 （ 1）机床参数属性项 在机床参数项中，选择合适的机床类型，设置机床坐标轴行程、机床回零点位置、直线轴插补最小分辨率（控制系统可分辨的最小长度）、机床快速移动速度等。由于机查阅机床 / 控制系统手册 U G / P o s t B u i l d e r 测试 机床类型 执行后处理 生成 / 编辑 T c 生成 / 编辑 d e 测试 U G / P o s t 不能满足要求时 E r r o r 特殊机床 铣 、车 、车铣 、线 切 割 E r r o r 南昌航空大学科技学院学士学位论文 7 床类型不同，机床参数项的内容也会不同，甚至机床轴数不同、旋转轴方式有差异，机床参数项的内容也不同。 （ 2）程序和刀轨参数属性项 在程序和刀轨参数项中可以定义、修改和用户化与数控加工程序相关的参数，机床所具有的 G、 M 代码，同一行中字地址的输出顺序。程序项由五个序列组成，分别是程序头（ 操作头（ 刀轨（ 操作尾（ 和程序尾（ 用户可以在除刀轨序列外的四个序列中加入用户自定义特殊后置处理输出命令程序行等，它既可以是用户命令，也可以是操作信息，还可以是自定义的程序行，对于用户自定义程序行可以在用户命令项添加自定义的后置处理代码，从而形成特殊的后置处理命令。图 2示为用户自定义命令部分 ，左侧是用户自定义程序行，用户在右侧添加代码。 图 2户自定义命令部分 （ 3） N/C 数据格式定义属性项 在 N/C 数据格式定义属性项主要是定义 N/C 输出格式，它包括程序行（ 字（ 格式（ 其它数据（ 在程序行项主要定义在每一个程序行中有哪些字，以及它们之间的顺序，可以在这里编辑、新建程序行或删除不用的程序行；在字项可以定义后处理中每个字的相关参数，如最大值、最小值、模态等；在格式项定义采用相应格式 的字类型是实数、整数或字符串等，一旦更改其中参数，所有采用这种格式的字地址都会更改；在其它数据项可以定义一些与程序本身无关的数据格式，如：程序行号、字间隔、行结束符号等。 （ 4）输出参数项 输出参数项共有两个子参数项，分别是 表文件）和 他控制）。在输出参数项中允许用户生成控制列表文件，该文件包含了整个后处理过程的 X、 Y、 Z 坐标值，第 4 轴角度，第 5 轴角度，进给和主轴转速等信息。用户还可以定义控制列表文件的后缀名。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 8 （ 5）后处理文件预览 后处理文件预览允许 用户在保存后处理之前检查定义文件和事件处理文件的改动。新的内容显示在上面的窗口中，旧的内容显示在下面的窗口中。 轴加工中心及配置的数控系统介绍 00 轴联动 高速 加工中心是 面向 中小型复杂零件 的 精密加工 的机型，如图 2示。它采用最新的材料和技术，保证了多轴部件大功率高速度加工时的动态特性，并结合了米克朗高速主轴技术的成果， 00 主轴转速范围可从用于传统切削的 12000r/用于高速切削各种材料的 20000r/高性能主轴配合圆形回转 /摆动工作台， 可以满足多种类型的切削任务。 机床 主要 参数 如下 ： 主轴： X Y Z B C 结构：双转台结构 工作行程： X 轴 :600 轴 :450 轴 :450作台面： 450 转轴范围： +30（ B 轴），双向 360（ C 轴） 主轴转速： 20 - 20000 转 /分 主轴最大功率： 30 千瓦 刀库容量： 30 把 /3A 图 2转台五轴加工中心 00 轴联动 高速 加工中心 与 30 数控系统相结合实现高速切削工艺 ， 用 话式编程语言编写常规加工程序，在系统中配有三维的交互式编程环境，可以及时对代码进行动态仿真和刀路验证，交互式的图形显示可将编程轮廓的每个加工步骤图形化地显示在屏幕上。在运行一个程南昌航空大学科技学院学士学位论文 9 序的同时，还能输入或测试另一个程序。系统同时也支持用 式（即 G 代码）和式的编程。 30 提供了刀具中心点管理控制、 3D 刀具补偿功能、支持倾斜面以及圆柱表面加工等功能。 30 最多可以控制 12 个轴，也可由程序来定位主轴。 控系统的数控程序格式 30 数控系统支持 话编程格式（ H 代码）和 程格式（ G 代码），其中前者是 特有格式。本课题的数控程序的输出格式选取 H 代码格式， 数控程序通常都是以字母和数字表示其文件名，以 扩展名，但默认的记事本格式仍可以识别，即记事本格式也可以输入到加工中心进行加工。 轴加工中心的数控格式主要有以下几个部分： （ 1）程序头：主要包括加工中心数控系统规定的一些特定的格式和控制主轴及冷却液的相关程序行，如图 2示。 轴加工中心数控加工程序须以“ 件名”开头，如图中的第一行。第二、三行是设定毛坯的尺寸，以“ 头。以下是调用刀具、控制主轴等程序行。 图 2轴加工中心程序头格式 （ 2）程序主体 程序主体主要是刀心点的坐标值，如图 2示。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 10 图 2轴加工中心程序的主体 （ 3）程序尾 程序尾主要包括主轴停转（ 冷却液关闭（ 停止程序运行（ 以“ 件名”结束，如图 2示。 图 2轴加工中心程序尾格式 转台五坐标后置处理算法 从刀位计算方法可以看出，对于五坐标数控加工，刀位文件中刀位的给出形式为刀心坐标和刀轴矢量，在后置处 理过程中，需要将它们转换为机床的运动坐标。对于不同类型运动关系的数控机床，其运动方式不一致，故其后置处理算法也各不相同。 一般来说，五坐标联动是指数控机床的 X、 Y、 Z 三个移动坐标和绕 X、 Y、 Z 轴旋转的的三个转动坐标 A、 B、 C 中的任意五个坐标的线性插补运动，如图 2示。双转台五坐标机床运动的运动是由 X、 Y、 Z、 B、 C 这五个自由度方向上的运动组成的，其中 B、 C 轴的旋转运动都是通过机床的工作台旋转来实现，故称为双转台。如图 2件可绕坐 标轴 Y 摆动 B 角；工件可绕坐标轴 Z 转动 C 角；工作台回转与 Z 轴一致；机床运动坐标系为YZ， d，刀心0 0 0 0,C C Cx y z；刀轴矢量 a（单位矢量）在工件坐标系中为 ,x y za a a31。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 11 图 2床运动坐标 图 2坐标加 工刀轴矢量转动关系 本文结合 双转台五坐标加工中心的特点来介绍 X、 Y、 Z、B、 C 这五个坐标运动的机床后置处理算法。由于带 B、 C 轴的五轴机床特点之一便是：其刀轴既可以绕 Z 轴逆时针转到（ +X）（ +Z）平面上，也可以绕 Z 轴顺时针转到（ +Z）平面上，如图 2示。所以这种运动关系如果处理不当，容易导致“ Y 坐标负向超程问题”的出现。所谓 Y 坐标的负向超程是指 Y 坐标的负向运动（指刀具相对于工作台的运动）超越了工作台台面的限制极限值 负向超程问题的出现容易导致刀具与工作台面的干涉及报废零件等不良后果。所以在做后置处理算法分析时，将两种转动关系分开讨论有助于解决 Y 坐标的负向超程问题。下面分别给出这两种不同转动关系下的两种坐标转换计算公式： a）刀轴矢量绕 Z 轴顺时针转动 b）刀轴矢量绕 Z 轴逆时针转动 图 2坐标加工刀轴矢量绕 Z 轴的两种转动关系 令刀轴矢量 a 为自由矢量，首先将刀轴的起点移到工件坐标系的原点，然后将刀轴矢量绕 Z 轴顺时针转到（ +X）（ +Z）平面上，再将刀轴矢量 绕 Y 轴顺时针转到与 Z 坐标方向一致。 （ 1）在求解的第一步中，将刀轴矢量绕 Z 轴顺时针转到（ +X）（ +Z）平面上 南昌航空大学科技学院学士学位论文 12 22r c t a n ( a 0 )9 0 ( a = 0 ) 1 8 0 a r c t a n ( a 0 )9 0 ( a = 0 ) 1 8 0 a r c t a n ( a 0 ) （ 2 0 a r c t a n 0r c t a n 0r c t a n 0 a r c t a n 0 （ 2 （当 0时，令 a r c ta n 9 0） 0 0 0000 0 0c o s c o s c o s s i n s i n s i ns i n c o ss i n c o s s i n s i n c o s c o CX x B C y B C z B d BY x C y CZ x B C y B C z B d B （ 2 从式 2 2以看出，两种计算方法求得的 Y 值正好相反。 轴加工中心后置处理的研究 用 立机床特性数据文件 置机床参数 启动 建五轴后处理文件（图 3在新建对话框中从 选择双转台五轴（ 5铣床类型，控制系统选择后系统显示 性页面，通过该页面设定参数以符合机床参数的要求。 在 面的左面结构窗口中单击 点，分别设置机床参数。 点的机床参数，如图 3示。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 14 图 3立新的后处理 图 3定机床行程极限 参数设置是重点。第四旋转轴参数的设置，需要在旋转轴配置（ ，设置两根旋转轴的旋转主体、旋转平面和代号。轴加工中心的第四轴代号为 B，第五轴代号为 C，旋转主体为工作台，旋转平面分别为 面和 面，如图 3示。 下面，需要设置旋转精度（ 最大旋转速度（ 枢轴距离（ 轴旋转方向（ 轴方向（ 旋转轴转动范围（ 旋转轴旋转中心相对于机床原点的位置（ 参数 32。 枢轴距离是两根旋转轴线之间的距离。轴旋转方 向定义是否采用右手螺旋法则，是则设置为正转（ 否设置为反转（ 轴方向（ 义工作台转动的方向，可以用下面两种方法 33： 绝对位置法（ 代数值表示工作台的角度位置。位置角度增大时工作台顺时针旋转，减小时逆时针旋转。相对位置法（ 绝对值表示工作台的角度位置，代数符号仅仅表明工作台到达该位置的旋转方向，正号为顺时针旋转，负号为逆时针旋转。 第 四旋转轴参数的设置，如图 3示。机床参数设定结束后，单击 钮，显示出双转台五轴铣床简图（图 3 南昌航空大学科技学院学士学位论文 15 图 3义机床旋转轴配置 图 3设定第四旋转轴参数 图 3转台五轴铣床简图 置程序的格式 一个 序分成五个序列，即程序开始、程序结束、操作开始、操作 结束和刀轨路径事件。序列由一系列有序的事件组成。在序列的对话框中有一些标记（ 在标记下面可以添加一系列程序段（ 以决定所输出 序的内容和组成。 程序开始序列（ 定义程序开始时需要输出的程序行，一个 序只有一个程序开始事件，如图 3 操作开始序列（ 采用 X 软件数控编程时，把每一道加工工序称为一项 “操作 ”。操作开始序列定义了从 操作开始到第一个切削运动之间的事件，包括自动换刀（ 手动换刀（ 接近运动（ 初始运动（ 进刀运动（ 首次切削（ ，如图 3示。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 16 图 3 程序开始序列 图 3 操作开始序列 刀具路径事件（ 刀具路径事件包括 床控制事件）、 工运动）和 循环）三项内容。机床控制事件主要定义如进给、换刀、冷却液、公英制等事件的格式 34，如图 3示。加工运动定义后处理如何处理刀位轨迹源文件中的 图 3示。当进给速度大于 0 或大于最大进给速度时，系统采用 速移动）来处理；当进给速度不为 0 或小于最大进给速度时，系统采用 性移动）来处理；当出现圆弧插补或圆弧运动事件时，系统采用 弧运动）来处理。钻循环定义当进行孔加工循环时，系统如何处理这类事件，并定义输出格式。 操作结束序列（ 操作结尾定义从最后退刀运动到操作结束之前的事件。在每个操作结尾处出现的程序行应放在这里，如果只出现一次应放在程序结尾位置。 操作尾添加 消 消 轴停转）， 却液关闭）， L 91（抬刀）， L 0 F B、 C 回零） ,如图 3 南昌航空大学科技学院学士学位论文 17 图 3 图 3 加工运动设置 程序结束序列（ 程序结尾定义程序结束时需要输出的程序行，一个 图 3 图 3操作结束序列 图 3程序结束序列 置程序段格式 在 需要设置 工程序段格式。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 18 准备功能代码 它是使机床准备好某种工作方式的指令，如命令机床走直线或圆弧运动、固定循环运动、 刀具补偿、指定坐标平面或坐标偏置等。 30 数控系统除 准格式外，还有自定义格式，例如用 L、 C C 别代替 因此，定义准备功能代码时要根据机床数控系统的具体规定。当它具备有两种或更多格式时，在一个 工程序中，它只允许使用一种格式。 辅助功能代码 它是控制机床某一辅助动作的指令，如主轴开、停，冷却液开、关等。 30 常用的辅助功能代码，除 准规定的之外，还有许多是自定 义的，例如， 小量润滑液和吹尘三项功能，而 开润滑脂、 指令，在 准中没有定义。 在 ，设置 M 代码与 G 代码的操作方法类似。 定义功能代码格式 除了 G、 M 代码之外， 30 数控系统还规定了其它功能代码的格式。这里改变 X、 Y、 Z 的数据格式为 变 D 的数据格式为 把刀补最大值改为999。如图 3示。 图 3功能代码格式定义 定义功能代码顺序 为了检查程序方便，需要规定功能代码排列顺序。 排列顺序将贯彻于生成的 工程序中，在整个后处理过程中都有效。调整后的代码顺序如图 3示。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 19 图 3功能代码顺序定义 据格式定义 在 据定义项中首先选择程序行（ ，选择直线运动事件 添加字（ 项中选择第四轴下的 B 自定义表达式，将字拖到程序行中字 表达式定义中输入“ $)”代表第四轴旋转角度值，设置 大值 最小值 +30。同样的方式也可以将第五轴代码 C 添加到 B 后面。设定程序起始序号从 1 开始，增量为 1。 置输出文件 刀位文件经过后置处理，可以用车间工艺文件和 工程序的形式输出，后缀名分别为 者包括 序中使用的刀具、操作和加工方法清单等 35。通过在图 3示的窗口中进行勾选，可以确定车间工艺文件和 工程序的内容。 a) b) 图 3设置输出文件选项窗口 南昌航空大学科技学院学士学位论文 20 出辅助功能指令 30 数控系统除了 准辅助功能（如 ）以外，还具备很多特有的辅助功能。例如，辅助功能 以实现旋转轴的短路径行程， 以在倾斜轴定位时保持刀尖位置不变。但是 件提供的后置处理无法在 序中输出这些辅助功能代码，因此需要在 参数中进行相应的设置来实现输出。 后置处理可以在 序中输出辅助功能指令，但是这些功能的实现依赖与相应的数控系统。例如，运行一段包含 助功能代码的 序，如果数控系统不具备该功能，就无法实现旋转轴的短路径行程。 30数控系统的辅助功能分成模态辅助功能和非模态辅助功能两类。前者是一组可相互注销的辅助功能，一旦被执行则一直有效，直至被同一组辅助功能注销为止；后者只在当前程 序段有效，程序段结束时则被注销 36。 态辅助功能指令的应用 令 控系统的 令是模态功能指令，是特殊的可变轴指令，使用这两种指令时，机床 动计算旋转轴旋转时的偏置误差，并进行有效补偿，从而既降低了编程和后置处理工作的难度，也提高了 轴加工编程的安全性。 （ 1） 用倾斜轴自动补偿机床几何特征 37 刀具移到工件程序中的给定位置。若程序中倾斜轴位置改变，则后置处理器应计算线性轴的有效补偿值， 并插入到定位程序块中。 在五轴加工过程中 ,由于机床各旋转轴之间存在偏置 ， 或加工原点的定义不在转盘中心 ， 此时当 序中存在旋转轴的变化 ， 势必引起直线轴真实位置的变化 。 作用就是在编程时不考虑偏置值 ， 而是让机床去自动计算此偏置值引起的直线轴的偏移 。 如图 3示 ， 当刀