（机械电子工程专业论文）多坐标数控机床后置处理系统的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 后钱处理足c a d c a m 系统的重要组成部分，它卣接影响c a d c a m 软件的使j j 效果及零件的加工质量和加工效率。目前的后置处理是指针对传统型式机床( 如对于 h 车| | | 联动机床，限于三三线性轴和两旋转害| i i ) ，将阿臀处理，卜成的7 j 位文件转换成指定数 控机床能执行的数控代码的过程本文面向任意结构数控机床，其目的是完成 c a d c a m 集成系统q , i - i 对任意结构机床的后置处理，主要内容包括： 1 首先从机构运动学的角度对数控年j l 床进行了机构运动学分析，建立了通川的机 床运动学模型，这是整个后置处理，包括机床运动求解、非线性加工误差校核和进给 速度处理的重要理论基础；在建立机床模型的基础上提 f 了机床运动坐标求解的通用 方法，该方法不仅适用于任意结构形式的数控机床，且可对机床结构误差进行补偿； 2 提出了机床求解，尤其是旋转轴求解算法；并基于已知刀具接触点数据，提出 了非线性加工误差校核和处理的具体方法；综合考虑表面切削进给速度尽可能恒定、 加工表面形状变化引起的机床各轴速度及其变化率不超过伺服驱动能力以及机床启 动、停i f ：和速度变化时的平滑加减速控制等冈素，实现了有效进给速度的合理确定。 3 利用面向对象的方法设计了可用于任意c a d c a m 软件、任意结构数控机床 ( 仪限于串联机床) 的后置处理相关模型，包括：刀位文件和n c 代码文件模型，数 控机脒模型等。 在上述理论的基础上，借鉴u g 、m a s t e r c a m 等软件的后管处矬系统，并以典型 通用后簧处理系统如c a m p o s t 等为例，设计了一个实用后置处理系统的原理和结构 以及系统的整体流程，并将之移j 步实现，墩得了良好的效果。 关键字：后置处理误差补偿多轴机床进给速度面向对象 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o s t p r o c e s s i n gi sav e r yi m p o r t a n tp a r to f a c a d c a m s y s t e m ，w h i c hw i l li n f l u e n c e t h ee f f e c to fc a d c a ms o f t w a r e ，t h em a c h i n i n g q u a l i t yo fw o r k p i e c ea n dt h ee f f i c i e n c y p o s t - p r o c e s s i n gr e f e r s t ot h ep r o c e s sd u r i n gw h i c ht h ec u t t e rl o c a t i o ns o u r c ef i l e sa r e t r a n s f e r r e dt on cc o d ef i l e s a c c o r d i n gt ot r a d i t i o n a lt y p e so fm a c h i n e ( e g f i v e - f i x e s m a c h i n e ，i i m i t e dt o3l i n e a ra x e sa n d2r e v o l v i n ga x e s ) a tp r e s e n t l h i sd i s s e r t a t i o nl l a s d e v e l o p e dt h ep o s t p r o c e s s i n gi nt h ei n t e g r a t e ds y s t e mo fc a d c a ma c c o r d i n gt oa n y m a c h i n e o f a r b i t r a r yc o n f i g u r a t i o n s t h ec o n t e n t sa r ea sf o i l o w s ： f i r s t ，w i t ht h er e l a t i v et h e o r i e sa n dm e t h o d si nm e c h a n i s mk i n e m a t i c s t h eg e n e r a l k i n e m a t i c sm o d e lo fm u l t i a x i sc n cm a c h i n et o o l si ss e tu p ，w h i c hi st h eb a s eo ft h e p o s t p r o c e s s i n g ，i n c l u d i n gc a l c u l a t i o no ft h ed i s p l a c e m e n t so fa l la x e so fm a c h i n et o o l ， m e t h o d st oc h e c ka n dd e a lw i t ht h en o n l i n e a r m a c h i n i n ge r r o r s ，s t r a t e g i e st od e t e r m i n ea n d m o d i f yt h ef e e d - r a t e a g e n e r a lm e t h o do fc a l c u l a t i o nt h ed i s p l a c e m e n to fa l la x e so fc n ci sp r e s e n t e d b a s e do nt h em o d e l t h ea l g o r i t h mc a nb eu s e dt og e n e r a t et h ec o o r d i n a t e dm o t i o nv a l u e f o ra l lt y p e so fm u l t i - a x e sn cm a c h i n ew i t ha l ls o r t so fe r r o ra c c o r d i n gt ot h et o o l p a t h g e n e r a t e db yc a ms y s t e m b e s i d e s ，a na l g o r i t h mt oc h e c ka n dc o m p e n s a t et h en o n l i n e a r e r r o ri se x p a t i a t e d t h e s y s t e mh a sm a n a g e d t oc a l c u l a t et h er e a s o n a b l ef e e d r a t ec o n s i d e r i n gf o l l o w i n g f a c t o r ss y n t h e t i c a l l y ：i n v a r i a b l ec u t t i n gf e e d r a t eo n m a c h i n i n gs u r f a c e ，t h er a t el i m i to f e a c ha x i sa n dt h ec n c s e r v os y s t e m ，t h ef l a tt r a n s i t i o ni na l lk i n d so f s t a t u s t h er e l a t i v em o d e lo f p o s t p r o c e s s i n gi sd e s i g n e di no b j e c t o r i e n t e dm e t h o d ，w h i c h c a nb eu s e dt od e s c r i b ea l lk i n d so fc a d c a ms o f t w a r ea n dc n c m a c h i n e s ( 1 i m i t e dt o m a c h i n ei ns e r i e s ) ，i n c l u d i n g ：t h em o d e lo fc i 。sf i l ea n dn c c o d ef i l ea n dt h em o d e io f n cm a c h i n e b a s e do nt h et h e o r i e sm e n t i o n e da b o v ea n d t a k i n gt h ep o s t p r o c e s s i n gs y s t e mo fu g a n dm a s t e r c a ma n dc a m p o s ta s e x a m p l e ，am u l t i - a x e sn cp o s t - p r o c e s s i n gs y s t e mi s d e v e l o p e d k e y w o r d ：p o s t - p r o c e s s i n g e r r o r c o m p e n s a t i o n m u l t i a x e sc n c f e e d r a t e o b j e c t - o r i e n t e d i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 目的和意义 第一章绪论 随着c a d c a m 系统硬件录 软件的发餍，对期旺对象、加工系统建立三维模型， 运j l l 燃形交珏的方法实坡刀其鼹径的生成、越二l ：主生艇傍嶷秘二l ：涉磁撞捡鲞已经楚霹 的。作为系统中的一个组成部分，数控加工后鬻处理器的好环是体现一个c a d c a m 系统槛能的重要组成部分，对予c a d c a m 软件的使用效果及零件的加工质量都有着 ! 磊大影峨。 目前的c a d c a m 自骺的通j l j 履置处理软件和其它专f 1 姗0 ：詹越处理的软p ：一般 都是钟对传统的正交五轴联动( 三商线轴两回转轴) 数控机床，根据各种不同配霄结 搦麴筵俸情凝，鏊予空润囱璧分瓣投- 尜开发的”“。蠢l 其商x 、y 、z 三个线童t ：) 4 1 1 i ，a 、 口瞬个旋转轴的数控机床等等。随蒜数控移k 废投术的发展期戍j 鞋领域的习i 叛攮广，擞 多非陋交三直线轴两回转轴类机床大量涌现，上述针对传统正交五轴联动机床的后置 经理软件法经无法憝理魏类梳床。鲡七轴五联动静i 床( 其中氟个联动机床可以是三个 线性轴霹l 鼹个妻线轴) ，如非正交搬冻，等等。因此，毒必要程建立逶羯移臻模型躲基 础上，丌发针对任意结构数控机床( 限予串联机床) 的后置处理软件。 时子多坐标机床丽苦，在精谨处理巾山刀位文件转换成n c 代码时，l i 于柞秘：着 旋转皴躲运动，参i 臻各运碘李l l 褒鞭锩艇刀位点之潮佟线链搔替运葫瓣，莛合城运动将 使刀贝接触点偏离逼近直线，该误麓称为非线性加：【误惹。出于该项误差的大小与耔i 眯的缩构形式和结构尺寸商关，所以存c a d c a m 软件小经l j i 铃处理生成7 j 舆轨迹时 缕强控铡。贯羚刀位文擎，恒逑度主蓬给怒指襁昧各辘迸给速溲乖i 定，丽为了获褥较好 的) j h l i 质猷要求切削速度恒定，反算到各她上的速度必然会发奠：变化，c a d c a m 较 件对1 二此类加二i ：t p 有关速度的问题仍然无能为力，机床本身的机械性能以及其它方l 甑 豹要求部对速浚有掰戳诵一t 逑闷磁j i 能在而簧处理 t 根据钒床结构，小j _ 和j 它讯能 要求进行 算，恧爨越的一般鹰置处理软传都不具备戴类功能。 不仅仅是机床多种多样，c a d c a m 软件陋是种类熬多，数不胜数。这就对邋用 丽簧处理器静数粥接口键国了瓤高韵要求，必须实现按l = _ _ 】的多样化，月能达刨兵l r 的 通用。随鏊技术水平豹提惑和生产模式豹变化，当 ； 翡发震趋势楚c a d c a m 系统集 成化。在这种集成化系统中，必须对其中所含的后鼹处理系统的数据接日进褥重叛定 义，对系统功能进行踅新翔分。由此可见，一个适用于任意结构数控机床、并具有多 耪囊鬟处理钱织功能麴逶耀磊鬟处璎器对于提态趣王效率与翱工质鲞，进丽降低企业 的生产成本，提高企业产品在国际上的竞争力具有十分藿要的意义。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 后置处理技术国内外概况 1 2 1 后置处理的含义 化数控编程i i 。4 统j ：将从处f t - j 1 l ：对象模型剑，l - j & j j j 轨迹的过程弱：为丽铛1 处 耻，l “前鹫处理生成的 具轨迹以j 位数抛的形式存放住7 j 位文t i ：l l i 。为使前管处理 通j j 化。按照相对运动原理，将刀位轨迹计算统一在工件坐标系中进行，而1 i 考虑具 体机床结构及指令格式，从而简化系统软件。为了实现数控加：j ：，还需要楸据具体的 机床结构形式和数控系统指令格式把刀位文件转换成数控代码。这种将前置处理生成 的刀位文件转换成指定数控机床能执行的数控代码的过程称为后置处理 ( p o s t p r o c e s s i n g ) 。钊对当i j 的发展，后置处理还应该加卜非线性误差补偿、进给速度 修调等功能。 后置处理主要包括以下主要内容： 1 机床模型建立与运动求解。简单的后置处理就是山刀位文件生成n c 代码的过 程，但即使是最简单的后置处理情况也比较复杂，这是凶为：刀其路径文件的多样 性。不同的c a d c a m 软件出于自身软件的习惯、方便或者是缺陷，生成的刀具路径 文件的格式均有所不同。n c 代码文件的多样性。i s o 一1 0 5 6 1 9 7 5 标准对其中的部分 准备代码功能、辅助功能代码的功能作了统一的舰定。但其小还有大量的未作统一规 定的代码。各数控厂家也出于各利；目的，如为了自身系统的方便、系统的简单化等， j i ! i ! 定了锌种不同的g 代码指令。另外，有些数控系统对部分g 代码的功能并不严守 i s o 1 0 5 6 标准的规定，g 代码文件的区别更大。 2 非线性误差补偿：对多轴机床由于旋转轴的运动而产生的非线性加工误差进行 补偿。 3 进给速度修正：为了歌得较女r 的) j h _ l 质量以及m - j 二机床倒服系统的性能要求对 刀具进给速度进行限制。 4 数控加工代码生成。根据具体数控系统的指令格式进行文件格式转换，生成数 控加工代码。后置处理流程如图l l 所示。它采剧解释执行方式，逐行读出刀位文件 中数据记录，分析该记录的类型，根据机床结构进行运动变换，并按机床控制指令格 式转换成相应的程序代码，生成实际数控机床的加：1 ：程序。 1 2 2 后量处理关键技术的概况 在c a d c a m 集成系统中，后置处理的功能有所增强，具体内容一般包括以下几 个方面： 2 华中科技大学硕士学位论文 1 搬床运动求解 机床运动求解的就是根据具体机 床结构将了- j 位文件q 1 的刀位数据转换 为秽t 庶各坐梅辘竣遨动坐标。努辨l l l - j 二 机床制造、装配过程中存在的误差，或 机床的变形、磨损等因素的影响，机床 各个坐标辅之翔并不一定保持理想蕊 相对位置关系，丽存在机床结构误蒺。 理想的机床运动求解应该考虑机床结 构瀵差， ：补偿由琵譬| 起鹣爹l 竦运韵溪 差。 目前国内外进行机床运动求解的 常并j 方法有： a ) 基于分类砉陲凑懿嚣鬟处理。舞 哈尔滨工业大学的韩向利等人根据旋 转轴的转角范豳将j i 坐标机床分为三 类；焱坐标联动双转动台雾t 床、矗坐标 联动双摆头机床和巍坐标联动摆头及 转动台机床1 5 “。另外西北工业大学的 开始 读入列位文件 件结疵坷结 丫 祝徕运动求解 辩线性误麓补偿 彼史 紊 机床 率簟住 进给速度校核与修正 坐标转换、代码转换 输出数控n c 代姆 | 璺l1 i 般j 蠢置处理流聪 数控 特性 刘雄伟等撩据静床旋转辘实现方法瀚不阏，滔矗坐标数控帮l 寐藓法分为两类：其一琏 带回转工作台的五坐标机床后墨处理算法，其二是刀具摆动的矗坐摭撬床瑟翟链淫算 法i 3 l 。在将机床分类之后，再根据不同类型机床的特点进行机床运动学模型的建立和 运动求解。 b ) 逶题嚣畏处避。镑对辨寿类型撬寐，采羯统一嚣爹t 寐运动学模型建壶：方泣军| l 运 动求解方法。如华中科技大学的何耀雄等人，瞢先分析虮床机构的型，然后通过建立 坐标系来较迭机床结构，年f j f j 矩阵变换斑立机床模型，然后通过求解矩阵来反求符轴 运动坐标| 2 l l 舵i 。 2 。一啦线f f i j j h ：t ：误差校核处删 神：前黼处理生成刀其轨迹州，离敞步k ( 走刀步k ) 的确定一般足f 5 | 濉牛l | 邻州jjl 接魅点静连线待翻工表谣静豢线邋近误差簌允许的公差范嘲肉。值对于# g 、j l 坐标 等多轴_ ! j | l ：f ， 圭 于旋转运动的影响，枧零各运动剿l 在织邻两刀位患之闲佟线瞧 蠡羚运 动时，其合成运动将使刀具接触点偏离逼近直线，从而可能在直线逼近误差基础j ：叠 嬲一项误麓，国j 毙导致实际加工误差增大，该项误差一般称为机床非线性加工误蒺。 非线性加工误差麴大小与机庆戆结构形式秘结构足寸有关，掰绫缀难在藩置处理 时，对其进行定量分析和计算、控制。一般在后置处理中根据机床结构尺寸对其避缸 3 华中科技大学硕士学位论文 校核，若误差过火，则需对刀位点进行加密处理。 目前国内外对非线性误差进行补偿的常用方法有： a 1 改变切触点法。或者叫做切触点偏置法，即通过偏置切触点来改变误差的分和， 消除过切量，转化为残余量。这种方法以f ； 曾经作为一种不得已的措腌暂时采用，现 在一般已经不用。 b 、加密法。对插补段进行线性分割，加密走刀步数，减小因走刀步长过大引起的 误差。这种方法目d f 应用比较普遍，华l j 科技大学的周艳红等、合肥工业大学的李旗 q 等人均作过研究1 4 5 f 3 。 c 1 自适应线性化法。如果非线性误差过大超过了f i ：用值，则通过对分来减小刀轴 转角的变化量，从而减小误差。如果相邻两个插补段内的非线性误差都小于许川值的 1 二，则可删除中间的刀位点。这样可以使各插补段内的非线性误差都接近于许川值， 4 从而使机床的加工能力得到充分发挥。这种方法是哈尔滨工业大学的任秉银等人提出 的，是否应用于现场加工以及取得何种成果尚不得而知1 4 。 3 进给速度的校核与修正 进给速度的大小不仅决定着加工效率，而且对表面质量、刀具寿命有着重要的影 响。因此，应尽可能保持高且稳定的恒表面进给速度( 即刀具切削部位相对加工表面 的进给速度) 。但另一方面，由于加工表面形状复杂，恒表面进给速度必将导致机床各 坐标轴运动速度的不断变化，若由此引起的坐标轴运动速度过高或速度变化过大时， 将产l i 较大的几何轨迹误差；而f ! i ，于机械运动部件存在惯性，在机床的启动、停 l l ：和速度变化时都必须以平滑的速度过渡，以防l i ：产生运动冲击而影响加j i ：精度、机 床和刀具寿命。因此，进给速度又必须根据加工表面形状和机床动力特性对指令速度 给予必要的修调，并在速度需要变化时采取合适的速度曲线实现平滑过渡。对高速数 柠自n j ，蟹有专门支持高速j , j l l ：f - 的后置处理器，借助该后置处理器所配置的专家系统 j r 只，描述自己的高速加工需求特符，后处理器可! e 成相应的代码。 囤内华巾科技大学的何耀雄、周艳红等人稚：进给速度方面鄙有所研究1 4 2 l i ”i 。hf i f 刈进给_ j l l f ：进jj ：校饮和修l i ；毡括以卜 儿个办l f ：| 的 j 弈： a ) 恒进给速度。保证在一个加工程序段内刀具与工件的接触点( 刀触点) 处进给 运动速度恒定，然后再对各运动轴速度进行分配，从而保证工件表面统的加 ：质量。 b ) 各轴逃立1 5 醍制。山1 i 机床的i l 槭特性，每个私【j 术运动轴的速度都会小尽年川。 在计算出理想速度值之后，必须对其进行校核，以保证其机床能力之内。 c ) 程序段连接处加速度限制。出a ) 可知，各程序段之间的进给速度会发生变化。 为了减小对系统的冲击，也为了满足机床伺服系统的要求，必须对相邻程序段问的速 度变化进行限制，对速度进行调整。 d ) 减速段首尾速度修调。在减速段内，为保证整个减速过程能够在本程序段内完 4 华中科技大学硕士学位论文 戏，同时速度变化在掇臻鼹照系绞豹允灌范溺之内，对蓄尾速度蒋先要进行校验，在 其速度变化超出系统允许范围时进行修调。 1 。2 3 聪量处理蜘重点 隧蓉技术的发麓窝瘦孀静遴震，瑗在的麓置鲶瑾技术已不能 亭罄在仅仪是对刀其 路径文件的代码转换，而是增加了从具体的加工赣求特挺和具体的数控机床罩i l 数控系 统的特征出发，赋予后鬻处理器以更多的功能的戮求，包括； a ) 任意缩藏数控掇床静建模帮求嬲。萁难点在予采鬻何种筒涪、统一的方法来 准确的表达各类机床复杂的结构型式，并剥用建立的模型进褥枧踩运动求黪，键至l j i e 确的结果。 b ) 嚣线毪误差分祈及处壤。关键在于稚线住误差豹计算和补偿方法。 c ) 进给速度修正。遴绘速度熬修调内容比较复杂，镑对每一壤肉容都蠢其鼙独韵 处理方法。必须保证在不影响机床加工性能的阿提一f ，依次对其进行修测。 d ) 利用面向对象的方法建立詹置处理系统中所需模型。如何建立功能较丰富的机 床模型、刃链辕迹稷n c 戗褥数据模型是瑟囱对象螽饕缝瑾系统的关键。 综上所述，- 刀位原文件和加工文件具有多种格式，有必蒙通过建立统一瓣模型， 对其进行描述，从而方便的得剿各种所需信息，并利用这些信息方便的进行后置处理。 对予多耪多样瀚鞔寐结梅，篱攀靛蕈j 用道瘸c a d c a m 软件裔带韵后鬻处理器不能完 全达剿后援处理的目的，嚣要锤对备秘搬壤具体熟结孛型式，缀掇套剥t 技术矮求， 发能够最大程度发挥其性能的后置处理器。 1 。3 后鼍处理技术的发瓣趋势 1 3 1 通用化 通川厉谢处理系统比较完镶，烛质置处艘袱j f f 生成器，能够! l 成针对住似类型 数控系统瀚后鹭处理程序，并嗣生成的后旨处理程序可以从珂：问的c a d c a m 系统列 位文争叫；泼墩刀整数据，共套缀簸瀚兼容档：，其。| ：律舔鼙辇如陶l 。2 所永。 它山i ，火解释器、用户配键文件、变整袋霹l 模态状态表等受l 戏。鉴本懋想：滋j 鞋 户根据系统提供的格式及所用数控系统的代码格式，编制配簧文件。编控系统从公用 数据瘁获褥刀佼数撂，中央解释器穰据了了位类型解释鞠成酌配餮项，输f | | 用户所需要 的数控加工代码。 5 华中科技大学硕士学位论文 瑚i 2 通川后馘处删原理 通用霜置处理配餮文件楚通用后餮处理开放性的其 奉体现。它的特点魁后臀处理 其鸯缀大的灵活性。用户可以掇搬囊己艇镁耀戆系统编制嚣饕文传，瞧裁楚嗣户鑫己 w 嫩制个性化的后黼处矬器。刚户编制配霄义中i ：。必须按照定的语法规则进 予。慰 时的 司格式获求照： l 。数控羧痔都是毒字蟹缝成。 2 地址字符意义基本相同。如表l - l 所示。 ， 嵌i i 字符的意义 字符意义宰德爨义 a荧丁x 轴的角度尺寸n顺序号 b荧予y 轴的角度尺寸。穰序编号 c芙z 糍l 夔角度足。平行，x 轴豹第三尺寸，也有的定 p d川贝j p 径偏戤峙义为吲建德蹦：参数 e第二进给功能 q 平行1 ：y 轴的第二尺寸，也有的定 f絷避给功能义为词定循耶参数 g 准箍功能擎 l ：z 轴瓣攀二三必i 扎也静定 r i j川贝长嫂偏管号义为州定循环参数、圆弧、f 径蒋 l，f 行x 轴f q 插补参数或螺纹等科s土轴速度功能 j1 f ：y 轴驰辐 参数残缫绞锌程下 第一爿j ：功缝 ks 哪? 1 ：z 轴的插朴参数战螺纹母科u 乎 i ，x 轴豹第一：尺j 有的定义为i 卉i 定循环返同次数，也有 v 平行下y 轴的第二尺寸 l 朐定义为子秭净返嗣次数 w 平行丁，z 轴的第二尺寸 m辅酗功能x ，y ，z 基本尺寸 1 3 2 标准化 现在多数计算机数控机床厢置加工数据尾按i s 0 6 9 8 3 的“g ”和“t ”代码谶言， l i j c a m 系统使用c a d 豹设计信怠生成的。但在实际应用中符合i s 0 6 9 8 3 格式的加 j 数据存在一些缺隧e 主要表现是：聂臀处理程痔按设备刀獒唾，心确定女目工路径，丽 6 华中科技大学硕士学位论文 没霄考虑零黪戆掘王工艺；虽然浚标准定义了编程 m u z - - - 静溪法，偿在多数稔况下该语 法与语义会发生混淆；浚标准不能完全满足生产的篱要， j 应齑通常还嚣裴对发甄准 不能涉及的操作进行自定义。鉴于现有数控加工程序存在的缺陷，国际标准化机构证 在铺定耨熬数控嬲王标准i s o | 4 6 4 9 ，新一 稍鏊予s t e p 确数 空而管处理披术( 以f 简称s t e p n c ) 也应运蕊生。 1 s 0 1 4 6 4 9 为c a d c a m 系统与计算机数控c n c 殴备问规定了一个新的数抛转换 模型。它通过蕊定女i i i l i ：l l j 弘酌办法，修l i ：了i s 0 6 9 8 3 韵缺铺。新的数撕模趔小t j f 入r 逝嘲对缘蚋王段概念，遴过l 二段搬念把一层的特鄹档关豹j j | | 工参数联l 关凝；c n c 浚 备通过可编程控制器将工段信息转换为设备的进给和刀具的运动。 s t e p ( i s 0 1 0 3 0 3 ) 怒产黼数粥表达与交换的重要标准，该标准已经在产晶数据交 换中撂到了广泛的应用，芝提供了秘独立予任 每特定系统圭l 其霄描逑产赫数姑麓力 的途径。其描述功能不仅适合文件交换，而且也是实现、麸享产鼯数据库以及文档的 基础。近年来，随着国际标准化组织( i s o ) 发布了s t e p 零件特征的相关稀准，基于 特薤曩冬建模技术越来越受到入稻静 重视。 基于s t e p 的数控聪置处理技 术是一个复杂的系统工裰。逶遂在 数控后置处理文l 牛中弓 入特 蒌的概 念，可以根据特征对i j n i i 序进行 规翊，进而g | 雨s t e p 的应用侨 义 和楣芙资源建立数据模型。黧1 - 3 湿示i s o l 4 6 4 9 标准的数控文件在 特征擒述和建斑特征模擞方面采 臻s 髓p 椽准懿应臻捺议。 8 弓l 媚 圈1 - 3i s 0 1 4 6 4 9 与s 1 e p 的芙系 1 4 面向对象的方法及其在数控编程系统中的应用 。4 鬣彝瓣象靛理论蠢法。” 通翊数控移t 未荫簧砖穗模块t f ；，采 i j i f j i l i , i x i 象晌改汁方法，熊使系统j 仃埘艘的 聚类性霹l 较好的可扩充性。霹趣对象方法学豹最嫠本翦簇剩廷健撼述懑题的秘遴空闽 和解决趟的方法空问在结构1 ：尽可能一敏，也就是使分析、没汁和实现个系统舱 方法学踩饕辇每认谈窖脱鲢羿的过程谋“豫 。致。阳 i 于i f ij l ；, i ) f , j 织力法学认为，客脱l i | = 界 是出鑫秽“对象”鼹组戏她，经犍攀麴黎是对象，每个对象都有自己豹运动娆律和内 部状态，每个对象都属于某个对象“类”，都是该对象的一个元素。复杂的对象可以是 7 华中科技大学硕士学位论文 山相对比较简单的各种对象以粜种方式构成。不同对象的组成及相互作用就构成了我 们要研究、分析和构造的客观系统。 因为面向对象方法起源于程序设计语言，征程序设汁方嘶已有大量的面向对缘的 编程语言面世，尤其是传统的程序语吉+ 吸收了面向对象的概念，发展成为更具生命力 的丌发工具，例如v i s u a lc + + 。面向对象的基本要素包括对象( o b j e c t ) 、类( c l a s s ) 、 方法( m e t h o d ) 和消息等。主要特性包括：抽象性，封装性，继承性，多态性等。 1 4 2 面向对象的方法在c a d c a m 中的应用 近年来，国内外对面向对象的c a d c a m 集成的思想和方法进行了许多探索。如 天津大学的牛占文等人在e r 图的基础上提出了自己的面向对象的信息建模方法： 对象一关系图法( o b j e c t - - r e l a t i o nd i a g r a m ) 。o r 法建立了两种抽象关系，将对象分 类并组织成层次的归纳( g e n e r a l i z a t i o n ) 关系和把有关对象归并到一起的聚集 ( a g g r e g a t i o n ) 关系。这种方法综合了图形建模方法和形式化语苦建模方法的优点， 以图形方式建模，非常直观，易于掌握。0 一r 图引入的两种抽象关系，使得对 c a d c a m 集成系统复杂数据、数据结构及其相互关系的描述更加有效，为c a d c a m 系统丌发提供了信息集成的环境。还有钊+ 刘性的提集设汁、制造信息于一体的没汁 制造特征( d e s i g nm a n u f a c t u r i n g f e a t u r e ，简称d m 特征) 的概念，并以此为核心建立 面向对象的产品定义模型。d m 特征是把零件按设计目的和列应的制造过程分解所得 到组成部分，它由一组几何实体、表面粗糙度、公差及所需要的制造活动( 二：i = 艺j i ! l ! 划、 数控编程等) 所组成。 另外，yz h a n g 和p g u 等人针对集成制作系统中的面向对象产品模型进行了初 步研究，对产品模型的对象类进行了抽象。南京航空航天大学的贺建平等人讨论了如 何将面向对象技术应用于c a d c a m 工程数据，分成复杂对象和简单对象，并成功实 现了对c a d c a m 工程数据的有效管理，建立了个面向对象的c a d c a m 工程数据 库。 越来越多的研究表明，面向对象技术的利用将会促进c a d c a m 集成以及c i m s 技术的发展。 1 4 3 蕊向对象的方法在数控机床后置处理中的应用 住数控编程t l l ，将刀位轨迹汁算过程称为i j i 置处理。为使油胃处理通刚化按照 射i 对运动原理，将刀位轨迹汁算统n i 件嫩标系r l l 进行，丽1 i 考虑其体机床结构及 指令格式，从而简化系统软件。因此要获得数控机床加工程序，还需要将前置计算 所得的刀位数据转换成具体机床的程序代码，该过程称为后置处理。后置处理的任务 是根据具体机床运动结构和控制指令格式，将前置计算的刀位数据变换成机床各轴的 8 华中科技大学硕士学位论文 运动数据，并按其控制指令格式进行转换，成为数控机j 术的挑 ：程序。 为了能够满足各 , 1 0 3 位轨迹、各种机床形式和各种特定的g 代码形式，要求可以 用一个比较通用的后胃处理器，较方便的实现多；f l , j l 床和多种c a d c a m 软件的交互， 这就足数控机床通川后置处耻器的核心问题。f i l l i ；, j ) c , 1 缘的方法i l i 足为解决类似的问题 而产生的。 数控编程的最终目的是使刀具在空间按规定路径私要求运动，反映在c a m 中就 是川具运动轨迹和加工程序以及只体的机j ：木= 结构的刈应关系，以及) j i i ：e 方法和参数等。 因此，面向对象应用涉及的工作有： 1 利用面向对象技术建立前置处理的结果即刀位原文件的模型。 2 利用面向对象技术建立各种数据机床的结构模型。 3 利用面向对象技术建立符合数控c n c 系统要求的g 代码文件模型。 1 5 本文的主要研究工作 本文对通用的数控机床后置处理系统技术进行了研究，目的是实现基于开放式数 控平台的任意结构数控机床的后置处理。基于通用数控机床后置处理技术的研究与实 现，本文具体作了以下几个方面内容的工作： 1 根据通用后簧处理系统的技术要求，并结合当前发展趋势，系统研究了后置处 理系统所包含的多项内容，主要包括： a ) 建立机床的通用运动学模型并反求各运动轴坐标； b ) 校核非线性误差并进行补偿； c ) 对进给速度进行修调。 2 通过疏理机床型式、川位文件年n c 代码义件的整体逻辑结构。对数控l j | 【昧后 哲处理系统中用到的数掘结构利用面向对象的建模方法进行具体的研究，建立了数控 机j 未模型和米自c a d c a m 系统的) j 位文件模型以及应川j ：爿；c n c 系统的加i ：文 件模型，并将之实现。 3 结合齐齐哈尔重型机床厂七轴五联动机床的具体结构，建立了可扩展的数控机 床后置处理系统。 9 华中科技大学硕士学位论文 第二章数控机床的机构运动学建模及运动求解 2 1引言 多坐标数控机床是实现大型异型零件高质高效加： 的重大技术装备。数控机 术的 实质就是通过数控系统控制机床各个运动轴的运动来实现工件与刀具之间的相对运 动，从而完成切削加工的一个空间机构【2 l 。数控机床机构运动学建模是实现机床运动 控制的基础，也是后处理l | 机床运动求解、非线性加工淡差校核与处理、进给速度控 制和机床几何误差补偿的基础。 用多坐标数控机床加工零件时，由于机床的结构型式和运动轴分布的多样性，通 常的基于分类处理的机床运动指令生成方法不仅使数控编程系统的后置处理复杂化， 而且难以适应机床产品不断发展变化的需要。本章针对任意结构数控机床( 结构误差 只是其特殊情况) ，利用机构运动学原理建立了一种数控机床的机构运动学模型及其求 解方法。而且只要输入相应的结构参数和运动参数，即可进行机床运动的求解，实现 了求解方法的通用化。这是自动化加工技术中的一个重要内容。 2 2 数控机床的机构运动学建模方法 2 2 1 基本概念 ，一般数控机床结构如图2 - ! 所示。 将任意结构的数控机床视为通过 数控装置控制机床各个运动轴的运动 水实现工件与刀具之问的n x , i 加工运 动，从而完成切削加工的一个机构。 这里的任意结构多坐标数控机床是 指：仅限于串联结构机床，不包括 后来出现的并联机床；机床坐标轴 数目不限，但其中联动轴数目不超过 _ i 个，其余轴都为辅助轴，这 个轴 中线性轴和旋转轴数目任意；各平 动轴的运动方向和转动轴的轴线可以 不与机床坐标系的坐标轴平行，各转 | 鳘| 2 - l 数控机床结构示意图 华中科技大学硕士学位论文 动轴的轴线可相互不垂直；机床各个运动轴方向可以卫：不相交。 从机构运动学的角度来看，这种任意结构的数控机床就是一个复杂的空问机构。 为了建立这种机构的机构模型，下面首先对机床机构的结构型式和结构参数进行分析 和描述，然后建立机构模型。 2 2 2 机床坐标系的建立 对机构进行运动分析，一般采川矩阵法。即在动l 成机构的各个构件上凼连 目应的 直角坐标系，从而把机构的运动( 即构件之间的相对运动) 抽象为直角坐标系之问的坐 标变换，坐标系之间的坐标变换可以用坐标变换矩阵来表示。因此在进行运动分析之 i i ，必须在机床运动链各构件上建立适当的坐标系。 1 数控机床的型 。 在机构运动学中，机构的构件数、自由度及运动副的连接方式用型来表示。对如 图2 1 等任意结构的数控机床进行型分析后，可将机床机构归结为一条运动链，即“川 具一机架一工件”运动链。对从刀具到工件这一运动链进行机构分析可知，它们都具有 以下特点：都为简单开式空间运动链；组成运动链的各个运动副都为i 类副，且 或为移动剐，或为转动副：每个运动副分别对应数控机床的一个坐标轴i 。 由此可见，数控机床机构的的构件数、自由度都等于数控机床的坐标轴数，其型 式变化主要表现为数控机床轴数的多少、转动轴数与线性移动轴数的组合及各坐标轴 往运动链中的排列组合顺序。 2 机床的结构参数 卜面讨论的数控机床的型仅仅涉及到机床的坐标轴数目、类型及相互阃的结合方 式，耐并没有考虑机床的结构尺寸和符轴运动方向。而数控机床的运动性能、特点与 机床的结构尺寸及各轴运动方向密切十h 关。为了完整表达某一数控机床的机构运动学 模型，将机床的结构尺寸和各轴运动方向统称为结构参数，并作为机床机构模型的基 本参数。 在机床处于初始状态时，首先建立位于机架上的机床坐标系( 参考坐标 系) 吼h y 。气、位于工件上的工件坐标系o w x 。y 。z 。和位于刀具上的刀具坐标系 o c x 。y 。z 。：然后，从刀具坐标系到：r 件坐标系各个构件i ：每一个有转动副或者移动副 的地方，依次建：办：构件坐标系d 。x ，y ，z ，( i = 1 , 2 ，n ) ，其巾 为从刀具坐枷系o 。x , y 。z 。到 工件坐标系o w x 。y 。z 。的运动副数目。i = 0 时，表示刀具坐标系；f = + l 时，表示工 件坐标系。注意：在机床处于初始状念时，上述各坐标系的坐标轴方向均与机床坐标 系一致，石、y 、z 以及各个旋转轴的i f 向要符合右手定则。 1 1 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 建立理想状态下的机床运动模型 数控机床的机构运动模型是指用求描述刀具相对于工件的位置和方向随机床各轴 运动的变化规律的数学模型。在矩阵法中，陔模型用从刀具坐标系o ，y ，z ，到1 ：件坐c x 标系o w x yz 。的坐标转换矩阵表示。陔模型决定于西个因素：一足机床的初始状态， 二是机床的各个运动轴的运动坐标。 在坐标系建立好以后，刀具相对于t 件的加丁运动就通过这些啦标系之l 、n j 的啦标 转换矩阵来表达。首先分析机床运动链中任意相邻两坐标系之问的坐标变换，1 i 失一 般性，取o l x 。m z 。和o ( - 1 ) x ( t - t ) y u - t ) 2 卜1 ) 进行分析。记从坐标系d ，到坐标系d l h 、的坐标 变换矩阼为q i ，则： o = p ( ，j ) m ( n ，j 。)( 2 1 ) 式中，p ( ) 对应上述机床初始状态，是由坐标系之间的初始位置关系决定的平移 变换矩阵， 为坐标系o i 的原点在坐标系d f 。、中的位置矢量， = t ，y ，五】1 ( f = 1 , 2 ，打) ，则有： 盹) = 陈 ( 22 ) m ( n ，s ，) 对应机床各轴运动坐标，是坐标系o ，随其运动副动构件沿 s 或绕门，相对 初始位簧移动或转动运动量_ 的变换矩阵，疗。= 【，”。】7 ( f - j ，2 ，月) 。当机床坐标轴 为平动轴时，s 为直线运动位移，m ( n ，j 。) 为平动变换矩阵： m c q ，= r c n ，_ ，= 吾i 一 = 10 0 s 。l ， 0l0 s m 00lj 0 0 0l 当机床坐标轴为转动轴时，j 。为旋转角位移，m ( n 。，置) 为旋转变换矩阵 m ( n 。，) = 8 ( n ，j ，) f + ( 1 一f ) c o 甄 以( 1 一c o g , ) + n , s i n s 啊( 1 一c o s 0 一幌s i n s 0 砚( 1 - c o s ，, ) - n , s i n s 研+ ( 1 一拜) c o 峨 r e , n , ( 1 一c o 蹈) + s i m l o n j , ( 1 一c o s q + m , s i n s 鹳q ( 1 一c o 鼬，) 一s i n s 砰+ ( 1 一霄) c o 戏 o ( 2 4 ) 一般情况下，1 r n ( ，= 1 , 2 ，h ) 为机床某个线性轴的方向。 刚从刀具坐标系d ，x 。儿z 。到工件坐标系o 。工。y 。z 。的坐标转换矩阵表示机构运动 学模型，记此变换矩阵为m ，则由上述机床运动链中各个相邻坐标系之间的坐标变 换矩阵。可以得到： 一。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 m 。= 兀q = h 【j p ( ) m ( n ，s ，) 1 ( 25 ) 扭lf ；1 e 式即为机床运动模型，其中v l 为从刀具坐搽系。x ，咒z 。到工p 坐标系。x 。y 。z 。 的运动副数目。 2 2 4 建立理想状态下的机床运动方嘏 机床的运动就楚刀具与加工王 ，f 之耀的蝴对嬲王运动。设刃疑别体上任意一点杰 刀具坐标系o 。x 。y 。：。中、工件坐标系o w x 。y 。z 。中和机床坐标系o b x 6 y 6 2 6 中的坐标分别 为、0 和吒，阖连在刀其上的任意一个方翔矢璧在上面三个坐标系中的坐标分剐为 、n 。和魄，则投据上甄建立熬数控搬寒熬援孛奄运动学摸挺霹褥： 1 翁1 0 翻 亿s ， 上式就是机床运动慕本方程。 2 2 5 建立考虑机床结构误差的孝几床遴动模型 以上讨论螅是理想搬t t j t 疼躲坐撂变换。热暴奁艇嚣变换q 过耧审存在绕苫，、 y 。、而三轴的微小转动增量刖、4 四、a c 和沿x 。、弘、z 。三轴的微小平动增量a x ， a y 、五z ，刚搬称变换张阵q f 也将有一增量艟。在增越不大的情况下，可认为该增 _ 璧是变换矩阵瓣微分。考虑增整转凌露增量警动静坐标交换，就寝在琢变羧之藩叠翔 一个增量坐标变换，从而该坐标变换矩阵为： q j = q l + 4 q i = r ( 删) 心。( a b ) r ，( a c ) p ( d x ) ，) ( a y ) p ( d z ) q l0 趱0 o1oo 一艘0 8 000l lo00 oio4 y 0 0l0 o o ol l000 0100 0