（机械制造及其自动化专业论文）数控加工通用后置处理系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 后置处理就是将前置处理生产的刀位文件转换成指定机床能执行的数控代 码的过程。但目前市场上数控系统的多样性，导致了传统的后置处理逐渐不能满 足新的需求，后置处理通用化程度低。在数控加工过程中，操作人员在后置处理 方面花费了大量的精力，且不能取得很好的效果。因此，就需要研究一种通用的 后置处理系统，来满足实际生产中的不同需要。本文针对通用后置处理的现状进 行分析研究，具体内容如下： ( 1 ) 根据数控机床不同结构对其进行分类，从运动学的角度对数控机床进行 机构分析和运动学分析，建立机床的运动学模型，然后根据c a d 系统中图形变 换的基本原理，分析、总结各种机床机构的后置处理算法。 ( 2 ) 研究各种主流数控机床及其数控系统的特点，采用交互式方式配置出通 用的机床配置文件，实现各种主流数控机床的数控代码的输出。 ( 3 ) 运用面向对象的编程软件来编写通用后置处理系统。最后对系统进行运 行，检验满足最初的设计要求，即能输出可以直接驱动机床的数控程序。 通过对数控加工通用后置处理系统的研究与开发，操作者只需要机床信息输 入程序，就可以完成后置处理过程，因此可以在生产过程中节省大量的时间，后 置处理过程变得简单、易行，提高了劳动生产率，保证了企业效益，这具有非常 重要的意义。 关键词：后置处理；刀位文件；自动编程；数控程序；机床配置文件 a b s t r a c t a b s t r a c t p o s t p r o c e s s i n gi st h ep r o c e s st h a tt r a n s f o r mt h ec lf i l e ( c u t t e rl o c a t i o nf i l e ) p r o d u c e db yp r e p r o c e s s i n gi n t on cc o d et h a tc a l ld r i v es p e c i a lc n c m a c h i n e b u t b e c a u s et h ed i f f e r e n c eo fc n cs y s t e m ，t h et r a d i t i o n a lp o s t - p r o c e s s i n gh a v n tm e tt h e n e e do fn e wc o n d i t i o n ，a n dt h ed e g r e eo fg e n e r a l i z a t i o ni sa tl o wl e v e l i nt h ep r o c e s s o fn cm a c h i n g ，o p e r a t o rs p e n dm o r ee n e r g yo np o s t p r o c e s s i n g ，a n dt h er e s u l ti sn o t g o o d s o ，r e s e a r c h i n gak i n d o fg e n e r a lp o s t p r o c e s s i n g i s n e c e s s a r yt om e e tt h e d i f f e r e n tn e e d si na c t u a lp r o d u c t i o n t h i sp a p e rr e s e a r c ho nt h ep r e s e n ts i t u a t i o no f p o s t - p r o c e s s i n g ，t h es p e c i f i cc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： ( 1 ) c l a s s i f yt h en cm a c h i n eb yi t ss t r u c t u r e ，t h e na n a l y s i st h es t r u c t u r ea n d k i n e m a t i ca n a l y s i s e a s t a b l i s ht h ek i n e m a t i cm o d e lo fn cm a c h i n e ，t h e na n a l y s i sa n d s u m m a r yt h e i rp o s t - p r o c e s s i n ga l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fg r a p h i c t r a n s f o r mi nc a d s y s t e m ( 2 ) r e s e a r c ht h e c h a r a c t e r i ao fn cm a c h i n ea n ds y s t e mi nm a i n s t r e a m c o n f i g u r a t et h eg e n e r a lm a c h i n ef i l e sb yi n t e r a c t i v ew a y s t h e no u t p u tt h en cc o d eo f m a i n s t r e a mn cm a c h i n e ( 3 ) p r o g r a m m i n gb yo b j e c t o r i e n t e ds o f t w a r e t h e nr u nt h i sp r o g r a mi no r d e rt o t e x ti tw h e t h e rm e e tt h eo r i g i n a ld e s i g nr e q u i r e m e n t ，t h a ti sa b l et oo u t p u tt h en c c o d et h a tc a l ld r i v et h en cm a c h i n e r e s e a r c ha n d d e v e l o p o nt h e g e n e r a lp o s t p r o c e s s i n gs y s t e m f o rn c m a c h i n i n g ，o p e r a t o ro n l yn e e di n p u tt h ei n f o r m a t i o no fn cm a c h i n ei n t os o f t w a r e ，t h e n s o f t w a r ec a l lc o m p l a t et h ep o s t - p r o c e s s i n g s o ，i tc a l ls a v em a n yt i m e si na c t u a l p r o d u c t i o n t h ep o s t - p r o c e s s i n gb e c o m ee a s i l y i tc a ni m p r o v ep r o d u c t i v i t y , p r o m i s e c o r p o r a t i o n sb e n e f i t t h i sh a v ev e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：p o s t - p r o c e s s i n g ；c lf i l e ；a u t o m a t i cp r o g r a m m i n g ；n cp r o g r a m ； m a c h i n ec o n f i g u r ef i l e 1 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丝堑堡日期： p 叫岁“ 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 盛，室豆壁导师签名：2 要里叠 日 期： 弘叫5 “ 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 数控技术的发展概况 第1 章绪论 1 9 4 7 年美国p a r s o n s 公司为了精确制造直升机机翼、桨片和直升机框架，开 始探讨用三坐标曲线数据来控制机床的运动，并进行试验。由于军备竞争的需要， 1 9 4 9 年，美国空军与p a r s o n s 公司签订了制造第一台数控机床的合同，美国麻省 理工学院( m i t ) 承担了这一项目，于1 9 5 2 年推出了第一台数控机床，并应用于实 际生产。1 9 5 5 年，n c ( 数控) 机床开始应用与工业生产。此后，数控技术逐步推广 到西方一些工业发达国家。u 1 从2 0 世纪5 0 年代末期，我国就开始研究数控技术，开发数控产品。1 9 5 8 年，清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。经过多年来的 饿不断努力，我国的数控产业取得了长足的发展，国产数控系统基本上掌握了关 键技术，可靠性有了很大提高。但与世界上先进的工业国家还存在着不小的差距， 然而这种差距也在逐渐缩小。 目前数控机床已经经历了两个阶段六代的发展，发展到今天的数控机床综合 应用了自动控制、计算机技术、精密测量和机床结构的最新成果乜1 。数控编程方 法由最初的手工编程发展到目前的c a d c a m 交互式自动编程。无论从耗费的时间 上还是程序可靠性上来讲，c a d c a m 编程都有了比较大的进步。 1 1 2 数控编程技术的发展概况 所谓数控编程，就是把要加工零件的工艺过程、运动轨迹、工艺参数和辅助 操作等信息，按运动顺序和所采用数控机床规定的指令代码及程序格式编成加工 程序单，通过输入装置，将其输入到数控系统中，使数控机床进行自动加工的整 个过程n 1 。数控机床出现不久，计算机就被用来帮助人们解决复杂零件的数控加 工编程问题，即产生了计算机辅助数控编程( c a m ) 。 为了解决数控加工中程序的编制问题，5 0 年代，美国的麻省理工学院( m i t ) 山东大学硕十学何论文 设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为 a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt 0 0 1 ) 。其后，a p t 在工业界的广泛协作下，有 m i t 组织美国各大飞机公司共同开发，形成了a p t i i 。到了6 0 年代，在a p t i i 的 基础上研制了a p t i i i ( 立体切削用) 已经达到了实用阶段。 采用a p t 语言编制数控加工程序具有程序简练、走刀控制灵活等优点，使数 控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素一点、线、 面的高级语言，但a p t 语言仍然有如下缺点： 1 ) 零件的设计和加工之间用图纸传递数据，阻碍了设计与制造的一体化。 2 ) 图纸解释、工艺过程规划要工艺人员完成，对用户的技术水平要求较高， 不仅困难而且容易出错。 3 ) 用a p t 语言描述零件模型一方面受语言描述能力的限制，另一方面也使 a p t 系统的几何定义部分过于庞大。 4 ) a p t 语言缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的 验证方法和手段。 针对a p t 语言的这些缺点，1 9 7 8 年，法国达索飞机公司开始开发集三维设 计、分析、n c 加工一体化的系统，称为为c a t i a 。随后很快出现了象e u c l i d ， u g i i ，i n t e r g r a p h ，p r o e n g i n e e r i n g ，m a s t e r c a m 及n p u g n c p 等系统，这些系 统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹 生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了c a d 和c a m 向一体化方向发展。 到了8 0 年代，在c a d c a m 一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系 统( c i m s ) 及并行工程( c e ) 的概念。目前，为了适应c i m s 及c e 发展的需要，数控 编程系统正向集成化和智能化的方向发展。在集成化方面，以开发符合 s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g e o fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 标准的参数化特征造 型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能 化方面，工作才刚刚开始，还有待我们的科研人员去进行深入的研究开发。 1 1 3 后置处理技术 数控机床的各种运动和操作都是执行特定的数控指令的结果，完成一个零件 的数控加工一般需要连续执行一连串的数控指令，即数控程序。手工编程方法根 2 第一章绪论 据零件的加工要求与所选数控机床的数控指令集直接编写数控程序，在穿孔纸机 上穿好纸带或者直接编辑输入数控机床的数控系统。这种方法对于简单二维零件 的数控加工是非常有效的，一般熟练的数控机床操作人员根据加工工艺的要求即 可完成。自动编程则不同，首先在c a d c a m 系统中完成零件的建模，然后经过刀 位计算，此时产生的是刀位文件( c l d a t af i l e ) ，而不是数控程序。因此需要设法 把刀位文件转换成指定数控机床能执行的数控程序，输入到机床的数控的系统， 才能进行零件的数控加工。这种把刀位文件转化为指定数控机床能执行的数控程 序的过程就称为后置处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 。 后置处理系统分为专用后置处理系统和通用后置处理系统。前者一般是针对 专用数控编程系统和特定数控机床而开发的专用后置处理程序。通常直接读取刀 位文件中的刀位数据，根据特定的数控机床指令集及代码格式将其转换成数控程 序输出，这类后置处理系统在一些专用数控编程系统中比较常见，这是因为其刀 位文件格式简单，不受i g e s 标准的约束，机床特性一般直接编入后置处理程序 之中，而不要求输入数控系统特性文件，后置处理过程的针对性强，一般只用到 数控机床的部分指令，程序的结构比较简单，实现起来也比较容易。而通用后置 处理系统一般是指后置处理程序功能的通用化，要求能针对不同类型的数控系统 对刀位文件进行后置处理，输出数控程序。一般情况下，通用后置处理系统要求 输入刀位文件和数控系统的特性文件，只有这样，输出的才是符合该数控系统指 令集及格式的数控程序。 当今的数控机床种类各异且数控系统各不相同，彼此之间存在这一定的差 异。但是通过仔细的分析研究，仍然可以找出它们之间的共同性，主要体现在以 下几个方面： 1 ) 数控程序都是由字符组成： 2 ) 地址字符意义基本相同； 3 ) 准备功能g 代码和辅助功能m 代码功能的标准化； 4 ) 文字地址加数字的指令结合方式基本相同，如g 0 1 、m 0 3 、x 1 2 5 2 等； 5 ) 数控机床坐标轴的运动方式种类有限。 不同类型的数控机床的这些共同性是通用后置处理系统设计的前提条件。 3 i i j 东大学硕十学仲论文 1 1 4 通用后置处理系统的发展现状 目前，外商品化的通用后置处理器，具有代表性的是加拿大i c a m 公司的 c a m p o s t 软件。该软件可以覆盖国内外流行的9 0 以上的c a d c a m 软件和9 0 以上的n c 系统，功能较强。它可以读取所覆盖的c a d c a m 软件所生成的刀具路 径文件，定制所覆盖的n c 系统的专用后置处理器。 国内研制开发的数控加工编程软件和c a d c a m 系统中，由于起步较晚、基础 薄弱等原因，能够真正实现了商品化的并不多，大部分以探索性试验为主。目前 大多数工业企业所使用的数控编程软件都是从国外引进。国内自主开发的c a m 软 件所配备的后置处理还没有能够实现真正的通用。 1 2 课题研究的内容、目的及其意义 1 2 1 课题研究的目的及意义 目前市场上数控系统的多样性，导致了传统的后置处理技术逐渐不能满足新 的需求，需要不断扩展。因此，通用后置处理不仅要支持通用指令( 如直线插补， 圆弧插补等) ，更重要的是支持系统的专业功能，如固定循环等，只有这样，才 能提高代码和加工效率。 现代工业正在逐渐向多品种、小批量的方向发展，需要高效、快速、高度柔 性的制造系统，c a d c a m 的广泛应用为其提供了可能，并且促进了这种发展。后 置处理器的定制是联结c a d c a m 软件与加工设备的关键技术，它直接影响到 c a d c a m 的集成。 随着中国作为世界制造中心地位的不断加深，数控设备在中国的应用不断普 及，国外的数控系统供应商也加大了在中国市场的推广力度，甚至推出了专为中 国定制的数控系统，如西门子等；国内也不断出现有实力的拥有自主知识产权的 数控系统供应商，如航天数控，华中数控，广州数控，凯恩第数控等等。所以的 这些原因，最终导致国内控制系统多种多样，传统的后置处理已经不能满足新的 需求，因此需要开发新型的通用后置处理程序来满足生产的需要。能够处理不 同类型格式的刀具路径文件，并做优化处理，以适应不同类型的机床、不同类型 的系统、不同类型的零件的加工需求，生成的n c 程序不需人工做二次修改，而 4 第一罩绪论 直接应用于机床是通用后置处理器技术的发展方向。 i 2 2 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容如下： 1 针对目前常见的各种数控机床，分析它们的结构特征，建立机床的运动学 模型。 2 针对不同类型的数控机床，分析、总结其后置处理算法。 3 简要介绍刀位文件及数控程序的内容、结构、格式等 4 从通用后置处理系统的原理及所要实现的功能入手进行分析，确定系统的 结构。 5 开发基于v i s u mb a s i c6 0 通用后置处理软件，最后通过实例验证系统 的功能达到要求，即能够输出可用的数控程序。 耋三盖警錾墨蜃耋翟：蓦篓譬銮 第二章数控机床运动学建模技术 21 数控机床的分类 数控机床的种类繁多，根据数控机床的功能和组成的不同，可以从多种角度 对数控机床进行分类。 1 按运动轨迹分类 1 ) 点位控制数控机床 如图2 - 1 所示，点位控制是指数控系统只控$ 1 7 j 具或工作台从一点移至另一 点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控 制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。 | 呈| l 点位控制数控机床 2 ) 点位直线控制数控机床 如图2 - 2 所示，点位直线控制是指数控系统除控制直线轨迹的起点和终点的 准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类 控制的有数控铣床、数控车床和数控磨床等。 图2 - 2 点位直线控制数控机床 3 ) 轮廓控制数控机床 亦称连续轨迹控制，如图2 - 3 所示，能够连续控制两个或两个以上坐标方向 山东人学硕士学何论文 的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数拧装簧具有插补 运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐 标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制 的有数控铣床、数控车床、数控磨床和加工巾心等。 图2 - 3 轮廓控制数控机床 2 按伺服系统控制方式分类 1 ) 开环控制系统 丌环控制系统是指不带反馈装置的控制系统，由步进电机驱动线路和步进电 机组成，如图2 - 4 所示。数控装置经过控制运算发出脉冲信号每一脉冲信号使 步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。 这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受 到限制。 竺逗竺三圈萄萨 幽2 4 开环控制系统 2 ) 半闭环控制系统 如图2 - 5 所示半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移 检测装置通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反 馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行 控制使移动部件补充位移直到差值消除为止的控制系统。 第一：章数控机床运动学建模技术 这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多 数中小型数控机床所采用。 图2 - 5 半闭环控制系统 3 ) 闭环控制系统 如图2 6 所示，闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检 测装置，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移 值进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止 移动，达到精确定位的控制系统。 图2 - 6 闭环控制系统 9 山东人。了：硕十学位论文 曼曼曼曼曼皇m 皇皇皇曼量曼皇曼曼曼曼曼曼寡曼曼曼曼曼曼曼量! 曼鼍曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼吕毫量曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼量曼曼舅皇曼量量曼曼皇曼皇鼍 闭环控制系统的定位精度高于半闭环控制，但结构比较复杂，调试维修的难 度较大，常用于高精度和大型数控机床。 3 按加工方式和工艺用途分类 1 ) 普通数控机床 普通数控机床一般指在加工工艺过程中的一个工序上实现数字控制的自动 化机床，如数控铣床、数控车床、数控钻床、数控磨床与数控齿轮加工机床等。 普通数控机床在自动化程度上还不够完善，刀具的更换与零件的装夹仍需人工来 完成。 2 ) 加工中心 加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，它将数控铣床、数控镗床、 数控钻床的功能组合在一起，零件在一次装夹后，可以将其大部分加工面进行铣、 镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工。由于加工中心能有效地避免由于多次安 装造成的定位误差，所以它适用于产品更换频繁、零件形状复杂、精度要求高、 生产批量不大而生产周期短的产品。 3 按联动轴数分类 数控系统控制几个坐标轴按需要的函数关系同时协调运动，称为坐标联动， 按照联动轴数可以分为： 1 ) 两轴联动 数控机床能同时控制两个坐标轴联动，适于数控车床加工旋转曲面或数控铣 床铣削平面轮廓。 2 ) 三轴联动 数控机床能同时控制三个坐标轴的联动，用于一般曲面的加工，一般的型腔 模具均可以用三轴加工完成。 4 ) 多坐标联动 数控机床能同时控制四个以上坐标轴的联动。多坐标数控机床的结构复杂， 精度要求高、程序编制复杂，适于加工形状复杂的零件，如叶轮叶片类零件。 通常三轴机床可以实现二轴、三轴加工；五轴机床也可以只用到三轴联动加 工，而其他两轴不联动 l o 第二章数控机床运动学建模技术 2 2 数控机床的运动学建模技术及其后置处理算法的研究 数控机床的实质就是通过数控系统来控制机床各个运动轴的运动来完成工 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。数控机床的运动 学建模与求解是实现机床运动控制的基础，在数控编程后置处理、加工精度控制、 进给速度控制和机床几何误差补偿中都必须用到机床的运动学模型。在这里我们 所研究的数控机床机械结构的运动学建模技术主要是基于机床的理想运动机构， 即机床各平动轴运动方向及旋转轴轴线方向与机床标准坐标系的坐标轴方向完 全一直，并互相严格垂直。所以，我们将根据机床联动轴数的不同来分析数控机 床的后置处理算法 1 。 三坐标数控机床的运动坐标通常情况下仅包含三个移动坐标x 、y 、z ，不包 括转动坐标，这是最简单的一种情况。它的后置处理算法比较简单，仅进行坐标 点的平移即可完成，不涉及坐标的转动，故不做详细的介绍，下面针对比较复杂 的四座标以及五座标数控机床的后置处理算法进行详细的介绍。 2 2 1 图形变换的基本原理 在c a d c a m 系统中，几何图形是最基本的元素。图形由图形的顶点坐标、顶 点之间的拓扑关系以及组成图形的面和线的表达模型所决定。图形的几何变换， 归根结底是点的坐标变换b 1 。 对于平面上的点，有如下齐次变换矩阵： 阵。 k y1 】= by1 】丁 ( 2 - i ) 其中( x ，y ) 为变换之前的点坐标，( x ，少。) 为变换以后的点坐标，t 为变换矩 对于由多个点、线、面组成的二维、三维图形，有： v = v ot ( 2 - 2 ) 式中：v 变换以前图形的顶点坐标矩阵； v 变换以后图形的顶点坐标矩阵； 山东大学硕十学何论文 t 图形变换矩阵。 对于二维图形，t 是3 * 3 阶齐次矩阵；对于三维图形，t 是4 * 4 阶齐次矩阵。 图形变换的主要工作就是求解变换矩阵t 。因为我们所讨论的数控加工后置处理 算法所设计到的坐标变换主要是针对三维空间的，因此，我们仅讨论三维空间中 的图形变换原理。在三维变换中，我们采用右手坐标系，习惯上人们一般采用如 图2 - 7 所示的右手坐标系，且规定，物体绕各坐标轴旋转的正方向为右手螺旋方 向。 z t - r 手三主善 q q 1 2 第二章数控机床运动学建模技术 abc de f hi j 产生比例、对称、错切、旋转等基本变换。 p m刀】l 工3 产生平移交换。 bqr s r 。产生透视变换。 i s 】 产生全比例变换。 在进行数控机床的后置处理算法的研究时，仅仅使用到了平移和旋转变换， 因此，本论文仅讨论这两种变换方式的变换矩阵。其余变换可以参见参考文献。 1 旋转变换 三维旋转变换可以分为绕坐标轴旋转变换和绕任意轴的旋转变换这里我们 讨论前者。三轴旋转变换可以看做是三个二维旋转，且旋转轴分别是x 、y 、z 轴。 ( 1 ) 绕x 轴旋转q 角 变换矩阵为： ( 2 ) 绕y 轴旋转1 3 角 变换矩阵为： ( 3 ) 绕z 轴旋转y 角 t 。2 1o 0c o s a 0一s i na oo t，)，：r三ii三 l o o 1 o o oo s i na0 c o l , l a0 01 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) p ， 嘶。邶。 豳。 册。 一 c 山东人学硕十学位论文 变换矩阵为： t ，：2 c o n y s i ny00 一s i nyc o s y 0 0 o01o ooo1 ( 2 - 7 ) 这里旋转的角度仅、p 、y 应该是正的，即绕坐标轴顺时针旋转的角度。 2 平移变换 将空间一点( x 、y 、z ) 平移到一个新的位置( x 、y 、z ) 的变换矩阵为 r1 00o li l0 1001 个一i l ，一l0 010 ii llm ，lli l j 其中，l 、m 、n 分别为沿x 、y 、z 方向上的平移量。 2 2 2 带回转工作台的四坐标数控机床后置处理算法 ( 2 - 8 ) 一般情况下，带回转工作台的数控机床的运动坐标包括三个移动坐标x 、y 、 z 和一个转动坐标，该转动坐标可以是绕x 轴旋转的转动坐标a ，可以是绕y 轴 旋转的转动坐标b ，也可以是绕z 轴旋转的转动坐标c 。由数控机床的运动关系可 知，绕z 轴旋转的转动坐标c 不改变零件) j n - r _ 的刀轴方向，故具有运动坐标x 、 y 、z 、c 的四坐标数控机床不能实现曲面零件的四坐标数控加工，不包含在四坐 标数控机床的范围之内。 1 4 ( 1 ) x 、y 、z 、a 四坐标的数控机床后置处理算法 垂三茎蝥堡篓垂至窒茎至堡鳘銮 x 图2 - 9x 、y 、z 、a 四坐标数控机床刀轴矢量转动关系 图2 - 8 是x 、y 、z 、a 四坐标数控机床的运动学模型，它的刀轴矢量转动关 系如图2 - 9 所示。由于这种数控机床进行加工时工件只能绕x 轴旋转，因此要求 刀轴矢量的x 分量为0 ，否则，该机床便不能进行加工。由于在刀位文件中是刀 具相对于工件运动，刀具摆动而零件不动，故需要将刀具相对于工件坐标系的运 动( 包括平动、转动或摆动) 转化成实际机床加工时工作台的运动。即根据刀心坐 标( ，虬。，z 。) ，刀轴矢量a ，来求解加工机床的运动坐标值x 、y 、z 、a 。假设 工件坐标系为d 。x y z ，工件可绕坐标轴x 转动a 角，刀心c 0 在工件坐标系中的位 置为( z 。，虬。，z 。) ，刀轴矢量a ( 单位矢量) 在工件坐标系中为( d ，q t ) ，其中 d ，= o ，求机床的实际运动坐标值x 、y 、z 和a 。 山东人。学硕十学位论文 _ 设刀轴矢量口为自由矢量，首先将刀轴矢量的起点移动到工件坐标系的原 - 点，然后将刀轴矢量绕x 轴顺时针转到与z 轴方向一致。将刀轴矢量口的转动 转化为刀具相对工件的转动( 因为机床的运动指的是刀具相对与工件的运动) ；使 刀具相对与工件绕x 轴逆时针转动a 角( 逆时针旋转可保证转动角a 的值为正) ， 如图所示 其中a 角的计算公式如下： 彳留引 a = 1 8 0 。一a r c t y a = 1 8 0 。+ a r c t y a = 3 6 0 。一a r c t y e ：嚣) e ：羔) ( 2 - 9 ) c 当口：= o 时a r c t g l a y 习。， 求刀心c o 经工件转动后在工件坐标系吼x y z 中的位置，即机床的运动坐 标值x 、y 、z 。 工件绕x 轴旋转了一a 角，其变换矩阵为： 1 6 丁：陲 o c o sa s i na o 因此机床的运动坐标值x 、y 、z 即可根据以下公式求得： 展开后求的 ( x yz 1 ) = ( x c 0y c o z 1 ) t ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) y 一 ： y 一 ： y 一： 口一口 口一口 口一口 o o 0 1 彳彳 o m s o s o c 釜三耋茎垒墼堕耋窒薹堡堡彗奎 x = x y 2 y qc o s a + z f 。s i n af 2 1 2 1 z = 一y 。s i n a + 2 qc o s a ( 2 ) x 、y 、z 、b 四坐标数控机床后置处理算法 + 图2 - 1 0 x 、y 、z 、b 四坐标数控机床运动学模型 x 图2 - 1 1x 、y 、z 、b 四坐标数控机床刀轴矢量转动关系 在运动坐标为x 、y 、z 、b 的四坐标数控机床上加工曲面，要求刀轴矢量的 y 分量为零。它的运动学模型如图2 一l o 所示。与上述过程类似，先假定工件坐标 为0 。x y z ；工件可绕y 轴转动b 角：刀心c 。在工件坐标系中的位置为 i l j 东大学硕十学位论文 ( x 。，y z 。) ：刀轴矢量a ( 单位矢量) 在工件坐标系中为( 口，口ya ：) ，其中 g y = 0 。由图2 一1 1 可以求得机床的运动坐标值x 、y 、z 、b 。 b 留蚓 s o o 一纱h 纠8 0 0 + 伽纱h 一6 0 0 一哪蚓 p ，2 0 1 k ，2 0 ， e x 。0 ) 2 。1 3 p ，0 1 k o ， c 她毗一留阱 求刀心c o 经工件转动后在工件坐标系o wx y z 中的位置，即机床的运动坐标 值x 、y 、z 。 工件绕y 轴旋转了- b 角，其变换矩阵为： 1 8 rc o n b i o t _ i s i i lb l l 0 0s i nb 1o 0c o n b oo 因此机床的运动坐标值x 、y 、z 即可根据以下公式求得： 展开后求的 ( 2 - 1 4 ) 似】，z ) 2 ( x c 0 y 。o z f 0 1 ) 丁 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 艿 8 酊 吃 乙 艿 弘 虹 b o n c 吼 如砌砾 = = i i x y z 第t 章数控机床运动学建模技术 2 - 2 - 3 五坐标数控机床后置处理算法 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 轴旋转的三个转动坐标a 、b 、c 中的任意五个坐标的线性插补运动。通常是x 、 y 、z 与三个转动坐标a 、b 、c 中的任意两个组成的五坐标联动。 转动坐标a 、b 、c 的运动是由刀具和工件的相对运动来实现的，因此既可以 是回转工作台的转动，也可以是刀具的摆动。由于不同类型数控机床的运动方式 不一致，因此后置处理算法也不相同。下面对其分别进行研究。 ( 1 ) 带回转工作台的五坐标数控机床后置处理算法 一般情况下，带回转工作台的五坐标数控机床所有的运动都是由工作台来完 成的，刀具仅能绕它自己的刀轴回转，因此需要将刀具相对与工件坐标系的运动 ( 移动、转动或摆动) 转换成工件相对于刀具的运动。五坐标数控机床运动坐标包 含三个移动坐标x 、y 、z 和两个转动坐标，这两个转动坐标既可以是a 和b ，也 可以是b 和c ，还可以是c 和a 。为了不失一般性，我们以x 、y 、z 、a 、c 五坐标 数控机床为例来介绍带回转工作台的五坐标数控机床后置处理算法，其机床的运 动学模型如图2 - 1 2 所示。 如图2 - 1 3 所示是x 、y 、z 、a 、c 五坐标机床加工刀轴矢量转动关系，设工件 坐标系为0 x y z ，工件可绕坐标轴x 摆动a ( o 。a 9 0 。) 角，工件可绕坐标轴y 转动c 角，工作台回转轴与z 轴一致；机床运动坐标系为or x y z ，0 缈o r = d ：刀 心c o 在工件坐标系中的位置为( x 勺，y ，z ) ，刀轴矢量口( 单位矢量) 在工件坐 标系中为( 口。口，口：) 。只要求出机床的运动坐标值x 、y 、z 、a 、c ，就可以得到 其后置处理算法。 1 9 图2 1 2x 、y 、z 、a 、c 五坐标数控机床运动学模型 t a ， 劢 o w 趣 坐上。t x 图2 - 13x 、y 、z 、a 、c 五坐标机床加工刀轴矢量转动黄系 在计算时，首先将z 坐标轴相对于工件绕x 轴逆时针转动a 角，然后再将z 坐标相对于工件绕z 轴逆时针转动c 角。通过这种变换可以使整个加工过程中 机床坐标系的z 坐标轴与刀轴矢量方向保持一致( 相当于刀轴在加工中没有转 动或摆动) 。其中a 、c 的计算公式如下： ：嘴监堡 = 9 0 。 0 0 ) ( 2 - 1 7 ) ( 口：= 0 ) 第二章数控机床运动学建模技术 o + 觥留引 c 翊o - 吣引 c 翊o o + 伽增引 c 瑚。培剖 q 1 8 a ，o 、 h o j ( 当口，= 。时， 令a r c t g i a 口y ，l i - - 9 。) 下一步，求出刀心c 。经工件转动后在机床坐标系or x y z 中的位置( 即机床的 运动坐标值x 、y 、z ) 。将工件坐标系o wx y z 平移到机床坐标系o rx y z 的变换矩 阵为 t l 2 10 0 1 oo o0 oo oo 1o d1 将工件绕z 轴旋转一c 角，变换矩阵为： t 2 2 c o sc s i nc0 0 s i ncc o sc0 0 oo10 oo0l 将工件绕x 轴旋转一a 角，变换矩阵为： ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 2 l 0 0 o 0 一 一 一 工 y 簟 y 口 口 口 口 山东大学硕十学位论文 t 3 2 最终的计算公式为： 将其展开后得到 1o 0c o s a 0s i na oo oo s i na0 c o s a0 ol ( 2 - 2 1 ) 似】，z ) = ( x 勺y z 岛1 ) 互瓦t 3 ( 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 ) 刀具摆动的五坐标数控机床后置处理算法 刀具摆动的数控机床其工作台不能进行转动，刀具可以绕坐标轴进行转动它 的运动学模型如图2 - 1 4 所示。以x 、y 、z 、c 、a 五坐标数控机床为例来介绍刀 具摆动的五坐标数控机床的后置处理算法。已知，工件的坐标系为0 妒x y z ，刀具 可绕坐标轴x 转动a ( 00 a 9 0 。) 角，刀具可绕坐标轴z 转动c 角；摆刀中心点 c 0n t j 心c o 的距离为l ；刀心c o 在工件坐标系中的位置为( x 岛，y 勺，z ) ；刀轴 矢量a ( 单位矢量) 在工件坐标系中为( 口，a ，a ：) 。那么我们来求出机床的运动坐 标值x 、y 、z 、c 、a ，如图2 1 5 所示。 4m 叫 ， s s ) 础 啷 彳 + n 彳啷 2托 气 s l o 瞄 以c 研 s ， 们妣 仪 傩 以 ” 豳 “ 叫 刚小 好 以 “；。咖 如 如 x y z 亿、 量三耋鍪笔銎蜃耋塑茎塞篓鳘銮 凹2 f 4 月具摆动的五坐标数控机床运动学模型 制2 一1 5 刀具捏动五坐标数控机床刀轴矢量转动关系 首先，求出a 、c 角的表达式。关于刀具摆动的五坐标后置处理算法的a 、c 角的求解跟回转工作台的求解方法基本一致，即： 山东火学硕十学何论文 b 留 c 硼c 增h c 翊o o 一吣引 c 翊o o + 舢辔引 c 圳。一c 留引 ( 口z o ) ( 2 2 4 ) ( a ：= o ) ( 2 - 2 5 ) c 乩删，令伽增阱 然后，求解摆刀中心c o 经刀具摆动后在工件坐标系o w x y z 中的位置，即机 床的运动坐标值x 、y 、z 。 如图2 1 5 所示，摆刀中心c b 以c o 为中心绕x 轴摆动a 角，变换矩阵为： i 1 o 10 c o sa t ：l 1 i l0一s i na l l0 0 摆刀中心c b 以c 。为中心绕z 轴转动c 角，变换矩阵为： t：r二兰萎：三三专暑至；1 ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) 、，、，、，、 o o o 0 ：o 0 o o 一 一 一 f e a t n o 7 0 m a c h i n u n c x 0 1 ，1 $ $ 一 c u t c o m _ g e o m e t r y _ t y p e o u t p u t - o n _ c e n t e r u n i t s 删 l o a d t l l $ $ 一 c u t t e r 5 0 0 0 0 0 0 $ $ 一 c s y s 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ， 3 7 山东大学硕十学付论文 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ， 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 s p i n d l r p m ，2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ， c l w r a p i d g o t o 一2 5 9 0 0 219 5 6 5 ，一2 2 3 5 0 0 2 3 8 8 2 4 ，5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 r a p i d g o t o 一2 5 9 0 0 219 5 6 5 ，一2 2 3 5 0 0 2 3 8 8 2 4 ，1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 f e d r a t 4 0 0 0 0 0 0 0 0 ，m m p m g o t o 一2 5 9 0 0 2 1 9 5 6 5 ，一2 2 3 5 0 0 2 3 8 8 2 4 ，一5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 cir c l e 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，一0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，一10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，$ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ， 2 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 t o 一2 6 0 3 0 2 8 4 3 2 6 ，一2 2 3 4 8 9 2 0 3 9 8 5 ，一1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 g o t o 一2 6 0 3 0 2 8 4 3 2 6 ，一2 2 3 4 8 9 2 0 3 9 8 5 ，5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 c 0 0 l n t o f f s p i n d l o f f $ $ 一 e n d f i n i 根据第三章中关于p r o e n g i n e e r 生产的刀位文件中刀位文件的介绍，我们 就可以很清楚的知道每一个语句的作用。比如，p a r t n o m f g 0 0 0 1 代表零件名 称；u n i t s 删代表数据以删为单位；r a p i d 表示下一个运动为快速进给等。 也因此我们只需要让计算机来执行这个识别的过程，根据识别的关键字，来确定 下一步的操作，这样就完成了刀位文件的读取过程。 刀位文件是由一行行的字符串所组成的，并且关键词后面一般跟着一个“ ， 因此可以通过编程软件的字符串操作命令来完成这个功能。系统读入刀位文件的 3 8 第四苹数控加t 通用后置处理系统的总体设计 一条语句，首先查询是否存在“”，如果存在，然后将“”前面的字符串读取 出来：如果不存在，就是r a p i d 、f i n i 等语句，最后对读