（机械设计及理论专业论文）基于proe的后置处理技术研究及实现.pdf

论文题目：基于p r o e 的后置处理技术研究及实现 专业：机械设计及理论 硕士生：龚荣文 指导教师：韩敏 摘要 ( 签名)妻蔚 ( 签名) 肇筮 后置处理是将加工刀具路径文件转换成数控机床能够执行的数控程序的过程，其结 果直接影响到加工产品的质量及生产效率。然而，目前国内许多c a d c a m 软件还停留 在c a d 层面上，对c a m 模块的应用效率不高，其中非常关键的原因就是后置处理问 题或者是c a m 模块的刀位点文件c “c u t t e rl o c a t i o ns o u r c ef i l e ) 不完全透明，使得后置 处理程序开发技术难度大、配置复杂且价格昂贵 本文主要介绍了后置处理技术的数学理论、后置处理开发过程及途径、p r o e 各功 能特性及其后置处理开发平台功能；比较了s i n u m e r i k8 1 0 d 和f a n u c1 6 i m 两大数 控系统编程指令的异同，并对n c 数控程序与刀位点文件中各对应参数之间的关系进行 了分析；研究了数控刀位点计算方法及后置处理算法，得出相应计算公式，为编制后置 处理程序提供了理论基础。 基于p r o n c 的后置处理系统开发平台，本文针对德马吉出品的d m g 6 3 v 加工中心 ( s i n u m e r i k 8 1 0 d 系统) 以及瑞士w i l l em i n 公司出品的w 5 2 8 i - i p 五轴加工中心 a m i c1 6 i m 系统) 结构和系统特点，从坐标变换基础理论入手，通过详细的推导，开 发了后置处理程序；利用f i u f 佃f yi n t e r f a c el a n g u a g e ) 解决了孔加工固定循环的难题， 并开发w 5 2 8 i - i p 五轴加工中心的b 轴结构特性，验证了后置处理算法的可行性。 最后，通过对上述数控机床进行试切实验，结果表明：本文开发的后置处理程序能 够满足预期的目标，为生产现场的加工中心提供了有效的后置处理程序；同时，也为不 同结构加工中心的后置提供了理论和经验借鉴。 关键词：数控机床；后置处理；p r o e ；刀位文件；n c 程序 研究类型：应用基础研究 s u b j e c t ：r e s e a r e l aa n dr e a l i z a t i o no f p o s tp r o c e s s i n gt e e l a n o l o g y f o r p n d ，e s p e c i a l t y ：l v l e e h a n i e a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：g o n gr o n g w e n i n s t r u e t o r sh a nm i n a b s t r a c t p o s tp r o c e s s i n gi sa p r o c e s s i o nt h a tc u t t e rl o c a t i o nf i l e i st r a n s f o r m e di n t ot h en c ( n u m b e r - c o n t r 0 1 ) p r o g r a m m ec a r r i e do u t0 1 1t h en cm a e l a i e , i td i r e c t l ya f f e c t sm a c h i n i n g q u a l i t ya n dm a n u f a c t u r ee t t i e i e n e y n o w d a y , l o t 8o fc a d ( c o m p u t e ra i do e s i g n ) c a m ( c o m p u t e ra i dm a u f a e t m ) a 坞s t a g n a t e dt h ec a d t h ea p p l ye t t i e i e n e yo f t l a ec a m i sl o w h o w c v c l r , t h ek c yt ot h eq u e s t i o ni sp r o b l e mo fp o s tp r o e 黜i n go rt h eo p a c i t yo faf e wc 舢幢 c l l t t e rl o c a t i o ns o u l c ef i l e s , w h i c hc a u s et h ed e v e l o p i n gp o s tp r o c e s s i n gp r o g r a m m ei s d i t t i e u l t l yo nt e e l m o l o g y 、d i s p o s i t i o ni sc o m p l e xa n dt h ep r i c ei sh i e , h t h i sp a p e re x p l i c i t l yi l l l r o d u c e st h em a t ht h e o r ya n dd e v e l o p i n gp r o c e s so fi x , s t p r o c e s s i n gt e e l m o l o g y , a n dt h ef u n c t i o l l lc b l t t l i c t e 幅o fp r o e a l s oi n c l u d i n gt h ed e v e l o p i n g p l a t f o r mo fp o s tp r o e 黜i n gi np r o e a l s o ，i tc o m p a r e st h ep r o g r a m m i n gi n s m mb c t w e e n s 肿，h 伍r i k $ 1 0 da n dr n u c1 6 i m i na d d i t i o n , t h ep a p e ra n a l y s e st h er e l a t i o nb e t w c e l l t h ep a r a l n c t e ro fn cp r o g r a m m ea n dt l a ep a r a m e t e ro fc u t t e rl o c a t i o nf i l e s ，i ts t u d i c st h e c o m p u t ew a y so f c u t t e rl o e a t i o l aa n dt h ep o s tp r o c e s s i n ga l g o r i t h m , a n dd r a w st h ea e e o r c l i n g f o r m u l a , p r o v i d i n gt h et h e o r yf o u n d a t i o nf o rd e v e l o p i n gt h e 瑚l s tp r o c e s s i n gp r o g r a m m e b a s i n go i lt h ep l a t f o r mo fp r o n c sp o s tp r o e 燃s i n g , t h e 讲i p 盯s t a r t sf r o mt h et h e o r yo f c o o r d i n a t et r a n s i l i o n , d e v e l o p sl l l cp o s tp r o c e s s i n gp r o g r a m m ef o rd m g 6 3 v ( $ 1 n u m e r i k $ i o ds y s t e m ) c n cm a e l a i n ep r o d u c e db yd m ( 3c o m p a n ya n dt h ew 5 2 $ i - i p ( f a n u c1 6 i m s y s t 锄) l i v e - a x i sc n c m a e l a i n er , r o d u e e db yw i l l em i nc o m p a n y , a n du 湖f i l 0 7 a e t o r y i n t e r f a c el a n g u a g e ) t os o l v et h ed i f l f i e u l t yo fm 粕k n l r i n gh o l e s 位d n gc y c l eo l lt h e p l a t f o r mo fp n c sp o s tp r o c e s s i n gs y s t e m , a n dd e f i n et h eb - a x i sf e a t u r et ov e r i f yt i l e f e a s i b i l i t yo f p o s tp r o c e s s i n ga l g o r i t l m l t h r o u g ht h et e s tm a n u f a c t u r eo nt h ec n cm a c h i n es t a t e da b o v e , t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t t h ep o s tp r o c e s s i n gc a nb es a t i s f i e dw i t ht h ed e s i g no b j e c t i o n s i t 咖p r o v i d er e l i a b l ep o s t p r o c e s s i n gp r o g r a m m ef o rt h ec n c m a c h i n eo n - s i t e ，a n dr e f e r e n c eo ft h e o r ya n de x p e r i e n c e f o ro t h e rc n cm a c h i n e sw h i c hh a v ed i f f e r e n t $ l r u c t i o i $ a sw e l l k e y w o r d s ：n cm h i n i l l g p o s tp r o c e s s i n gp r o ec u t t e rl o c a t i o nf i l e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nb a s i ss t u d y 西要错技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所 傲的任何贡献均已在论文中傲了明确豹说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孚喜薮日期：。叩够夕 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版本人允许论文被查阅和借阅学校可以将本学 位论文的全都或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名：聋镀 指导教师签名；辟揿 炒7 年p 月谚日 1 绪论 1 1 选题的背景 l 绪论 数控加工技术是为适应复杂外形零件的加工而发展起来的一种自动化加工技术，它 是集机械制造、计算机应用、自动化控制以及自动检测于一体的综合性技术。数控技术 的研究起源于飞机制造业，美国密西根t r a v e r s ec i t yp a r s o n s 公司的j o h np a r s o n s 开始尝 试利用轴曲率数据来控制机器的动作，用于切削加工复杂的飞机机身零件( 直升机的螺 旋桨回转翼) 。后来，他还利用数学运算法为空军成功地示范刀具路径切削。1 9 5 2 年由 美国空军与麻省理工学院( t ) 等合作研制而成的世界上第一台三坐标数控铣床 ( c i n c i n n a t i h y d r o t e l 立式数控铣床) ，从而揭开了数控加工技术的序幕。随后日本、德国、 意大利等国家也先后出现自己的数控机床，我国也在1 9 5 8 年就开始数控的序幕，但发 展步伐不快l l i 近年来，随着我国航天航空事业的飞跃发展，更多的新型研制产品层出不穷，从而 使得传统的机械设计与制造方式发生着根本性的变化，特别是现代数控技术的应用，采 用计算机辅助数控编程，大大地缩短了产品的制造周期，加速了产品的更新换代，提高 了产品的质量和竞争力，因而创造了显著的经济效益，为企业提供了广阔的发展空间。 数控技术已是一个机械制造企业技术水平的重要标志，并且成为现代制造业的核心和发 展军事工业的重要战略技术，更是衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志【2 l 。 后置处理是把加工刀具路径文件转换成某数控机床能直接执行的数控程序的过程。 由于后置处理系统与具体的数控机床和数控系统有关，因此，一般的c a d 忙m 系统配 置了一些后置处理程序供用户选择使用，但是，多数后置处理系统对多轴或是一些特殊 的指令没有配置后置程序，直接影响到c a d c a m 系统应用，因而，后置处理程序成为 了c a d c a m 系统的发展必然趋势和要求 1 2 数控技术研究与发展状况 数控加工技术涉及数控机床和数控编程技术两方面，数控编程是目前c a d ，c a m 系 统中最能明显发挥效益的环节之一。对于复杂零件，特别是具有空间曲线、曲面的零件， 如叶片、叶轮、复杂模具等，或者程序量很大的零件，数控编程通常采用自动编程系统， 尤其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥 着重要作用1 9 5 4 年，第一台三坐标数控铣床研制成功之后，美国麻省理工学院( m i t ) 就致力于n c ( n u m b e r - c o n t r 0 1 ) 程序的计算机化，研制出“程序自动编辑工具” ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt o o l ，a m 【3 l i 】。 西安科技大学硕士学位论文 数控系统也随着计算机软硬件的发展而被更为广泛地应用，如日本f a n u c 公司的 f a n u c 系统、德国s i d 肛n s 公司的西门予系统、美国c n c 仆m a ：】m 屺t o n 公司的 a c r a m a c 系统、西班牙f a g o r 公司的f a c t o r 系统、法国n u m 公司的n u m 系 统、日本三菱电机公司的m e l d a s m 3 l 3 系统及中国上海开通公司的m t c - t 系统、 中国南京大方公司的j w k 系统等等，数控厂家不计其数，各种特定功能的机床也应运 而生，这就使得后置处理系统成为了数控加工技术发展的。瓶颈”嘲。 1 2 1 国外的研究动态及发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象 征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对关系国计民生的一些重要行 业( i t 、汽车、轻工、医疗等) 的发展也起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备 的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其 主要研究热点有以下几个方面嘲： ( 1 ) 高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高 产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其 列为5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会( c i r p ) 也将其确定为2 1 世纪的中心研 究方向之一 从发展趋势的情况来看，高速加工中心进给速度可达8 0 n f f m i n ，甚至更高，空运行 速度可达1 0 0 m n d n 左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已 经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国c h q c f i n n a t i 公司的 h y p e r m a c h 机床进给速度最大达6 0 r e r a i n ，快速为1 0 0 n f f m i n ，加速度达2 9 ，主轴转速 已达6 0 0 0 0 r n d n 。德国d m g 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达1 2 0 0 0 0 r r a m 和l g 。在加工精度方面，近l o 年来，普通级数控机床的加工精度已由1 0 p r o 提高到5 p m ， 精密级加工中心则从3 5 p m ，提高到l 1 5 p m ，并且超精密加工精度已开始进入纳米 级( o 0 1 p r o ) ( 2 ) 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁 度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，一台五轴联动机床的效率可以等效于两台三 轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，五轴 联动加工可比三轴联动加工发挥更高的效益。但过去因五轴联动数控系统、主机结构复 杂等原因，其价格要比三轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了五 轴联动机床的发展。 当前由于电主轴的出现，使得实现五轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制 2 1 绪论 造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型五轴 联动机床和复合加工机床( 含五面加工机床) 的发展。 新日本工机的五面加工机床采用复合主轴头，可实现四个垂直平面的加工和任意角 度的加工，使得五面加工和五轴加工可在同一台机床上实现，此外，还可实现倾斜面和 倒锥孔的加工。德国d m g 公司展出d m 【、，0 1 m o n 系列加工中心，可在c n c 系统控制 或c a l ) ，i m m 直接或间接控制下，一次装夹实现五面加工和五轴联动加工。 ( 3 ) 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 2 l 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的 各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺 参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自 适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化， 如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方 便系统的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题，目前许多 国家对开放式数控系统进行了研究，如美国的n g c ( t h e n e x tg e n e r a t i o n w o r k - s t a t i o n m a c h i n ec o n t r 0 1 ) ，欧共体的o s a c a q f o p e ns y s t e ma r e h i t e o mf o rc o n t r o l w i t h i n a u t o m a f i o ns y st e m s ) 、日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) ，中 国的o n c ( o p e n n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来 之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂 家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象( 数控功能) ，形成系列化，并可方便地 将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放 式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通 信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当 前研究的核心。 网络化数控装备是近两年来国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化 将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式 如敏捷制造、虚拟企业，全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制 造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在e m 0 2 0 0 1 展中，日本山崎马扎克 ( m a z a k ) 公司展出的 c y b e r p r o d u e t i o nc e n t e r ( 智能生产控制中心，简称c p c ) ：日本大隈 ( o k u m a ) 机床公司展出r rp l a z a ( 信息技术广场，简称i t 广场) ；德国西门子( s i e m e n s ) 公 司展出的o p e n m a n u f a m d n g e n v i r o n m e n t ( 开放制造环境，简称o m e ) 等，均反映了数控 机床加工向网络化方向发展的趋势 国外对后置处理十分重视，将后置处理作为。如，c a m 软件的主要模块，各软件厂 家也开发了各自的后置处理，u g - g 采用了u g p o s t p r o e n g 砥- r 系统采用p r o n c 西安科技大学硕士学位论文 p o s t ，m a s t e r c a m 系统采用的是p s t 等。部分软件厂家还采用了捆绑式专业后置处理 系统，如s u r f c a 二采用s p o s t , p r o e n g i n e e r 采用i n t e r c i m 公司的( p o s t ，c a t i a 除可采 用i m s p o s t 外还可采用德国的c n e t ，此外还有专业的后置处理系统，如加拿大i c a m t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 公司的c a m - p o s t ，美国s o f l w m - em a g i ci n c 公司的i n t e h i p o s t c a d c a mr e s o u r c e si n c 的n cp o s tp l u s 等。尽管这些c a m 系统大都提供了后置处理 参数配置模块和后置处理算法执行模块，有些c a m 软件还提供了常见数控机床与系统 的后置参数集供用户参考、选用，但其核心部分并不透明。用户通过这些后置处理系统 只能完成大部分机床的数控程序生成等工作，但当遇到一些特殊的数控系统或数控机床 时，需要修改这些后置处理系统提供的数据库模型，对此，用户往往难于处理，也无法 进行运动误差校验、进给速度校验等功能的开发。 总之，新一代数控系统技术水平的大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速 度、智能化、开放式、网络化方向的发展，使得柔性自动化加工技术的水平不断提高。 1 2 2 国内的研究动态及发展趋势 多年来，国内对后置处理理论与技术也进行了深入研究，取得了一定的研究成果。 针对自行开发的c 觥a m 系统，张利波等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b n t 语言描述及 相应的解释算法，并在h u s t c a d m 系统中给予实现嘲。程筱胜等对南京航空航天大学 的超人c a d c a m 系统的通用后置处理系统进行了研究，开发了具有交互式图形系统用 户界面的通用后置处理程序唧，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c a d c a m 系统和m u s t c a d m 系统一样都没能走向商品化。近年来，国内开 发的商品化c a d c a m 系统中，c a x a - m e ( 制造工程师) 是目前应用最广泛的系统，通 过后置处理设置，能解决常见数控机床的后置处理问题。但c u 渔有很大的局限性， 只适用于一般铣削加工，在解决s o d i c k 类型机床的数控代码时，如果零件中涉及到孔的 加工，它将不能生成相关后置代码。对于三维曲面多坐标数控加工及其编程技术，刘雄 伟等探索了其后置处理的算法，韩向利等对五坐标数控机床的后置处理算法原理和后置 处理配置文件参数进行了探索和设计 1 0 1 0 1 1 近几年来，我国机床行业发奋图强，埋头苦干，已向航天工业、造船业、大型发电 及设备制造、冶金设备制造、机车车辆制造等重要用户提供了一批高质量的数控机床和 柔性制造单元( m f ck 这些年来，我国数控技术产业在技术上己有多个方面的跨越。 ( 1 ) 有了自主研制的c a d c a m ( 如北航海尔公司的c a x a - m e 系统) ； c ) 可供应集成化、柔性化的制造装备( 如北京机电院等开发的多台数控几床联成的 局域网，可在服务器上实现加工对象的实体造型，并将加工程序通过网络，自动地传送 到各台数控机床) ； 1 绪论 ( 3 ) 向无图加工领域迈上了一个新台阶( 某航天研究所已完成整个系统的研究) ； ( 4 ) 多轴连动的机床已国产化( 常州机床总厂研制的五轴联动数控机床) ； ( 5 ) 高速加工已开始国产化； ( 6 ) 并联运动机床研究成功。 而基于工程实际应用的需要，对广泛使用的c a m 软件进行后置处理研究与开发是 必要的，李吉平等基于p r o e n g i t 蹦软件，提出了一种新的五坐标数控机床的后置处理： 明兴祖分析了m a s t e rc a m 后置处理系统的基本组成和结构，探索对其开发的途径，但 未涉及具体系统和机床的处理方法；韩建军对a n v i l s 0 0 0 软件进行开放，用c 语编写 了一种后置处理程序，可处理一个回转轴、三个移动轴的s a g e m 加工中心的后置处理。 从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以 提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导 2 l 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套 技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展【1 2 j 。 在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、 用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。 在数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我 国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础【1 3 1 1 3 课题研究的意义 在数控自动编程中，刀位轨迹计算过程为前置处理( p r e p 嘲瑚s i n g ) ，前置处理产生刀 位文件c l f ( c u t t e rl o t i o nf i l e ) 。而将刀位文件与具体的机床特性文件相结合，转换 成适合于机床能够识别的加工程序的过程即为后置处理【5 1 。不同的数控机床或加工中心， 对于相同的加工，代码格式也各不相同，这就要求c a m 软件能够提供不同机床的后置 处理。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，要针对不同的数控系 统对刀位文件进行后置处理，输出数控程序，就需要在其基础上开发出相应的专用后置 处理程序。好的c a m 软件，对于常见数控机床，都提供通用的后置处理模块，但对于 某些数控机床系统的特点，则提供了开放式的后置处理自定义功能。如p r o e 野火2 0 c a d ，c a m 系统，具有采取问答和编程相结合的方式，帮助用户定义特殊的后置处理功 能，使用户具有完成通用后置和专用后置处理的能力。在通用化后置处理的基础上，进 行专用化开发已成为后置处理技术发展的主要趋势 在c a d c a m 软件领域，p m ，e 已经成为结构设计、分析、加工、管理等工程师们 的应用手册，它的用户群体也随着c a d c a m 的普及而广泛地扩大从9 0 年代航空、 航天、汽车几大用户群体，发展为现在成千上万的个人用户，在中国市场上，它已得到 了广泛普及。但是在加工方面，特别在模具加工中，应用p r o e 的m o d e l 进行设计，然 西安科技大学硕士学位论文 后转入m a s t e rc a m 生成程序，存在这样一个无法有效利用p m e 单一数据库特点的问 题，即更改的设计意图不能直接反映到n c 程序中，必须把更改后的3 d 模型转入m a s t e r c a m 再次生成程序。这些冗余操作一方面是因为用户对p m e 的m a n u f a c t u r e 应用不熟， 再就是由p t 公司对后置处理的不透明性所造成的。 通过对p m ，e 的后置处理技术进行二次开发及应用，分析其通用后置处理系统的结 构和组成，探讨通用后置处理系统的刀位点文件、数控系统和机床特性文件、加工工艺 参数等，研究后置处理系统的数据库模型的开发，从而解决了机床的通用后置处理程序 的开发问题，提高了数控加工的效率。同时，在此基础上，利用p r o e 强大的后置处理 能力，针对不同结构的机床系统开发了具有特殊功能的专用后置处理程序，为无图化设 计生产提供了后期保障，也为其它机床系统研制开发后置处理程序提供一定的理论价值 和实际经验。 1 4 本课题的技术路线和主要研究内容 本课题是为了更好利用c a d c a m 的软件为数控机床服务，充分发挥数控机床的生 产效率，针对德国德马吉公司出品的d m g 6 3 v 机床固定循环特性和瑞士w i l l em i n 公司出品的w 5 2 8 h p 机床b 轴工作特性，通过详尽地数学计算与推导，确定了机床n c 数控程序中各参数和刀位点文件中各参数之间的转换关系，利用p r o n c 强大的后置处 理工具开发了它们的后置处理程序，将刀位文件数据转化为机床n c 程序，从而实现在 加工过程机床各轴联动控制 从分析通用后置处理系统及其实现过程出发，确定后置处理开发的难点( 坐标变换 等) 。确定了本课题的技术路线： ( 1 ) 研究后置处理的坐标变换理论，为后置处理的算法研究提供理论基础；深入讨论 刀位点的计算方法，利用坐标变换理论，研究不同结构的四、五轴加工中心后置处理的 算法，为后置处理的开发提供理论基础； ( 2 ) 分析数控程序代码的特点及开发平台( p r o l q c 后置处理器) 的功能特性及语法结 构，为后置处理提供开发平台； ( 3 ) 以p r o n c 后置处理器为开发平台，对三轴加工中心d m v 6 3 v 和五轴加工 w 5 2 8 h p 的后置处理程序进行开发，通过试切来验证后置处理程序的可行性，从而验证 后置处理算法的正确性。 本文研究的主要内容为： ( 1 ) 后置处理技术研究。阐述了本论文研究的背景、意义及数控技术发展的趋势，并 研究了坐标变换的数学理论及后置处理开发过程，为后置处理算法提供理论基础； ( 2 ) 后置处理算法研究。分析了刀位点生成过程及后置处理的过程，利用它们之间空 问坐标的关系，经过数学推导与计算，得出了四、五轴后置处理算法，为开发后置处理 6 1 绪论 程序提供理论基础； ( 3 ) 后置处理的平台( p m ，n c ) 及数控系统代码分析。分析数控系统的编程指令的意义 及结构、p r o n c 的刀位点文件特点及后置处理平台的功能，即f i l 的接口功能分析与 应用；对s i n u m e r i k8 1 0 d 、f a m7 c1 6 i m 系统的编程指令的特点进行剖析； ( 4 ) 基于p r o n c 的后置处理实现及验证。利用p r o n c 的后置处理功能，为德马吉公 司出品的d m g 6 3 v ( s i n u m e r i k 8 1 0 d 系统) 机床和瑞士g r i l l em i n 公司出品的 w 5 2 8 h p ( f a n u c1 6 i m 系统) 机床开发了后置处理，比较两数控系统( 西门子、发那克) 指令实现过程的异同，并通过试切验证后置处理算法的正确性及后置处理程序的可行 性。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 后置处理技术 本章主要对后置处理技术进行研究，分析了通用后置处理系统及其实现途径。通过 对后置处理过程的分析，给出后置处理实现的难点。深入的研究了后置处理开发的难点 之一，即坐标变换理论。 2 1 后置处理系统原理 把刀位文件转换成指定数控机床能执行的数控程序的过程称为后置处理 ( p o s t p r o c c s s i n g ) 。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，将前置处 理中计算的刀位点数据变换成机床各轴的运动数据，并按其控制指令格式转换成为数控 机床的加工程序。一般包括以下几个方面：机床运动变换、非线性运动误差校验、进给 速度校验等。 数控程序就是一连串的数控指令，而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，数控机床的所有运动和操作都是执行特定的数控指令的结果手工编 程方法根据零件的加工要求与所选机床的数控指令集编写数控程序，直接输入数控程序 给数控机床。此方法对于简单的零件的数控加工是有效的。但是对于那些复杂的零件， 就必须利用编程软件来完成，这就是自动编程。自动编程的刀具轨迹计算产生的是刀位 点文件( c l 文件) ，而不是数控程序。那么要完成从刀位点文件到数控程序的转换，就必 须通过与数控机床相应的后置处理程序。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。专用后置处理系统只是针对一些特殊数控编程系统和数控机床而开发的专 用后置处理程序，其刀位点文件也比较简单，不符合i g e s 标准，其数控机床编程的指 令也只用少许，程序结构也比较简单，实现也比较容易。 2 1 1 通用后置处理系统 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i 司类型的数 控系统对刀位源文件( c u t t e rl o c a t i o ns o u r e 冶f i l e ，简称c l s ) 进行后置处理，输出数控程 序，但有些系统的特殊功能也需要专门开发。如图2 1 所示，其操作流程一般由4 步来 完成( c l 文件生成、后置处理程序的开发、n c 程序的生成、数控加工验证) 。 2 1 2 通用后置处理系统实现途径 通用后置处理系统实现的前提是找出数控机床的相同特性，主要是机床坐标轴及运 动方式、文字地址和数字指令、准备功能g 代码和辅助功能m 代码、地址字符意义等 方面。 0 2 后置处理技术 通用后置处理系统实现的路径如图2 2 所示，多数c a d c a m 软件系统中已经提供 一些常用机床和数控系统的相关特征库，可以在它们基础上进行修改，再根据其数控机 床的特有功能及特性进行定制和开发。 图2 1 通用后置处理的操作流程 数控机床 图2 2 通用后置处理系统实现途径 通用后置处理系统采用解释执行方式，从刀位文件逐行读入刀位数据，并根据机床 特性文件进行运动交换、误差校验和速度校验，然后根据数控系统特性文件，将运动数 据进行指令格式转换，由此生成具体机床的加工程序。 2 2 后置处理过程分析 数控机床的各种运动都是执行特定数控指令的结果，完成一个零件的数控加工一般 9 西安科技大学硕士学位论文 i i i i i 需要连续执行一连串的数控指令，即数控程序。利用自动编程方法将经过刀位计算产生 的是刀位文件设法转换成数控机床能执行的数控程序，并输入机床才能进行零件的数控 加工。 后置处理程序的输入数据是输出刀具位置的数据、机床描述信息以及控制机床各功 能的辅助信息等。国际标准组织对刀位数据有相应的标准。后置处理程序的主要任务包 括对刀具位置数据的转换及插补处理，以及对后置处理语句的处理。其过程如图2 3 所 示 判霎 i 件 l 机 1 床 nl 轴 件结衷刊运 丫j 黎 丽l 解 非 线 性 误 差 校 核 与 修 正 机床特性 进 给 速 度 校 核 与 修 正 格 式 转 化 数控 系统 特性 数 控 加 工 程 序 图2 3 后置处理沉程， 后置处理程序的复杂程度与机床的复杂性和性能成正比。运动处理部分是后置处理 的主要任务，它根据由刀位数据文件中读入的刀具位置数据以及几何轮廓数据进行如下 处理，主要工作包括： ( 1 ) 坐标的变换：在多坐标加工的程序处理过程中，就不可避免地要进行转角的计算 和坐标的变换工作。 ( 2 ) 插补处理：根据机床所具有的插补功能和加工对象选择采用合适的插补方法，如 直线插补、圆弧插补、抛物线插补等。 ( 3 ) 极限及间隙校验：要保证机床的工作行程极限不超出，并保证刀具不会切入机床 的任何部分，另外要保证刀具的加工轨迹在公差范围之内 c a m 系统不直接将刀位点文件转换为数控指令的原因在于： ( 1 ) 刀位点文件格式的多样性：尽管c a d c a m 软件生成的刀位源文件一般都采用 j 廿t 语言格式( 一般是其子集) ，这种语言接近于英语自然语言，它描述当前的机床状态 及刀尖的运动轨迹，但不同的c a d ，c m 软件生成的刀具路径文件的格式均有所不同。 ( 2 ) n c 程序格式的多样性：n c 程序由一系列程序段组成，通常每一程序段包含了 加工操作的一个单步命令程序段通常由n 、g ，x 、y 、z ，f 、s 、t 、m 地址字和 2 后置处理技术 相应的数字值组成的，i s o 1 0 5 6 1 9 7 5 和j b 3 2 0 8 - - 8 3 等标准对其中的部分准备功能 代码、辅助功能代码作了统一规定，但数控系统厂家一般都是在参考相关标准的基础上 根据需要自行制定其代码功能。 ( 3 ) 坐标变换：在多坐标加工的程序编制中涉及刀位点坐标的变换，而刀位点文件生 成的是不能直接执行的代码，且数控机床的结构也不尽相同，所以需要通过坐标变换来 使后置处理生成的程序适应数控机床的执行程序。 其中，坐标变换是后置处理开发的理论基础，也是其实现的难点 2 3 后置处理的数学理论 数控机床一般用3 个相互垂直的轴所形成的直角坐标系( 满足右手定则) 来定义刀具 的运动轴向。其轴向运动一般有两种基本类型即线性运动和旋转运动。根据美国电子工 业协会( e l e c t r o n i ci n d u s t r i e s a s s o c i a t i o n ，e i a ) 对数控机床轴向定义标准，如图2 4 所示， 一般有九个线性轴及五个旋转轴。数控机床根据其结构不同，坐标系设定也不同 x x y 图2 4 数控机床轴向定义 坐标系是数控机床程序的基础，一般有机床坐标系、零件坐标系、程序坐标系、工 艺坐标系等，它们之间有一定的联系。 坐标变换就是根据机床坐标系特点，对刀位点进行坐标平移、旋转等变换，具体表 示为： 。 x 1 2 a t x + b ly + c l z + d l 五= a 2 x + b 2 y + c 2 z + d 2 z l = a 3 x + b 3 y + c 3 z + 以 阮kz l 】= byz1 】 ( 2 1 ) o o o l q 以岛以啦以乞以q 岛q 西 西安科技大学硕士擘位论文 2 3 1 坐标平移 平移变换是指立体在空阿沿x 、y 、z 轴三个方向移动一个位置，而立体本身的大 小和形状并不改变，齐次交换矩阵为： t = lo o0 0o d td 2 00 00 1 0 以1 空间一点( x ，y ，z ) 在x 、y 、z 轴三个方向的平移量分别为d l 、d 2 、d 3 ， 化结果为： i x , kz 1 f xyz1 】t = ky ：1 1 = k + 而y + 畋：+ 以】 l0 oo 0o 而如 0 0 00 10 d 3 1 ( 2 2 ) 其平移变 ( 2 3 ) 2 3 2 比例变换 所谓三维比例变换就是将空间立体图形各个顶点按规定的比例放大或者缩小，齐次 变换矩阵为： t = 如果x 、y 、z 轴缩放的比例相同，即为t = s0 0j o o o o o o o o j0 ol ( 2 4 ) ( 其中卿l = 为于c 3 ) 空间 一点( x ，y ，z ) 在x 、y 、z 轴三个方向的放大或者缩小比例s ，其变化结果为： i x ikz 】= ky zi - t - - 工yz1 】 - - x 3 芦嚣】 o o j0 0j o o ( 2 5 ) o o o l o o 岛o o 如0 o q o o o 2 后置处理技术 2 3 3 坐标旋转 三维旋转变换指空间立体绕某一轴旋转一个角度，一般绕坐标轴旋转口角。口角的 正负按右手法则确定：右手大拇指指向旋转轴的正向，其余4 个手指的指向即为口角的 正向l i l o ) x v 平面绕z 轴的旋转口角 空间立体绕z 轴旋转角t z 后，各顶点的z 坐标不变，只是x 和y 坐标发生变化， 如图2 5 所示，其齐次变换矩阵为： l 久。 圉2 5 x y 平面的旋转 t = c o s 口 一s m 口 o o s m 口 c o s 口 o o 旋转后 x 轴 x 轴 o o 0 0 l0 0l ( 2 ) z x 平面绕y 轴旋转口角 空间立体绕y 轴旋转口角后，各顶点的y 坐标不变