（机械制造及其自动化专业论文）复杂曲面数控编程系统的前置处理器开发.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 复杂曲面在机械零件中应用极其广泛，但由于复杂曲面形成原理复杂，加工困难， 精度不易保证，因此多采用数控自动编程系统进行数控编程加工。本文对数控自动编程 系统进行了深入地研究，在对前置处理进行技术研究的基础上，本课题将其作了进一步 推广，扩大其适用范围，具有通用性，初步实现了对前置处理器的实用化开发。 前置处理器开发主要涉及模型的建立和模型参数输入两项主要技术问题。对于模型 的建立，既要有充分的通用性，又要简化编程处理。为此，本文对工件和刀具均采用了 通用模型。对于工件，采用了参数方程和离散数据两种数据输入方式，将所有输入数据 离散后建模统一的数学模型，采用三次参数样条函数表示的曲面通用模型，并对此模型 中的关键问题b 矩阵进行了深入研究，使其在计算机中的存储与读取都很方便；对于 刀具，在充分分析加工复杂曲面常用铣刀类型特征基础上，建立了双锥面加圆环面的三 曲面组合通用刀具模型，研究了各种铣刀模型与通用刀具模型之间的参数关系，建立了 分类刀具的参数化输入方法，并设计了相应的刀具数据库。通用工件模型和刀具模型及 其相应输入存储方法的建立，为无干涉刀位轨迹计算、复杂曲面加工的集合方针和加工 误差分析等核心模块的开发奠定了基础。 本文还对采用通用工件模型和刀具模型计算刀位轨迹的方法进行了研究。借鉴加工 螺杆曲面刀位轨迹计算的思想，本文建立了工件与刀具的空间运动模型，根据最小有向 距离原理，利用五点寻优算法进行了刀位轨迹计算。文中以三坐标数控机床加工复杂曲 面为例进行了说明。 为了便于操作者简单直观地使用编程系统，本文利用软件工程的思想，用 c + + b u i l d c r 语言编制程序，生成了可操作界面，开发了实用化的复杂曲面自动编程系统 的前置处理器，实现了操作简单、人机对话友好的界面，从而实现了对前置处理器的初 步开发。 关键词：数控，自动编程，通用，前置处理器 复杂曲面数控编程系统的前置处理器开发 d e v e l o p m e n to f a d v a n c e dp r o c e s s o rf o rc o m p l e x s u r f a c ec h i c p r o g r a m m i n gs y t e m a b s t r a c t c o m p l e xs u r f a c ea r em o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e di nm e c h a n i c a lp a r t s b u tb l a u s et h e f o r m i n gp r i n c i p l e p r e c i s i o na s s u r a n c ea n dm a c h i n i n gf o rc o m p l e xs u l 幢a c ca 心d i f f i c u l t , c h i c a u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs y s t e mi sa d o p t e dt oc n cp r o c e s s i n g t h ec n ca u t o m a t i c p r o g r a m m i n gs y s t e mi ss t u d i e di nt h ep a p e r ，a n do nb a s eo f t h ea d v a n c e dp r o c e s s i l l gt e c h n i c a l 咒a r c h ，i tw i l lb eg e n e r a l i z e da n dt h ea p p l i e dr a n g ew i l lb ee x t e n d e d f u r t h e r m o r e ，t h r o u g h p r o f o u n ds t u d yo fa d v a n c e dp r o c e s s i n gt e c h n i q u et h ep r a c t i c a ld e v e l o p m e n to fa d v a n c e d p r o c e s s o rc 缸b ea c t u a l i z e d t h ed e v e l o p m e n to fa d v a n c e dp r o c e s s o rm a i n l yc o n s i s t so fm o d e lb u i l d i n ga n d p a r a m e t e ri n p u t f o rm o d e lb u i l d i n g , b o t hs u f f i c i e n tc o m m o n a l i t ya n dr e d u c e dp r o g r a m m i n g a l en e e d e d t h e r e f o r e t h eg e n e r a lm o d e l sa r ea d o p t e df o rt h ew o r k p i e c 髓a n dc u t t e r s f o r w o r k p i e c e s t h ep a r a m e t e re q u a t i o n sa n dd i s c r e t ed a t ai n p u ta 糟u s e d w h e na ut h ei n p u td a t a a r ed i s c r e t e t h eu n i f i e dm a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu p , a tt h e $ a n et i m e , t h eg e n e r a lm o d e lo f c u r v e df a c ei ss e tu pw h i c hi ss h o w na st h r e e - s p l i n ef u n c t i o na n dt h ek e yc o m p o n e n t ，t h a ti s ， bm a t r i xi sr e s e a r c h e d ，a n di tw i l lb ev e r yc o n v e n i e n tf o rc o m p u t e rh o l d i n ga n df e t c h i n g 。f o r c u t t e r s ，o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h ef e a t u r eo fm i l l i n gc u t t e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o r g e n e r a lc u t t e rw i t hd o u b l e - c o n ea n dt o r u si se s t a b l i s h e d , a n dt h ep a r a m e t e rr e l a t i o n s h i p sa r e s t u d i e d , t h e nt h ep a r a m e t e r i z a t i o ni n p u tm e t h o do fc l a s s i f i e dt o o li sb u i l t , a n dt h e c o r r e s p o n d i n gd a t a b a s eo f g r l t t c ri sr e s e a r c h e d t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to f w o r k p i e c ea n d c u t t e rm o d e lw i t ht h e i ri n p u ta n dh o l d i n gm e t h o d s ，i tl a y st h ef o u n d a t i o nt ot h ed e v e l o p m e n t o ft h et o o l - p a t hc a l c u l a t i o n , i n t e g r a t i o nc o u r s ef o rc o m p l e xs u r f a c ep r o c e s s i n ga n dg ：r ：r o r a n a l y s i sm o d u l ea n ds oo n i na d d i t i o n ，t h et o o l - p a t hc a l c u l a t i o nm e t h o dt h a tu s e sg e n e r a lw o r k p i e c em o d e la n d o l r t c rm o d e li sr e s e a r c h e d d r a wl e s s o n sf t o mt h et o o l - p a t hc a l c u l a t i o nf o rp r o c e s s i n gs c r e w r o ds m f a c e ，s p a c em o t i o nm o d e lo fw o r k p i e c ea n dc u t t e ri ss e tu p ，a c c o r d i n gt ot h em i n i m a l i i 沈阳工业大学硕士学位论文 d i 僦t e dd i s t a n c ea l g o r i t h m , t h et o o l - p a t hi sc m c l | l a t e di nf i v e - p o i n ts e e k i n gt o p i nt h i sp a p e r , i ti sg i v e na ne x a m p l ew h i c hu s e st h r e ec o o r d i n a t en cm a c h i n et op r o c e s sc o m p l e xs u r f a c e f o re a s yt ou s et h ep r o g r a m m i n gs y s t e mv i s u a l i z e d ，b a s i n go nt h et h o u g h to fs o l , r a r e e n g i n e e r i n g ，c + + b u i l d e ri su s e dt op r o g r a m m i n ga n do p e r a t i o n a li n t e r f a c ei sg e n e r a t e d , s o t h ep r a c t i c a la d v a n c e dp r o c e s s o ro fa u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs y s t e mf o rc o m p l e xs u r f a c ei s ， a n dt h e m a n i p u l a t i o ns i m p l e a n dm a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c ei sa c t u a l i z e d ， c o n s e q u e n t l y ，t h ep r i m a r yd e v e l o p m e n to f a d v a n c e dp r o c e s s o ri si m p l e m e n t e d k e yw o r d s ：c n c ，a u t o m a t i cp r o g r a m m i n g ，g e n e r a ls e r v i c e , a d v a n c e dp r o c e s s o r 一i 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业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做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：勐遣 日期：迎13 ：9 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景 数控加工是自由曲面高质量和高效率的加工方法。数控加工技术迅速发展， 已成为现代制造技术的重要组成部分。目前，日本、美国、韩国、德国、意大利 等国家正大力开展它的各项技术的研究与开发，取得了很大进展，也走向了实用 化【l q 。近几年，国内的研究与应用也发展很快，现已在机械、电子、汽车、服 装等行业广泛应用。随着复杂曲面的应用日益广泛，人们对复杂曲面加工技术的 研究和探索也在不断深入。提高复杂曲面加工的效率和精度始终是数控加工领域 的关键问题。针对该类曲面形成原理复杂、加工难度大、精度要求高的特点，人 们提出了许多行之有效的解决办法，为保证复杂曲面的质量和精度做出了贡献。 这些研究大都集中在刀位轨迹的获得和优化以及刀位轨迹的干涉检查和处理上。 这方面的理论研究已经比较成熟。其中，具有代表性的有：空间自由曲面非球面 刀加工轨迹自动生成的新原理和计算方法；自由曲面数控加工的直接插补控制方 法；自由曲面五轴平底刀加工路径的n u r b s 化；最小有向距离算法等【5 棚。 数控加工复杂曲面的两项关键技术是：数控系统和编程系统【9 】。目前，专业 化的数控技术已经成熟，p c n c 技术正在推广应用，数控系统的技术正向着网络 化方向发展。国内外数控加工实践表明，在不能开动的数控机床中，有2 0 - - 3 0 是由于编程不及时造成的。所以，提高编程质量和效率对降低成本，提高企业竞 争能力具有重要意义。随着数控编程技术的发展，新的需要解决的问题越来越多， 对自由曲面的数控加工技术的研究不断加深，取得了丰富的研究成果【lo ，n 1 。u g ， p r o e n g i n e e r ，c a t i ac i m a t r o n ，m a s t e r c a m 等c a d c a m 系统都具有了一定的 四、五轴数控编程功能。 随着现代制造业的不断发展，出现了很多新的产品和新的加工工艺方法，目 前成熟的c a d c a m 系统由于其设计结构问题，不能快速响应这些变化，提供相 关功能。因此，一些专用的c a d c a m 系统有很大需求。数控自动编程是编程人 员根据加工对象和要求，借助c a m 系统的交互式菜单，对加工过程和工艺要求 进行描述，而由编程系统自动计算出加工运动轨迹，并输出加工程序，同时在 复杂曲面数控编程系统的前置处理器开发 计算机上进行刀具轨迹模拟，并检查修改程序。目前面向自动编程的c a d c a m 软件比 较多，然而不论那种形式的c a m 系统都要包含在加工参数输入模块、刀具轨迹生成模 块、三维动态仿真模块的前置处理模块和后置处理模块中 1 2 1 。本文在此基础上进行进一 步研究，主要是针对前置处理程序的通用性开发，从而为提高生产效率，获得较高的加 工精度提供理论依据。 1 2 数控编程技术的发展概况、编程方法及趋势 1 2 1 数控编程技术的发展概况 1 9 7 8 年，法国d a s s a u l t 飞机公司开始开发集三维设计、分析、n c j i - i - - - 体化的系统， 称为c a t i a 。随后很快出现了e u c l i d ，u n i g r a p h i e s ，p r o e n g i n e e r ，m a s t e r c a m 等系统，这 些系统都有效地解决了几何造型、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1 1 3 。到 了2 0 世纪8 0 年代，在c a d c a m - - 体化概念的基础上，逐步形成了现代集成制造系统 ( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，c i m s ) 及并行工程( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ，c e ) 等概念。目前数控编程系统正向集成化和智能化方向发展【1 4 j 。 国外开发且应用较广有m a s t t e r c a m ，i b m 和d a s s a u l t 公司的c a t i a - c a d a m ， c v 公司的c a d d s s ，e d s 公司的u g ，p t c 公司的p r o e ，s o l i d w o r k s ，i - d e a s 系统等。 数控加工使用较多的软件为m a s t e r c a m ，c i m a t r o n ，u g 。其中，m a s t e r c a m 属于中档 的c a d c a m - - 体化软件是国内使用者最多的c a m 软件；u g 起源于美国麦道公司的产 品，它是一个集c a d ，c a e 和c a m 于一体的三维参数化机械工程辅助系统软件，适合 在大型企业中应用。c i n l a 缸o n c a d ，c 舢系统是以色列c i m a t r o n 公司的c a d c a m p d m 产品，是较早在微机平台上实现三维c a d c a m 全功能的系统。迄今，已经出现不少商 品化c a d c a m 软件，较著名的有美国p t c 公司的p r o e n g i n e r , e d s 公司的u n i g r a p h i e s ， v c 公司的c a d d 5 0 ，s d r c 公司的i d e a s ，i b m 公司的c a t i a ，m a t r a 公司的e u c l i d ， a u t o d e s k 公司的m d t ( a u t o d e s km e c h a n i c a ld e s k t o p ) ，m a s t e rs e r i e s 公司的m a s t e rc a m ， c n c 公司的s u r f c a m ，以色列的c i m a t r o n 9 0 ，以及s o l i d w o r k s 和s o l i d e d g e 等。这些软 件功能很强大，但价格过高，国内的中小企业无力购买，为此，开发具有自主版权的适 用于复杂曲面加工的数控编程系统非常有必型”，- 6 1 。 沈阳工业大学硕士学位论文 目前国外成熟的c a m 系统( 如u g ，p r o e n g i n e e r ，c a t i a c i m a t r o n ，m a s t e r c a m ) 都 具有强大的自由曲面的数控编程能力，提供了如平切法、等高线法、等参数线法、曲面 交线加工及交线清角、补加工等加工方式。国内对数控编程的研制相对较晚，但制造业 对数控加工技术的需求极大地促进了国产c a d c a m 软件的开发。一些大学在多年的研 究基础上，相继开发了一些具有自主版权的c a d c a m 系统，并已在许多企业中成功应 用。 我国数控编程技术的引进是从6 0 年代开始的，最早起步于航空工业。近几年发展很 快，现已在机械、电子、建筑、汽车、服装等行业逐步进入实用阶段。一方面，直接引 入一些国际水平的商品化软件，工作站级的如s d r c d 的i d e a s ，p t c 的p r o e n g i n e e r ， d a s s a u l ts y s t e m s 的c a t i a ，u gv 1 6 ，i m a n 等，微机级的c a d 软件有s o l i d w o r k s ， s o l i d e d g e ，m d t ，i n v e n t o r 等1 切，c a m 方面的软件有m a s t e rc a m ，w o r k n c d 等。另一 方面，很多研究单位自行开发c a d c a m 系统，c a d 软件的开发较多，而c a m 软件相对 少一些。其中的代表有北航海尔的c a x a 系列、华工科技的开日系列、广州红地的金银 花、武汉天喻的i n t e r 系列及广州的高华c a d 、清华同方软件等，这进一步促进了数控编 程技术在我国的应用和发展f 1 3 ，9 1 。由上述可以看出，目前国内由于自主知识产权在推广 技术进步上受到限制，自主知识产权的软件很少，开发具有自主知识产权的软件是一个 迫切的任务。现在有一些典型的企业，自己并未真正做到c a d c a m 。特别是在c a m 方 面，一些企业没有真正地傲到推广应用。 1 2 2 数控编程的方法 由于数控编程在数控加工中的重要性，数控编程技术随着整个数控技术的发展而发 展，到目前数控编程技术较早期有了飞跃性的提高，许多原来需要由人工处理的问题， 如今均可由数控系统或数控编程软件来完成，从而简化编程并减少程序出错。 数控程序的编程方法主要可划分为如下几种： ( 1 ) 手工编程。手工编程是由人工完成编程各阶段的工作。这对于几何形状简单、 加工程序短、数据处理简单而不易出错的零件显得经济又及时，因此，目前国内大部分 的数控机床编程处于这一层次 复杂曲面数控编程系统的前置处理器开发 随着新型数控系统的不断推进，系统编程功能的日趋丰富完善，手工编程所能处理 的工作已今非昔比。许多数控系统具有参数计算、程序跳转分支运行等功能以实现非圆 曲线的逼近加工等，当然必须由人工建立数学模型。另外，一些固定循环及轮廓编程等 在系统界面上实现了简单的图形对话编程，大大简化了手工编程工作。可以说，当前有 许多新品数控系统在编程方面已有了长足的进步，编程界面也相当友好，但毕竟其工作 主要由人工去完成。因此，当零件复杂、数据处理等工作量大时，手工编程就显得耗时 又不可靠。据统计，手工编程时首件编程时间与机床实际加工时间之比平均约为3 0 ：1 ， 而机床停机原因中约3 0 是由程序造成的。 ( 2 ) 自动编程。整个编程过程除制定工艺方案一般仍需由人工参与外，其余各项 工作均依靠计算机及编程软件或编程机等工具自动完成。编程效率、可靠性高，适合于 复杂零件的编程。 1 ) 语言自动编程。用自动编程语言将加工零件的几何信息、工艺信息等编写成源 程序输入到计算机，计算机在自动编程系统软件支持下，进行翻译、数值计算、后置处 理等而自动生成加工程序。典型的自动编程语言有：a p t ，e x a p t ，f a p t 等。 2 ) 图形自动编程。图形自动编程是利用计算机与编程软件形成待加工工件的几何 型体，这些几何型体可以直接利用编程软件产生，也可来自指定格式的c a d 图形文件。 图形生成后制定工作计划，即确定零件加工顺序和各工步的具体内容，可在界面上窗选 或直接选择加工要素后输入相关工艺参数。工作计划中各工步可即时仿真加工验证，从 而及时进行优化调整以达到最佳效果。整个过程就似在实际机床操作一样直观，操作人 员无须深入了解各种编程语言代码功能便可进行工作。加工程序由最终优化的工作计划 通过后置处理而生成。 图形编程软件一般还具有数据库功能，可对常用工件材料、刀具等建立工艺参数数 据库，这样在制定工作计划时就可根据工件材料和选择的刀具及加工性质自动生成切削 工艺参数值，工作计划的制定显得轻松简便。 3 ) c a d c m 。普通的图形编程软件只能处理两维问题，复杂三维问题的处理一般 需采用c a d c a m 技术。c a d c a m 的工作过程类同于上述图形编程。首先利用c a d 功 能完成零件三维几何实体造型，之后利用c a m 功能形成加工刀具路径，最终由刀具路径 沈阳工业大学硕士学位论文 通过后置处理生成零件加工程序。典型的c a d c a m 软件有u o 、0 u d w o r k s 、 a s t e r c a 口r 0 ，e n g 矾e e r 等。 1 2 3 数控编程技术的发展趋势 ( 1 ) 编程有两个发展方向，一个是大而全，一个是小而专。当前国内的主要趋势 是发展小型系统，从大企业向中小企业普及。 ( 2 ) 系统硬件环境由大中型机、小型机向低成本的p c 机和工作站转移。 ( 3 ) 由单纯的加工数据计算与编写加工程序向工艺处理与加工质量保证方向、高 效率方向发展。 ( 4 ) 逐步增加专用的定做的应用软件。 ( 5 ) 向可视化、集成化、智能化、网络化方向发展口1 捌。 1 3 课题研究的目的和意义 目前，我国国内许多中小型企业在复杂曲面加工方面面临一些困难。比如，由于通 用c a d c a m 系统过于复杂，就需要很高技术水平的工程技术人员。另外，由于这类系 统的价格昂贵，中小企业很难承受。所以本课题初步开发了针对复杂曲面加工的小型化 的数控自动编程系统，使其具有通用性、操作简便等特点。为广大中小型加工制造企业 提供软件支持，满足企业在复杂曲面加工方面的需要。 c a m 系统对复杂多曲面的加工能力具有极其重要的意义，尤其是对于模具加工行 业，如汽车覆盖件模具、电视机外壳模具等，通过复杂曲面的c a m 系统可以有效地降低 制造环节对设计的苛刻要求，符合现实应用的需要。目前虽然出现了许多大型c a d c a m 软件，但是其普及程度并不高。一方面是因为这些软件所提供的功能并不完全符合实际 需要，而其各个模块也都进行了封装，不便或无法对其进行二次开发以添加更适用的功 能；另一方面这些软件绝大多数( 如商用软件p m e n g i n 凇，e u c l i d 等) 都只能用于工作 站，且价格也很昂贵，这就迫使工厂的前期投资太大，不利于普及和推广。国内的广大 中小型加工制造企业迫切需要针对性强、操作简便、价格低廉、小型化的复杂曲面加工 编程系统。 前置处理器是自动编程系统的一个关键部分，它的开发涉及到数据的接口和整个系 统的规划问题。前置处理器的开发水平决定了自动编程系统的应用效果，高水平的前置 复杂曲面数控编程系统的前置处理器开发 处理器将有力地促进复杂曲面自动编程系统的技术水平提高。因此，本课题在前人研究 的基础上，进行了更深入地研究，使其更加完善。此项技术推广到企业中，将会降低复 杂曲面的加工成本，提高企业的生产效率。对进一步扩大c a d c a m 技术在实际加工中 的应用和推广具有重要的现实意义，有利于c a d c a m 的发展和普及。 1 4 课题的主要研究内容与思想 一般来讲数控自动编程系统包括前置处理程序和后置处理程序 2 3 1 。本课题将数控自 动编程系统分为前置处理程序、核心处理程序和后置处理程序。主要研究前置处理程序 和前置处理程序与核心处理程序之间的连接问题。具体工作如下： ( 1 ) 曲面标准化模型，建立用三次参数样条函数表示的曲面通用模型；研究了数 据处理的方法、数据输入方法、数据输入界面；建立了曲面模型的输入、输出规则。曲 面模型采用三次参数样条的重构方法；根据曲面模型确定了输入数据的处理方法；数据 输入方法包括离散数据的输入方法和参数曲面的输入方法；根据输入方法的要求，建立 了对用户友好的输入界面，保证了用户输入参数时的操作简便、快捷。 ( 2 ) 刀具数据库，首先建立刀具的通用数学模型，在此模型基础上研究分类刀具 的参数化输入方法。建立了具有常用的加工复杂曲面的刀具数据库，使用时只需选择所 要使用的刀具，输入部分参数即可调用所需的刀具。刀具的通用数学模型采用双锥面加 圆环面的三曲面组合模型；刀具分类按通用的分类法进行，在通用c a m 系统常用的分类 基础上，增加盘形铣刀类；刀具数据库按刀具分类建立。 ( 3 ) 建立规则化、有一定通用性的坐标系。即所有模型放在此坐标系中都通用。 ( 4 ) 根据最小有向距离原理算法的要求，建立前置处理技术和核心处理程序之间 的连接，利用软件工程技术确定两者的连接规则，保证了无隙连接。 ( 5 ) 用c + + b u i l d e r 语言编制各种程序，生成可操作界面，开发了实用化的复杂曲 面自动编程系统的前置处理器，达到了使其很好地与基于最小有向距离算法获得的无干 涉刀位轨迹的核心计算软件之问连接的目的。 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 系统结构 一般来讲，数控自动编程系统主要由前置处理程序，也称主处理程序( m a i n p r o c e s s o r ) 和后置处理程序( p o s tp r o c e s s o r ) 两部分组合而成洲。本文将数控编程系统 分为前置处理程序、核心处理程序和后置处理程序。前置处理程序主要解决工件输入与 刀具输入问题。核心处理程序主要包括刀位校验模块，最终可以计算出刀位轨迹，得到 刀位数据( c l d ) 文件。但这种刀位数据不能直接用作数控机床的输入信息，必须经过 后置处理程序将其转换成数控装置能接收的形式。后置处理程序是专用的。由于数控系 统的种类繁多，为了能够快速生成后置处理程序，一般采用多模块设计。一般由输入与 控制模块、运动模块、辅助功能模块、输出模块及一些函数组成。 2 1 前置处理程序 数控系统中对用户加工程序的前置处理是c h i c 系统控制软件的重要组成部分。它 的任务是当数控系统接受到来自c a d c a m 软件或用户手工编制的特定的标准代码( 即 零件加工程序) 后，对其进行解释译码处理，因此，从用户加载加工程序到数控机床按 照所加载加工程序的要求加工出产品的过程中，前置处理系统起着举足轻重的作用，它 的效率将直接影响到数控系统的实时处理能力和数控机床加工的运动速度及加工生产 率口5 捌。 前置处理程序包括输入翻译模块和计算模块。其中计算模块包含有几何运算模块、 自由曲线曲面模块、组合曲面模块。本文中前置处理程序主要研究工件数据和刀具切削 运动数据的产生问题。工件主要解决数据的处理、数据的转换和数据的输入问题；建立 曲面模型的输入、输出规则。刀具首先是建立通用刀具数学模型、研究分类刀具参数化 方法、建立通用刀具数据库。 2 1 1 对工件的处理 传统意义下的实体造型技术至今还限制在圆锥体、椭圆体等规则曲面形体，而地形 地貌描述、矿藏储量图示、人体器官造型与c t 图像三维重建、制鞋等，由于其表面无法 用简单的数学方程来表达，而且很多情况下只知道被加工曲面的一系列离散点，因此， 必须想办法将所给的两种曲面形式统一到通用的模块中。 复杂曲面数控编程系统的前置处理器开发 对任何一种工具，都要求其既有通用性又要简化，目前，工件数据输入形式有参数 方程输入，离散点输入，为了便于编程，先将已知表达方式为参数方程的曲面按一定精 度离散成点，即对所有数据进行离散后统一建模。 为了建立通用曲面拟合模型，必须选择一种合适的拟合参数方程形式。本文建立了 统一的双三次参数样条曲面通用工件模型。采用此种形式的曲面拟合方式，用已知的型 值点或由曲面离散得到的型值点进行计算，得到曲面通用模型，这样无论以离散点形式 还是曲面方程形式输入，经过拟合后都具有统一的形式，便于处理和缩小程序规模，同 时便于以后在与核心处理程序连接计算刀位轨迹时，能让工件以通用形式表示，便于工 件与刀具之间的运动计算，从而改善了以往对每一个已知曲面都要根据其特有的形式进 行专门的计算的缺点。 2 1 2 对刀具的处理 由于加工复杂曲面，其形成原理比较复杂，加工难度较大，制造精度不易保证。要 得到满足精度的复杂曲面，刀具的轮廓设计非常关键。 数控加工中常用的刀具有平头圆柱铣刀、球头圆柱铣刀、带导圆的圆柱端铣刀、平 底锥铣刀、带导圆的平底锥铣刀、球头圆锥铣刀、花冠头锥铣刀和盘形铣刀等。在核心 处理程序中，计算刀位轨迹时，要选用一种刀具与加工曲面作啮合运动。因此，为了能 够在系统中方便迅速地找到所用的刀具，必须将刀具放到一个通用的数据库中，并且为 了便于通用刀具的存储，也需建立通用的数学模型。 就目前的研究文献来看，扫描体的求解方法主要有以下几种方法：一是扫描微分方 程( s e d e ) 方法【2 7 , 2 8 1 ，这种方法要求解隐式方程，一般采用龙格库塔数值求解法，要 在工作站上才能有效运行；二是扫描包络法 2 9 。3 1 】，它也要求解隐式方程，且大多文献介 绍的方法，误差不可控，不能在机床坐标系中进行仿真，这样会忽略非线性误差p 2 l ；三 是移动实例法【3 3 1 ，其仿真速度慢，精度不高。 为使刀具扫描体的计算不局限于某种特殊形状的刀具，本文采用了双锥面加圆环面 的三曲面组合的刀具通用数学模型。将刀具分为三个加工表面，每个表面都用一个通用 的方程表达式；刀具分类按通用的分类法进行，在通用c a m 系统常用的分类基础上，增 加盘形铣刀类，并设置了刀具的相关参数，每种刀具都有一些默认参数值为固定值，其 沈阳工业大学硕士学位论文 余参数将由操作者根据经验与要求自己定义输入；刀具数据库按刀具分类建立。 2 2 核心处理程序 核心处理程序主要建立运动模型进行刀位轨迹计算、误差分析、干涉校验等。 ( 1 ) 刀位轨迹计算。在空间复杂曲面的数控加工中，由于复杂曲面的曲率分布不 规则，在实际切削加工中，刀具与被加工曲面很可能发生干涉或碰撞，如何快速生成无 干涉刀位轨迹，是数控编程技术研究的核心任务，也是实际生产中急待解决的问题。 进行刀位轨迹计算首先要建立运动模型。没有好的运动模型，刀具和工件之问的关 系则无法建立，只能建立它们之间的固定关系，即工件与刀具固定不动。 本文在螺杆加工的三坐标数控铣床基础上，利用最小有向距离原理，利用接触迹的 连续性，以刀具不发生干涉为前提，采用跟踪计算技术求取有限个刀具与被加工曲面之 间的最小距离及刀位点。此方法具有计算可靠、效率高、无迭代收敛性问题等优点。 ( 2 ) 误差分析。误差就是实际值与理想值之间的差异。在科学研究和生产实际中， 由于生产技术的发展水平、加工中各种条件的影响、实验中设备不完善，周围环境不理 想、实验人员技术水平不高、实验方法不完善等因素的存在，必然导致实际加工与理论 数值、实验结果与真实值之间存在差异。也就是说，误差是普遍存在的。我们的目标就 是对误差产生的原因、影响因素以及对含有误差的数据的处理等进行研究，在误差允许 的范围内，使实际加工所得到的表面更趋近于理论要求的表面，使产品满足性能要求。 分析了误差的存在及变化规律，就可以通过对误差的预报、消除、减小、补偿、控制、 抵消、转移及误差均化等方法来达到降低误差，提高加工精度的目的。 对于复杂曲面来说，要分析实际加工曲面与理论曲面之间的误差情况，应该分析曲 面上各点处的法向误差，这是由于复杂曲面的特殊性所决定的。复杂曲面在空间上具有 复杂形状，如果单一分析某一方向上的误差，不足以说明实际曲面与理论曲面的误差情 况，但只要我们求出曲面上各点处的法向误差，就可以真正确定实际曲面与理论曲面之 间的差异程度。利用仿真方法，可以求出已知刀具曲面和无干涉刀位轨迹条件下的实际 加工曲面廓形，分析实际加工曲面与理论曲面之间的法向误差的问题。 ( 3 ) 干涉校验。数控加工复杂曲面时，由于刀具轨迹计算方法的不正确，对n c 机 床的性能缺乏了解，以及数控编程时考虑的不够全面的因素，往往会发生刀具干涉，而 复杂曲面数控编程系统的前置处理器开发 曲面加工后能否达到设计和加工要求，完全依赖于程序的正确与否。为了保证加工质量， 提高加工精度，数控自动编程系统中，必须在刀具轨迹的基础上研究判定是否存在刀具 干涉，刀具干涉一般可以分为碰撞干涉和过切干涉。碰撞干涉是指刀杆或刀底等非切削 刃部分与被加工曲面发生位置干涉，这种干涉多为从事n c 编程时间不长的编程者缺乏 经验造成的，且比较容易发现。过切干涉是指刀刃在被加工曲面上切除了不该切除的部 分，根据刀具与曲面干涉部位的不同可分为两类：曲率干涉，当刀具接触点处的曲率半 径小于实际的切削半径时所导致的过切现象，称为曲率干涉；曲面干涉，除刀具切触点 外，所发生的刀刃切入被加工表面的现象，称为曲面干涉。过切干涉严重影响所加工曲 面的光顺性和外观质量，因此，目前复杂曲面的数控编程的中心任务之一就是确定无干 涉刀具轨迹，刀具干涉判断也是数控自动编程系统中必不可少的模块之一。 目前，在众多不同类型、不同版本的数控编程软件和c a d c a m - - 体化软件中，刀 具干涉检查的原理和算法可以下归纳为以下几种：等距面法( 又称包络面法) 、罚函数 法、截面验证法、多面体法、投影法、点涉法、三角离散法和求交法等。采用球面刀具 加工复杂曲面时，曲率干涉和曲面干涉总是同时发生的，其无过切干涉刀位轨迹的计算 方法已基本成熟。对于非球面刀而言，因其形状各异，曲率干涉和曲面干涉往往是独立 发生的，相互之间没有必然的联系。不同形状的切削刀具，其过切干涉发生的部位，确 定过切干涉的准则，不尽相同。同时，避免或消除刀具过切被加工曲面的方式也因刀具 的几何形状和切削刃的分布位置而有所不同。 在本论文中，只对刀位轨迹计算做了详细地研究，关于误差分析与干涉校验，本论 文并未作详细研究。 2 3 前置处理程序与核，b 处理程序的连接 前置处理程序与核心处理程序之间的连接问题主要是，将由前置处理程序计算得到 的工件曲面通用模型代入到核心处理程序中，进行刀位轨迹计算。即首先规划好刀具路 径，找到终结运动方向，此终结运动方向上工件与刀具之间的距离最小点则为工件与刀 具对应的接触点。然后建立起工件与刀具在空间的运动模型，根据最小有向距离原理， 便可求得工件与刀具在终结运动方向的最小有向距离，即刀触点。从而实现前置与核心 处理程序之间的连接。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 4 后置处理程序 后置处理程序的输入数据是核心处理输出的刀具位置数，其中包括刀具移动点的坐 标值和控制机床各功能的数据，后置处理过程是将核心处理得到的刀位数据或切削轨迹 转换为具体的数控代码的过程。其主要任务刀位轨迹计算得到的运动轨迹参数，经过翻 译、变换等信息处理过程，生成数控程序，通过c h i c 数控系统的控制，实现对复杂曲面 的加工，使刀具在工件表面上形成的加工轨迹在工件的理论表面上，消除加工误差，提 高加工精度。后置处理程序的复杂程度与机床的复杂性和性能成正比。点位控制机床需 要简单的后置处理程序，而多坐标轮廓控制数控机床则需要复杂的程序。 后置处理程序用于将核心处理程序输出的数据转换为具体数控机床的工作指令，按 照前置、核心处理通用化、后置处理专门化的原则开发。该方法对通用数控机床的某些 典型基本几何图形和形体的自动编程显示了独特的优势 3 4 - 3 6 1 。 。 目前的后置处理主要是针对某个具体的机床，其通用性还有待加强。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，而直接应用于机床是自动编程系统后 置处理技术的发展方向【3 ”s 】。 后置处理程序在本文当中并未涉及到具体的研究。 2 5 界面程序的设计目的 ( 1 ) 工件界面设计。在对工件数据处理中已经提到，在进行曲面拟合时，工件曲 面的输入方式有离散点和参数方程两种形式，为了既要有通用性又便于编程计算，所以， 采用对所有输入数据离散后统一建模的方式此时建立一个既能输入参数方程，又能输 入离散点，而在系统内部都将统一离散成点用于曲面拟合当中，具有此功能的界面，给 编程计算带来了很大的方便。从而操作者省掉了每输入一个参数方程都要进行一次离散 的过程。 ( 2 ) 刀具界面设计。在计算刀位轨迹时要根据不同形状的工件，根据操作者的经 验选用不同的刀具，而且在加工同一工件的不同位置时，考虑到干涉的问题，也可能会 使用刀具的不同位置，这就给计算带来了很大的不便。 复杂曲面数控编程系统的前置处理器开发 所以就需要建立一个刀具库，在此刀具库中，要包含加工中可能会用到的各种铣刀 和通用刀具模型。同时为方便地使用刀具，还要建立一个刀具界面。使操作者在使用刀 具时，能够很直观地找到自己所需的刀具，除了刀具的某些特定的参数是系统默认的之 外，其他参数需输入，所有参数设置结束之后，把此刀具编号保存到系统当中，以便在 以后用到此刀具时可直接调用，避免重复操作带来的麻烦。 有了具有上述功能的界面之后，在进行刀位轨迹计算时，系统直接从库中调用所选 刀具的数据到刀具的通用模型中，计算各个加工表面。从而达到能快速计算出刀位轨迹 的目的。 ( 3 ) 刀位轨迹计算界面设计。计算刀位轨迹首先要选择终结运动方向，即最小有 向距离方向。那么首先要确定的是刀具路径，刀具路径有行切法与环切法两种，对于不 同工件与刀具选择是不同的。为方便计算，此处也必须进行界面设计，以便操作者选择 不同刀具路径进行不同计算。界面要有如下功能： 选择行切法时，要指定加工平面，轨迹进给方向，间歇迸给方向，才能确定终结运 动方向，进而给出步长及行间距，以上信息确定之后才能进行刀位轨迹的计算。 选择环切法时，要选定运动平面以确定终结运动方向，进而指定初始路径方程，输 入等间距与步长后进行刀位轨迹计算。 通过以上分析，在计算刀位轨迹时，建立具有以上功能的界面，在操作者进行选择 与设置之后，由程序自行计算，对于有大量复杂计算的工程来说是十分重要的。 综上所述，建立一套较为完整、界面直观大方、操作简单、人机对话方式友好的界 面系统对于自动编程系统来说是必不可少的。 2 6 小结 本章详细地介绍了数控自动编程系统中前置处理程序、核心处理程序与后置处理程 序的主要工作内容与其在数控自动编程系统中的主要作用。通过研究，提出了在前置处 理程序中要