（机械工程专业论文）基于mastercam的后置处理技术研究与实现.pdf

论文题目： 基于m a s t e 以a m 的后置处理技术研究与实现 莎i 阿一 摘要 后霄处理技术是数控加工编程技术的关键技术之一，是c a d c a m 系统与 机械制造连接的纽带，它直接影响自动编程软件的使用效果和零件的加工质量、 效；簪以及机床的可靠运行。本文介绍了后置处理技术的内容、结构与功能，分析 比较了专用后置处理系统和通用后置处理系统的程序结构和操作流程，探讨了后 霄处理程序中关键问题后置处理的算法原理，对三坐标加工和多坐标加工的 刀位计算以及多轴联动加工的进给速度进行了研究。本文研究、比较了常见 c a d c a m 系统的刀位顾文件格式，总结了s i n u m e r i k8 10 d 1 8 4 0 d 系统基本指 令代码的特点，详细分析了s i n u m e r i k8 1 0 d 8 4 0 d 系统和f a n u c 0 一m c 系统 在t l 自i l 工固定循环_ j ：的异同；剖析了m a s t e r c a m 系统的刀位原文件结构，研究 了m a s t e r c a m 后置处理系统的机床特性文件的设计和定制方法。本文指出，通 t j 后置处理系统是c a d c a m 系统的发展方向，但基于工程实际应用的需要， 刘广泛使_ j ； j 的c a m 软件进行后置处理研究与丌发是必要的。 基于m a s t e r c a m 通用后置处理系统，应用数控代码导向技术，通过修改其 数据库模型，较好地丌发配置s i n u m e r i k8 1 0 d 数控系统的m v 6 1 0 加工中心 的擎用后置处理程序，解决了该系统处理孔加工固定循环的难题，并成功应用于 实际加工。通过实践验旺，本系统能够直接处理轮廓、内槽、孔系、曲线及曲面 的刀具路径文件，不需人工再做二次处理。 关键词：数控加【一技术数控系统m a s t e r c a m刀短z 件后戳处理 机床特性文什 a b s t r a c t p o s tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi so n eo ft h em a i nt e c h n o l o g yo fn cm a c h i n i n g p r o g r a m m i n g ，i ti st h ec o n n e c t i o no f c a d c a ms y s t e ma n dm e c h a n i c a lm a c h i n i n g ，i t d i r e c t l y a f f e c tt h e a p p l y i n g a f f e c t i o n ，m a c h i n i n gq u a l i t y , e f f e c ta n dd e p e n d a b l e r u n n i n go fa u t o p r o g r a m m i n gs o f t w a r e t h i st e x te x p l i c a t et h ec o n t e n t ，s t r u c t u r ea n d f u n c t i o no fp o s tp r o c e s s i n g ，a n a l y s i st oc o m p a r et h es p e c i a lp o s tp r o c e s s i n gs y s t e m s p r o c e d u r a ls t r u c t u r ea n do p e r a t i o n a lp r o c e s sw i t ht h eg e n e r a lp o s tp r o c e s s i n gs y s t e m s q u e s t i o n st h ep o s tp r o c e s s i n gp r o c e d u r e sk e yp r o b l e m - - t h ea l g o r i t h mp r i n c i p l eo f p o s tp r o c e s s i n g ；i ts t u d i e st h et h r e e a x i s sm a c h i n i n g ，t h ec u t t e rl o c a t i o nc o m p u t a t i o n o fm u l t i a x i s sa n dt h ef e e dr a t eo fm u l t i a x i s sr u n n i n gs t u d i e sa n dc o m p a r e st h e g e n e r a lc u t t e rl o c a t i o nf i l e s f o r mo fc a d c a ms y s t e m s hc o n t a i n st h ec o d e 。s c h a r a c t e ro fs i n u m e r i k810 d 8 4 0 ds y s t e ma n df a n u c o m cs y s t e mo nh o l e m a c h i n i n gc o n s t a n tc y c l ea n a l y s i st h ec u t t e rl o c a t i o nf i l e 。ss t r u c t u r eo fm a s t e r c a m s y s t e m s t u d i e st h em a c h i n et o o l ss p e c i f i e df i l e s d e s i g na n dm a k i n gm e t h o d st h i s t e x tp o i n t so u tt h a tt h eg e n e r a lp o s tp r o c e s s i n gs y s t e mi st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no f c a d c a ms y s t e m s ，b u tb u s i n go nt h en e e do fp r o j e c t s p r a c t i c a la p p l i c a t i o n i t s n e c e s s a r y t o s t u d ya n dd e v e l o pt h ep o s tp r o c e s s i n go fe x t e n s i v e l y n e e dc a m s o f t w a r e t h i st e x tb a s i n go nt h eg e n e r a lp o s tp r o c e s s i n gs y s t e mo fm a s t e r c a m u s i n gn c c o d - | l e a d i n gt e c h n o l o g y b ym o d i f y i n gi t sd a t a b a s em o d u l a ，i td e v e l o p sa n dd i s p o s e s s i n u m e r i k810 dn cs y s t e m ss p e c i a lp o s t p r o c e s s i n gp r o c e d u r eo fm v 一6 10 m a c h i n i n g ，s o l v e st h ep r o b l e mo fd e a l i n gw i t h h o l em a c h i n i n gc o n s t a n tc y c l ea n d a p p l i e st op r a c t i c a lm a c h i n i n g t h r o u g hp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h i ss y s t e mc a nd e a l w i t ht h ec u t t e rt o o lp a t hf i l eo fc o u n t e r s ，g r o v e s ，h o l e s ，c u r v e sa n ds u r f a c e sd i r e c t l y n o tn e e dt od os e c o n d m a n a g i n g k e yw o r d s ：n cm a c h i n i n gt e c h n o l o g y n cs y s t e m m a s t e r c a m c u t t e rl o c a t i o nf i l ep o s tp r o c e s s i n g t h es p e c i f i e df i l eo fm a c h i n i n gt o o l 1 1 课题背景 第一章绪论 数控鸯霰互羧拳是二次毽要大蔽鞋磊，秀逶痊复杂终影零终筑翻工纛笈装起柬 的一种自动化加工技术，其研究起源于飞机制造娥。1 9 5 2 年美国空军与廓省理 工学院( m i t ) 和帕森斯公( p a r s o n s c o ) 合作，发明了世界第一台三座标数控铣 床，可控制铣刀进行连续空删曲两的加工，揭开了数控加工技术的序幕。数控加 工技术是赢效、优质缝实理产品零 孛特剐是复杂形状零 牛加工的有关理论、方法 与实襞技术，惹垂动傀、柔蘸纯、镀捷亿和数字诧京遮加工豹基磷帮关罐技术“j 。 数控加工可有效地提高生产率，傈证加工质量、缩艇加工周期、增加生产鬃性、 实现各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂和车自j 实行计算机管理。因此， 它是现代制造业的核心和发展军事工业的重要战略技术，是衡量一个国家工业化 求乎豹重要括恚“tp ；。 一般柬浇，数控船工技术涉及数控橇床自l 工工芝糨数控编程技术两方嚣，数 控编程是目附c a d c a m 系统中媛能明显发挥效盏的环节之一。对于复杂零件， 特别是具有空问曲线、曲面的零件，如叶片、叶轮、簸杂模具等，或者程序量很 大的零件，数控编程通常采用自动编程系统，其在实现设计加工自动化、键高加 工蘸凄翻掇王：质量、壤短产鑫甥毒懑鬻等方嚣发挥嚣蘧簧箨曩。垂麸2 8 趱纪5 ( 年代由m i t 设计a p r f f a u t o m 龇i c a l l yp r o g r a m m e dt o o l s ) 数控语言后，缡程系统 向c 一d c a m 一体化迅速发展，目前应用较为广泛的自动编程软件系统有美国 s d r c 公司的i - d e a sm a s t e r s e r i e s 、法国达索飞机公司研制的c a t i a 、美国 u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的u g * i 、美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) 虢p r o e n g i n e e r 系统、美鋈c n cs o r a r e 公司錾m a s t e r c a m 、戮芭 列c i m a t m n 公司的c i m a t r o n 、英凿d e l c a m 公司的p o w e r m i l l 等，国内华中科 技大学开发的丌目c a d 、北航海尔公司的c a x a - m e 系统也有一定的应用。 各种c a d c a m 系统，功能有强有弱，但其c a m 部分部由五个基本模块组成： 交互工艺参数输入模块、刃位轨逑计算模块、刀位孰避编辑模块、三维船工动念 爨奏模块露露筵经理( p o s tp r o c e s s i n g ) 接块，荬中瑟箨受釜瑾模块是c a d c a m 系 统的一个重蘩部分，后置处理羧术是数控加工编程救术的关键技术之一1 4j i ”。作 为c a d c a m 系统与机械制造连接的纽带，后置处域盥接影响自动编程软件的 使用效果和零件的加工质量、效率以及机床的可靠运行【6 1 。 目阿，现代的集成化c a d c a m 系统能实现从设计到制造过程的高速、高 效化，但国内很多c a d c a m 系统的用户对软件的使用主要是其c a d 模块，对 c a m 模块的应用效率不高6 】【”，其中一个关键的原因是没有配备相应的专用后 置处理器，或只配备了通用后置处理器而没有根据数控机床特点进行必要的二次 开发，由此生成的代码还需要人工做大量的修改，严重影响了c a m 模块的应用 效果。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 c a m 系统配置了大量的后置处理程序供用户选择使用1 6j 但是，通用后置 处理系统是c a d c a m 系统的发展要求【7 】。 后置处理程序开发，技术难度大配置复杂，而且各系统c a m 模块的刀位原 文件c l f ( 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，后置处理程序价格昂贵， c a d c a m 用户通常也不具备自行二次丌发后置程序的能力，后置处理技术控制 在软件提供商手中【8 j 。用户在购置c a d c a m 软件时最关心的共性问题是：后置 处理的能力与配置后置处理程序的价格，以及由于企业发展而需追加后置的可行 性与作法。 1 2 后置处理技术研究与发展状况 1 2 1后置处理技术的基本概念 数控自动编程中，刀位轨迹计算过程为前置处理( p r e p r o c e s s i n g ) ，前置处理 产生刀位原文件c l f ，将刀位原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。后置处理的任务主要有机床运 动变换、非线性运动误差校验、进给速度校验、数控加工程序生成等”i i ”。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。通用后置处理系统一般是指后置处理程序功 能的通用化，能针对不同的数控系统对刀位原文件进行后置处理，输出数控程序。 好的c a m 软件，对于常见数控机床，都提供专门的后置处理模块，但对于一些 很少见的机床，则提供了丌放式的后置处理自定义功能1 9 1 ”1 。如u g i i c a d c a m 系统采取问答的方式帮助用户定义特殊的后置处理功能，使用户 能非常方便地完成复杂的后置处理自定义过程【l “。 1 2 2后置处理技术研究概述 从世界上最早的自动编程系统美国1 9 5 5 年研究成功的a p t 开始起，后 置处理就成为自动编程的重要组成部分【i3 1 。在a p t 中，后簧处理采用批处理方 式，系统提供一种专用汇编语言，在编辑状态下，利用汇编语占，将前置处理语 句与数控输出程序字或程序段一一对应【1 4 i 。对于不同的数控系统，编写不同的 后置处理程序，由于数控系统种类繁多，机床配置不尽相同，代码差异大，必须 为每种数控机床配置专用后置处理程序。a p t 的专用后置处理程序达上千种【1 5 1 ， 但需由数控软件厂家提供，用户不易修改。 1 9 8 0 年i b m 公司为解决a p t 刀位原文件的处理推出了d a p p ( d e s i g n a i d f o r p o s tp r o c e s s o r ) 系统【l “，系统提供给用户生成后置处理系统所需的一些程序和文 件，如输入、输出模块、数据处理模块等。该系统将一些计算、分析模块公共化、 标准化的方法使后置处理系统向通用化发展迈进了一步。但它采用高级语言编写 描述机床运转的程序，要求用户既熟悉数控知识，又具备较丰富的软件编程经验， 因此给程序编写、修改和维护带来一定困难。 随着c a d c a m 技术的发展，数控编程系统有了很大变化，目前后置处理 的方法主要有：一数控软件厂家提供一个通用后置处理软件，用户应用数控代码 导向等技术，通过人机对话的形式，回答提出的一些问题，用来确定一些具体的 参数，形成具体数控机床的后置处理软件；二提供后置软件编制工具包，按其语 法洲则，由用户编制具体数控机床的专用后置处理程序】。 国外对后置处理十分重视，将后置处理作为c a d c a m 软件的主要模块， 各软件厂家丌发了各自的后置处理，u g e 采用了u g p o s t 、p r o e n g i n e e r 系统 采用p r o 小cp 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 m 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g p o s t 、c i m a t r o n 系统采用了i m s 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 mt e c h n o l o g y c 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 t w a r em a g i c ，i n c 公司的i n t e l l 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【1 2 1 。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解算执行模块，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等能完成大部分机床的数控程序生成等工作，而遇到 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 型时，用户往往难以对其处理，也无法进行运动误差校验、进绘速度校验等功能 的开发。 为了解决从设计到制造过程存在的瓶颈后置处理程序的配置、丌发，国 蠹对蜃嚣处理溪论与技苯进行了深入臻宠，驳褥了定鼹磅囊或粟。嚣对彦暂开 发的c a d c a m 系统，张利波等撬出了一种基予酝鼹文件的开放式数按编程通 用后置处璎模型，定义了配置文件的语法规则，给出了配置文件的b n f 语音描 述及相应的解释算法，并在h u s t c a d m 系统中实现m l ：程筱胜等对南京航空 靛天大学麓超人c a d c a m 系统靛通蠲嚣嚣炎露系统避括了磅突，开发了其尊 交互式露醛系统蕉产赛嚣的通用霸餮处理程序 潮，尽管该后置整瑾系统其蠢莰 好的可靠憔秽较强的通用性，德翘人c a d c a m 系统和h u s t c a d m 祭统样 都没能走向商品化。近年来国内玎发的商品化的c a d c a m 系统中，c a x a - - m e ( 制造 二稷师) 是目前应用最广泛的系统，通过后鬣处理设置，能孵决常见数 控视衰弱瑶餮处理；瞧e a x a 弛基有寝大熬爵袋链，其透爱予一般魏裁翅王， 在簿决s o d i c k 类鳌橇床稳数控最褥嚣童，蘩累零 譬中涉及副琵瓣船工，褥不憝生 成相关后嚣代码口。对于三娥曲面多坐标数控加工发其编程技术，刘燃伟探索 了其后置处理的算法口】， 韩向利等对五坐标数控机脒的后置处理算法原理和后 置处理配嚣文件参数进行了探索和设计1 2 3 】1 2 4 h 25 】；划r 良等研究解决了奴坐标数 控辊庆转动轻与主辘或4 p 螽蓊嚣下麓蠢置照理搿i 。移t 霖运动求察殷采蠲基子 襁床结稳静类的无误差处理方法；掰艳红等提出逶避焉餮楚理实瑶数控缀床凡俘 误差软件补偿的原理和算法吲l o 射。 基于t ：襁实际应用的需要，对广泛使用的c a m 软件进行后置处理研究与刀。 发是必要韵，躜兴祖分毒厅了m a s t e r c a m 后嚣处理系统的基本组成和结构，探索 嚣其歼襞蕊途径，煎素涉及髅体幕装帮蘸寐戆链璎方法测；李吉乎莓基子 p r o e n g i n e e r 软件，提出了一静耨的盘坐标数摔棍床的后置处理 弼l ：释建军对 a n v i l 5 0 0 0 被件进行丌放，用c 语言编写了一种厢筲处理稃序，可处聪个回 转轴、三个移动轴的s a g e m 加工中心的后置处理。 j ，2 3 磊蚤处理技末发震怒势 g 馥，c a d c a m 正耘蕃纂戏他、智链他、套动优、荔霞爱纯积蘑两车越缀 程等方向艘髓【9 j ，相应的后置处琏技术也应随之而徵膳。 c a m 黎统前置处理在计辫刀位轨迹中，一般采用离散直线来逼近工件轮廓， 零件形状越复杂，n c 程序量越大，有时甚至是臣爨程序 3 2 1 ；多轴加工时逐会产 生 裴槛运动漠差阳彗8 。嚣瑟，蜃爱炎瑾系统应麓鲑璎彦密蘸瑟瑟c n c 蠢接疆 船工f 3 5 赫溶hn u r b s 菠线撼 酗，以适应高速翻：【的要求，葺静c i m a t r o n 、 p o w e r m i l l 软件已初步具备处理n u r b s 曲线插补的能力f 旧l 。 制造技术向集成化发展，c a d c a m 系统数据交换共享数据库的集成体系结 构模式正逐步形成，以解决现行软件分散造成的产品数据成倍增长，远远超过现 行数据管理系统的基础体系结构管理能力的矛盾。目前，多数数控机床后置处理 的文件格式和数掘是按i s o6 9 8 3 1 8 2 标准规范，其存在一定的缺陷：c a m 系统 只能从c a d 系统获取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息 和产品高层的功能和语义信息；而且各数控系统之问的代码并不完全相同。因此， 面向对象的数控加工模型的s t e p - n c 技术按统一的产品数据模型建立一个制 造工程的集成体系结构，是c a d c a m 系统，也是后置处理系统的发展方向1 3 ”。 1 3 课题研究意义 目前，国内数控产业的发展现状是：国产数控系统的技术水平和可靠性已得 到很大提高，接近国外产品，但受进口数控系统冲击，国产数控系统市场占有率 低于2 0 【3 引：在数控编程加工领域，国外c a d c a m 系统出现得较早，丌发和 应用的时间也较长，发展比较成熟，占据绝大多数数控自动编程市场【4 0 j 。因此， 对现役主要c a d c a m 系统进行后置处理研究，探索其与数控系统及数控机床 的结合，) 8 牟决数控加工的矛盾，具有较大的工程应用价值和意义。 m a s t e r c a m 系统是基于微机平台最经济、最有效率的c a d c a m 系统，它 集c a d 设计和c a m 加工于一体，侧重于数控加工，在零件加工和模具制造中 应用非常广泛，也被很多学校选作数控自动编程教学和数控加工实验的主要系 统。根据围际权威调查机构c i m d a t ai n c s2 0 0 2s o f t w a r em a r k e ta s s e s s m e n t 显示， 2 0 0 2 年m a s t e r c a m 在全球工业界安装7 l ，1 4 8 套，市场占有率为1 3 4 ，教育 界安装3 2 7 2 5 套，占3 44 ，分别再次位居第一j 川。 基于这种情况和认识本课题由m a s t e r c a m 自动编程系统着手，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原文件、数控系统 和机床特性文件、加工工艺参数等的处理，研究后置处理系统的数据库模型的丌 发，解决机床的后置处理，提高数控加工的效率。 本课题来源于湖南省教育厅科学研究课题0 2 c 1 7 l “基于n c 的通用后置处 理研究与实现”。 1 4 本文的主要工作 德国西门子公司s 1 n u m e r i k8 1 0 d 系统和8 4 0 d 系统是目前数控机床使用 的主要数控系统，在国内拥有一定的用户。但m a s t e r c a m 系统没有提供 s i n u m e r i k8 1 0 d 和8 4 0 d 系统的后处理程序。根据了解，c n cs o f t w a r e 公司 现己丌发了其后置处理系统，但不与m a s t e r c a m 软件同时提供，需另购。 本文系统研究m a s t e r c a mv 9 0 系统后置处理系统的结构组成和格式，丌发 配置s i n u m e r i k8 1 0 d 数控系统的m v 6 1 0 加工中心的后置处理程序，并探讨 m a s t e r c a m 系统解决多轴数控机床后置处理的方法。可为设计其它数控机床的 后置处理系统提供借鉴， 本文主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 阐述了本论文产生的背景与解决问题的基本方法： ( 2 ) 论述了通用后置处理系统的原理： ( 3 ) 全面剖析m a s t e r c a m 系统的刀位原文件； ( 4 ) 深入研究m a s t e r c a m 系统的格式文件的设计： ( 5 ) 分析s i n u m e r i k8 1 0 d 和8 4 0 d 系统的程序指令和m v 6 1 0 加工中心的 特点，设计丌发其基于m a s t e r c a m 系统的后置处理程序h 2 1 1 4 引。 第二章后置处理技术 本章对后置处理技术原理进行了研究，讨论了数控加工中刀位点的计算方 法，给出了四坐标、五坐标机床的后置处理算法，深入研究了铣削加工中进给速 度的计算和处理，分析比较了专用后置处理和通用后置处理系统的操作流程。 2 1 后置处理技术原理 数控机床加工程序可通过手工编程或计算机自动编程来获得。手工编程主要 解决点位加工或几何形状不太复杂的零件编程，在数控技术发展的初期，采用手 工编程，直接采用机床控制器能接受的数控指令，中间无须转换处理，也就没有 后置处理的概念。 后置处理 a p l 编译 |-v l 几 刀 蠼l 鞋 解位 l 序控l 何 处处 原 释 文 理 王单 件 真过- 图2 1a p t 语言。自动编程流程图 对1 ：复杂形状零件的加工或者零件形状虽不复杂、但程序量很大的零件，需 采用自动编程系统，目前主要分成数控语言编程系统和c a d c a m ( 计算机辅助 设计计算机辅助制造) 交互图形编程系统。 数控语言编程系统以a p t 系统为代表，包括其五代产品以及各国在a p t 基 础上丌发的各具不同特点的编程系统，如美国的c o m p a c t 、a d a p t ，德国的 e x a p t 、闩本的h a p t 、中国的s k c 、z c x 等系统。这些数控语言自动编程系 统，都是根据图样要求，使用数控语占编写零件加工的源程序，由计算机进行源 程序的翻译、整理，将几何元素的名字和定义参数转换成统一格式，将a p t 专 用词替换成内部码，经数值处理，计算出刀位原文件，最后进入后置处理，转换 成数控系统所能接受的指令格式。a p t 数控语言系统自动编程系统的流程图如 图1 所示。 随着计算机技术的发展，将c a d 和c a m 集成形成了c a d c a m 交互图形 一零件图样一 编程系统。系统魏数控壤程攘缓豢骧麸c a d 辏块中获鼗铸鸯嚣工零 争麴a 瓣信怠， 以人机交互方式确定走刀路线，谴过输入切削参数、辅助功能等工艺信惑，形成 刀位原文件，再经后置处理，转换成具体数控机床的指令代码。这类系统不需要 编制零件加工的源程序，是目| j i 主要的自动编程系统。其流程如图2 - 2 所示。 卧赌雕 塑2 ，2 交互銎髟编程系绞浚援邈 图2 - 3 后置处理流程 自动编稔系统，前置处理褥到刀位原文件，包捂刀位数据( c u t t e rl o c a t i o n d a t a 及舂关戆工艺参数、甥女l 鼷鲞、疆韵功憝等蔼爨，螽置跫瑾穆乃霞瓣文臀 转换成符合数控机床要求的撩令代鹃和程序格式。c a d c a m 技术的发袋、多辖 联动加工和街速n i 技术的应用现在的后置处理的任务不再只是坐标变换和代 码转换，还包括了非线性运动误差校验、进给速度校验等。后置处理流程如图 2 3 所示。 后置处理过程原则上是解释执行，即每读出刀位原文件中的一个完整的记录 ( 行1 ，便分析该记录的类型，根据机床结构进行运动变换，将前置刀位轨迹变 换并分解到机床各运动轴上，获得各轴运动分量：对于多坐标加工，由于旋转运 动的非线性和回转半径的放大作用，还需分别进行非线性运动误差校验、进给速 度校验：再按机床控制指令格式转换成相应的程序代码，直到刀位原文件结束。 2 2 后置处理的类型 后置处理分为专用后置处理系统和通用后置处理系统。 2 2 1 专用后置处理系统 般针对专用数控编程系统和特定数控机床而丌发的专用后置处理系统，通 常直接读取刀位原文件中的刀位数据，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。此系统将机床特性直接编入后置处理程序中，只能适用 _ 卜一种或一个系列机床，对于不同的数控装置和数控机床必须有不同的专用后置 处理程序。其操作流程如图2 - 4 所示。 ，i 后置处理程序1i 机床1 格式n c 程序i 二土后置处理程序2l _ 机床2 格式n c 程序j j 图2 - 4 专用后置处理系统的操作流程 2 2 2 通用后置处理系统 通用后置处理系统一般指后置处理程序功能的通用化，要求能针对不同类型 的数控系统对刀位原文件进行后置处理，输出数控程序。一般情况下，通用后置 处理系统要求输入标准格式的刀位原文件，结合数控系统数据文件或机床特性文 件，输出的是符合该数控系统指令集及格式的数控程序。其操作流程如图2 - 5 所 不o 9 机床1 格式文件卜一 通 叫机床1 n c 程序j 机床2 格式文件卜一暑 i 机床2 n c 程序i l 刀位原文件l ， 彝 犟i 机床n 格式文件卜一l 机床n n c 程序l 图2 5 通用后置处理系统的操作流程 通用后置处理与专用后置处理的区别在于专用后置处理程序只能生成唯 指定数控机床的指令，不能对其它数控机床的特性文件进行处理：而通用后詈处 理程序采用丌放结构，可采用数据库立件方式，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。 通用后置处理系统是c a d c a m 系统的发展方向。 2 3 后置处理算法 2 3 1 数控加工的刀位点( c u t t e rl o c a t i o n ) 计算 在数控加工中，数控机床按照工艺用途可分为数控车床、数控铣床、加工中 心、数控磨床等类型；按照加工过程中同时控制的轴数叮分为二坐标、三坐标、 刖坐标和五坐标联动机床，在数控铣床中，还包括：轴半加工。不同t 艺用途的 数控机床其后胃处理不同。本课题丰要砑究四坐扛螳铣类加工中心的后置处理。 复杂形状零件的数控铣削加工，可以采用二一三、四、五坐标联动机床，铣 削加工的刀具主要有平底立铣刀、球头刀、环形，j 、鼓形刀和锥形刀等。刀位点 是刀具加工中在空间的位置点，刀具轨迹即是刀位点轨迹，原则上可定义刀具上 任一点作为刀位点，在实际加工中为计算一致性并便于对刀调整，立铣刀采用刀 具轴线的顶端作为刀位点，球头刀采用球心为刀位点，环形刀的刀位点为刀刃圆 环的中心点，如图2 - 6 中o 点。刀具轨迹的生成即刀位数据的获得是复杂形状零 件的数控加工的重要内容不同的加工方式，刀位轨迹的计算不同。 两坐标加工用于二维曲线、轮廓及型腔加工，刀位数据为零件轮廓轨迹的基 点、节点坐标，或者根据编程时的选择为刀具中心轨迹位置。 三坐标加工的特征是加工过程中的川具轴线方向始终平行于z 轴。采用如图 2 - 6 所示的刀具模型来统一定义铣削加工的刀具，当刀具参数r l = r 2 时为球头 刀，r i r 2 时为鼓形刀，r i r 2 时为环形刀，r 】一o 时为平底刀，刀位点为刀具 上m 点，刀轴矢量为( o ，0 ，1 ) 固定不变。刀具切触点( c u t t e rc o n t a c tp o i n t ) ，指刀 具在加工过程中与被加工零件曲面相切的理论接触点。在生成刀具轨迹时，多数 情况下是先确定刀具切触点，再由此计算相应的刀位点。 图2 7 刀位的确定 刀具在铣削如图2 7 所示曲面时， = 尹+ r l 式中： i 为加工表面上切触点p 的何矢； 算式 二 梦墅 眦兰b m ：一 点但一 位 + 刀 亓 亓为切触点的曲面单位法向矢量； 亓。为亓在x o y 平面上的投影矢量。 小标机床按其运动配置不同而有许多种类，但运动本质相同，编程时在前 置处理生成刀具轨迹时采用的是在统一的工作坐标系中进彳j ：，不考虑机床的具体 结构，由后置处理过程根据具体的机床结构将前置处理得到的刀具相对于工件的 运动轨迹转换为机床各坐标轴的运动。五坐标加工的刀具位置和刀具轴线方向都 是变化的，五坐标加工的刀具轨迹是由工件坐标系中的刀位点位置矢量t 和刀具 轴线方向矢量t 组成，如图2 - 8 所示。 图2 - 8 血轴加工刀位计算 q ) 五举标加上的刀轴控n - - 般采用具有前倾角和倾斜角的方式1 ”，设分别为c t 和y 。前倾角定义为刀轴矢量与垂直于进给方向的平面所成角度：倾斜角定义为 刀轴与曲面法矢的央角。( 石，哥，元) 为曲面在切削点处的局部坐标系，切削点位矢 为f ，则对丁图2 - 6 所示的加工刀具模型，7 j 位点的位矢厶和刀轴单位矢量l 。有 ( 2 - 2 1 式： i i = s i n a - 五十c o s y f i + ( s i n 2y s i n 2a ) j 寻 1 葺：亍+ r 再+ 塑坠l 二兽二尘土掣 lr 。0 8 y k l f 2 - 2 1 2 2 2 后置处理算法 由f 2 2 ) 式可见，对于四、五坐标数控加工，刀位原文件中刀位的给出形式 为刀位点的位矢和刀轴矢量，在后置处理中，需要将其转换为机床的运动坐标。 运动变换关系取决于具体机床运动结构，运动结构不同，其运动变换计算不同。 2 2 2 1 带回转工作台的四坐标数控机床后置处理算法f 2 1 通常，带凹转工作台的四坐标数控机床的运动坐标为三个移动坐标x 、y 、 z 和一个绕x 或y 轴的坐标转动坐标a 或b ，两种情况类似。对于如图2 - 9 所 示x 、y 、z 、a 四坐标，工件坐标系为o 。x y z ，工件可绕坐标轴x 转动a 角， 刀位点c o 在工件坐标系中的位置为( x 。o y e o ，z 。0 ) ，刀轴矢量i 在工件坐标系中为 a 。，a 、a ，其中a x e 0 ，可得机床的运动坐标值x 、y 、z 分别为式( 2 3 ) p x x c o y = y 。c o s a + z 。s i n a ( 2 3 ) i z = 一y 。s i n a + z 。c o s a 当a ：= o 时，令a r c r a n i a 。a ： = 9 0 。，有a 坐标的计算式( 2 4 ) a 慕 a z 图2 - 9四坐标加工刀轴矢量转动关系 f 2 4 1 22 22 五坐标联动双转台机床后置处理算法 一般五坐标联动机床由三个移动坐标和二个回转轴构成。根据运动轴配置的 0 o 0 o 0 o o 0 o ) a = 9 0 0 c = 9 0 。+ a r c t a n a ，a 。f c = 2 7 0 。a r c t a n l a ，a 。 c = 2 7 0 。+ a r c t a n l a 。a 。 c = 9 0 。a r c t a n l a ，a 。i 佃，= 0 ) 0 0 0 f a 。o r 2 5 1 0 ) 兰 p e ， a ，o 当日，= o 时，令a r c t a n f a y 卢，f = 9 0 。 刀位点c o 经工件转动后在机床的运动坐标值x 、y 、z 的计算方法足： 先将工件坐标系o 。x y z 平移到机床坐标系o r x y z ，将工件绕z 轴旋转一c i x = j 。，c o s c + y 。，s i n c y = 一x 。，s i n c c o s a + y 删c o s c c o s a + z s i n a + ds i n a( 2 - 7 ) 【z = x 。，s i n c s i n a + y 。c o s cs i n a + z f 。c o s a + d c o s a 2 2 3 进给速度的确定 数控铣削中的进给速度是切削用量中的一个重要参数，它对加工效率、精度 和表面质量起着重要影响。 三坐标加工编程时，程序中定义的进给速度f 是指刀具相对于工件的的合成 进给速度，即刀具的合成进给速度与程序中定义的进给速度是相同的，单位一般 为m m m i n 。在后置处理过程中，一般根据工岂要求将进给速度设置为固定值。 多轴力工时，由丁| 旋转轴的加入，进给速度变得复杂，需要用一个7 j 4 , - 矢量 j 能描述山j 具的运动，而j 轴线j ：各点的进给速度不尽相同，只有每个程序段 部安排各自所需要的f 指令值，才有可能保持某刀位点的进给速度平稳，而这种 不断变化的进给速度计算起来比较繁琐，工程实际中很少使用4 。 多轴联动加工的进给速度与系统采用的g 功能指令选择有关，在铣削类加 工中，为g 9 3 和g 9 4 指令。 g 9 3 ，主效时，进给速度f 指令代表执行该程序段所需时间的长短，将f 指令 的数值f o 除以1 0 ，再将结果取倒数，为走完一个程序段所需要的时问t ，单位 是r a i n 。如进给速度f 的数值为1 0 t 。如f 4 0 ，为整个程序段以l 4 m i n 的h er b j 完 成。 因此f 指令的数值按( 2 _ 8 ) 式计算： f o = 面1 0 = 西vx 10(2-8) 其中，v 为编程时规定的进给速度值，单位m m m i n ，a s 为该程序段刀位点 的理论行程值，单位m m 。而s 按f 2 9 1 式计算： a s = ( x ) 2 + ( a y ) 2 + ( a z ) 2( 2 - 9 ) 式中a x 、a y 、a z 是本程序段中3 个直线坐标轴方向上的增量1 3 1 。李佳等 研究表明：位移a s 采用刀具与工件切触点的位移而不是刀位点的位移计算更合 理。 g 9 4 生效时，f 指令表示一种速度，为单位时间的位移量。三坐标加工时， 即为单位时问x 、y 、z 直线坐标轴位移矢量合成位移量。五坐标加t ，欠量合 成还包括角度的旋转位移，此时a s 按( 2 1 0 ) 式计算 s = ( x ) 2 + ( y ) 2 + ( z ) 2 + ( a ) 2 + ( b ) 2 ( 2 l o ) 上式中a x 、a y 、a z 含义仍同( 2 9 ) 式，单位i d a t i ，a a 、a b 是旋转坐标轴 的位移增量值单位是角度的度数。不同单位的量平方后能够相加的原因是：数控 系统将旋转坐标轴的控制和直线坐标轴控制同样对待，即旋转坐标轴的l 。与直线 坐标轴的l m m 视作相同的处理【”1 。 这样，在直线坐标轴和回转牮标轴的联动控制中，程序定义的进给速度对旋 转坐标来说是指回转角速度，单位一般为。m i n 。 设此时的f 指令的数值为“那么f l 所代表的f 好是单位时问内产生的位移： f ：箜( 2 一1 1 ) i 即t ：掣( 2 - 1 2 ) r i 将( 2 1 0 ) 式代k ( 2 - 1 2 ) 式有： a t ：! 垒兰! ! ! 垒! ! ! ! 垒兰! ：! 垒垒! ：! 垒呈! !f 2 1 3 1 f l 根据f 指令值f l 和各坐标的位移增量值，控制系统可计算出该程序段的运行 a 4 m ，并用此统一的时问控制各轴的匀速运动。 在工件坐标系中，刀位点的位移量为： 5 s = 【( 6 x ) 2 + ( 6 y ) 2 + ( 8 z ) 2 】2 ( 2 1 4 ) 按位移、速度和时间的关系： r 8 s = v t a t 其中v 是刀位点在工件坐标系中的移动速度，单位r a m r a i n 6 y 和6 z 所需的时间，单位m i n 。由( 2 - 1 4 ) 式和( 2 1 5 ) 式有： 1 a t2 引l ( 6 x ) 2 + ( 6 y ) 2 + ( s z ) 2 2 比较( 2 1 3 ) 式和(