（机械制造及其自动化专业论文）五轴联动数控陶瓷雕刻机的运动控制的研究.pdf

摘要 摘要 五轴联动数控系统是目前数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，集 计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、 精密、自动化加工。 本文以五轴联动数控陶瓷雕刻机为研究对象，根据加工的特点和数控系统 的要求，从三维图形坐标变换入手，通过详细的推导得出了该机床的后置处理 算法，利用u g o p e ng r i p 三维参数化建模，然后以此后置处理算法为基础，在 v b6 0 平台上编写人机交互界面，对刀轨文件进行处理，转换成数控机床直接 识别的n c 程序，不需要人工做大量修改。可以通过m a e h 2 软件插补运算，得 出各个轴的脉冲信号，经计算机的l p t 并口输出到各个轴的步进电机驱动器， 驱动各个轴的步进电机运动，直接应用于数控机床加工。 本文的研究成果对其它类型运动轴方式的后置处理算法的确定具有一定的 借鉴意义和参考方法。 关键词：坐标变换；参数化建模；人机界面；专用后处理 a b s t r a c t a b s t r a c t f i v e - a x i sn cs y s t e mi sc u r r e n t l yt h em o s td i f f i c u l tn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h em o s tw i d e l ya p p l i e dt e c h n o l o g y , c e n t r a l i z e dc o m p u t e rc o n t r o l ，s e r v od r i v e sa n d s o p h i s t i c a t e dt e c h n o l o g i e s i naw h o l e ，u s e di nc o m p l e xs u r f a c es y s t e m sf o r m g h - p e r f o r m a n c e ，p r e c i s i o n ，a u t o m a t e dp r o c e s s i n g t h eo b j e c to ft h i sp a p e ri sf i v e a x i sc n cc e r a m i c se n g r a v i n gm a c h i n e ，a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t so fn cs y s t e m , s t a r tf r o m c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a lg r a p h i c s ，c o m et h r o u g ht h ed e t a i l e d d e r i v a t i o no ft h ep o s t - p r o c e s s i n gm a c h i n ea l g o r i t h m ，u s eu g o p e ng r i pt ob u i l d t h r e e - d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i cm o d e l i n g b a s e do nt h ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m , t o c o m p i l eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni n t e r f a c eo nv b6 0p l a t f o r m , a n dt op r o c e s s t o o lp a t hf i l e s ，c o n v e r ti n t ot h en cp r o g r a mf o rc n cm a c h i n et o o l sd i r e c t l yt o i d e n t i 匆, d o e sn o tr e q u i r ea l o to fc h a n g e s t h r o u g hi n t e r p o l a t i o no p e r a t o ro fm a c h 2 s o f t w a r e , o b t a i na l la x i sp u l s es i g n a l ，o u t p u tt oe a c ha x i so ft h es t e p p e rm o t o rd r i v eb y t h ec o m p u t e r sl p tp a r a l l e l ，t od r i v ee a c ha x i ss t e p p e rm o t o rm o v e m e n t ，d i r e c t l y a p p l i e dt on cm a c h i n i n g i nt h i sp a p e r , t h er e s u l t so fr e s e a r c ho no t h e rt y p e so fs p o r t s a x i sm o d eo f p o s t p r o c e s s i n ga l g o r i t h mh a sac e r t a i nd r a wt od e t e r m i n et h em e a n i n ga n d r e f e r e n c e m e t h o d s k e yw o r d s ：c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ；p a r a m e t r i cm o d e l i n g ； m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ；d e d i c a t e dp o s t - p r o c e s s i n g i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：王最花签字日期：2 7 年石月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王法杉 导师签名：黟良欲 签字日期：沙7 年6 月7 日 签字日期：咖，号年石月i 夕日 第一章引言 第一章引言 1 1 课题的提出及研究意义 随着社会的发展，人民生活水平的提高，浮雕艺术越来越为人们所接受， 这不但表现在对其数量上需求大量增加，同时对其造型的要求也越精细、讲究。 传统的浮雕制造方法，是手工制作，不但对工匠的技术水平要求极高，而且劳 动强度较大，生产周期长，效率极低l 1 1 。随着计算机数控加工技术的成熟，已 有越来越多的数控加工设备可以应用到浮雕工业生产中，数控雕刻机、数控铣 床、数控镂铣机等设备日渐增多。 数控机床的各种运动都是执行特定的数控指令( n c 程序) 的结果，由自动 编程方法经过刀位计算产生的或者由一些c a d c a m 软件直接生成的是刀位文 件( c u t t e rl o c a t i o ns o u r c e f i l e ，简称c l s f ) ，而不是用于驱动数控机床的数控 程序。因此，需要设法把刀位文件转换成指定数控机床能识别且能执行的数控 程序，输入到机床，才能进行零件的数控加工。一般将从建立零件模型到生成 刀具轨迹的过程称为前置处理，其任务是得到工件坐标系中刀具相对工件运动 的刀位文件，而将前置处理得到的刀位文件转换成指定数控机床能执行的数控 加工程序的过程称为后置处理( p o s tp r o c e s s i n g ) z - j j 。 目前应用较为广泛的c a d c a m 软件有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 s 公司的u g i i 、美国参数技术公司的p r o e n g i n e e r 系统、美国 c n cs o f t w a r e 公司的m a s t e rc a m 、以色列c i m a t r o n 公司的c i m a t r o n 等，国内 华中科技大学开发的开目c a d 、北航海尔公司的c a x a m e 系统。各c a d c a m 软件厂家都有各自的后置处理系统，如u g i i 采用了u g p o s t ，p r o e 系统采用 p r o n cp o s t ，m a s t e r c a m 系统采用p s t ，c i m a t r o n 系统采用了l m s p o s t 等p j 。 对于一个通用的数控自动编程系统，其前置处理部分是通用的，不考虑具 体的机床结构和数控系统的指令格式。由于不同的加工方法( 如铣床、车床、 线切割等) 和不同的数控系统( 如f a n u c 、s i e m e n s 等) 对应于不同的后处 理模块。如果后处理程序做不好，就产生不了相应数控系统的正确加工程序， 即使产生了合理的c l s 文件，也不能用于实际的生产p j 。要使所生成的数控程 序不经手工修改，直接应用于数控机床加工，则必须针对每一台数控机床定制 第一章引言 专用的后置处理器。 我国在数控系统方面已拥有自主知识产权和从低档次到高档次的产品，由 于工业基础比较薄弱，经济基础差，国内五轴联动机床的后置处理程序的开发 仅仅处于初级阶段，而国外有关公司进行开发的专用后置处理系统昂贵。所以 开发一套适用性强，界面友好的适合五轴联动数控陶瓷雕刻机的后置处理系统 是非常必要的，具有重要的现实意义和工程应用价值【o j 。 1 2 数控机床的研究与发展 1 2 1 国内外数控技术的研究与发展 数控加工技术是2 0 世纪4 0 年代后期为适应加工复杂外形零件而发展起来 的一种自动化加工技术，其研究起源于飞机制造业。从1 9 5 2 年美国麻省理工学 院研制出第一台试验性数控系统至今，数控系统经历了以下几个发展阶段：电子 管式一分立式晶体管式一小规模集成电路式一大规模集成电路式一小型计算机 式一超大规模集成电路一微机式的数控系统l ，j 。我国于1 9 5 8 年由清华大学和北 京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。 现代数控技术集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制 技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电 技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和运用，开创了制造业的新时 代，使世界制造业的格局发生了巨大变化l 6 】。 新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速 度、高柔性化开放式、智能化方向发展。使柔性自动化加工技术水平不断提高。 在数控系统方面，我国己拥有自主知识产权和从低档到高档次的产品，这实际 上已突破国外对我国的限制。但是，由于我国的工业基础相对薄弱，经济基础 差，所以，我国数控机床领域与美国、日本和欧洲还有相对差距。 一般来说，数控编程的主要内容包括：分析加工要求并进行工艺设计，以确 定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量 等；建立工件的几何模型、计算加工过程中刀具相对于工件的运动轨迹；按照数控 系统可接受的程序格式，生成零件加工程序，然后对其进行验证和修改，直到 得到合格的加工程序l 弘j 。 2 0 世纪5 0 年代，美国麻省理工学院( m i t ) 设计了一种专门用于零件数控加 2 第一章引言 工程序编制的语言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 ) 。目前应用较为广泛的 数控编程系统有u g i i ，c a t i a ，p r o e n g i n e e r ，m a s t e rc a m 等。我国的西北工业 大学、华中科技大学等开发的图形编程系统如n p u g n c p 和i n t e c a m 也具有两轴 半零件加工和雕塑曲面多轴加工等功能，达到了实用化程度。目前的编程系统 对于三坐标加工一般能较好地完成，能够达到较高的稳定性。对于多轴加工， 加工复杂形状零件在许多方面有显著的优势，但多轴加工编程较复杂，特别是 零件形状具有复杂多变性，因而要实现较通用的多坐标自动编程难度较大l “j 。 五轴联动加工数控编程和后置处理，在国际国内都是一个难题，不仅五轴 联动数控加工机床的使用单位感觉很困难，一般都把任务委托给c a d c a m 软 件供应商去完成，而且不少软件开发和供应商自己都没有彻底解决这个问题。 例如，国外u g 软件的用户，目前都不用u g 工程师二次开发的后置处理器来后置 处理生成五轴联动数控加工程序。在这种情况下，通过开展本课题研究努力解 决这个难题，对于应用推广c a d c a m 数控编程和五轴联动数控加工先进技术， 具有重要的推动作用【l j 。所获得的研究结果，不仅可以直接提供给广大机床使 用单位采用，而且可以间接提供给c a d c a m 软件开发和供应商作为参考。 1 2 2 陶瓷雕刻机的现状与发展 从汉代起，景德镇开始制瓷历史，宋代是景德镇窑烧造御瓷的开端，明清 时期的景德镇瓷业是中国古代陶瓷史最辉煌的一页。当时设计观念以装饰设计 为主，导致装饰工艺种类日新月异，装饰题材推陈出新，传统的设计大多归属 于工艺美术设计的范畴，匠人充当了制作者和设计者双重角色l h j 。 随着人民物质和文化水平的逐步提高和消费者购买力不断增强，导致日用 陶瓷品消费量激增，人民对时尚现代生活的更高要求，促使陶瓷品更换频率加 快，无疑为陶瓷行业提供更大市场，带来更好的发展机遇。而消费观念的多样 化和个性化，使人们较多的考虑到文化寓意和感性方面，于是富有民族特色， 地方特色的陶瓷品更会受到人们青睐。 伴随着世界经济一体化发展，国外陶瓷产品开始大量涌入，逐步形成外国 以中、高档陶瓷产品为主，我国以中、低档陶瓷产品为主的市场格局。据统计， 全世界旅游业用瓷产品，英国排第一、德国排第二、日本排第三，而中国出口 陶瓷企业约三百余家，主要是河北唐山、山东淄博、景德镇等几个厂，他们在 国际陶瓷市场上仅属中、低档层次。陶瓷作为景德镇的传统支柱产业，在景德 3 第一章引言 镇市国民经济发展中起着重要作用，这个拥有丰富瓷土资源、以“千年瓷都” 美誉驰名海内外的江西古城如今风光不再。领跑中国陶瓷行业数百年的千年瓷 都，整个陶瓷品的生产还处于企业规模小、产品档次低、规格不全、品种单一 的状况，出口额与消费额不容乐观。 传统的浮雕制造方法，是手工制作，不但对工匠的技术水平要求极高，而 且劳动强度较大，生产周期长，制作精度差、总体成本高、不能批量生产。数 控雕刻由此诞生，是数控和雕刻发展起来的一项新技术，随着计算机数控加工 技术的成熟，已有越来越多的数控加工设备可以应用到浮雕工业生产中，数控 雕刻机、数控铣床、数控镂铣机等设备日渐增多l d j 。 雕刻机分为进口和国产两大类，进口雕刻机如美国雕霸、悍马、宙斯，日 本御牧、罗兰、友嘉，法国嘉宝等品牌，其设计和制造技术已相当成熟，品质 也相当稳定，但价格非常昂贵。国产雕刻机如北京精雕、上海啄木鸟、南京威 克、合肥嘉臣等品牌在国内也有较大市场占有率。我国数控雕刻行业的构成大 都是中小型企业和个体户，购买大而全的c a d c a m 软件不仅经济上不堪重负， 而且资源上不能充分利用，国内为数不多的几个数控雕刻软件，无论在功能上 或者易用性方面，和国外同类产品比较均有相当大的差距l 1 0 j 。 市面上的雕刻机主要是用于广告行业的三轴雕刻机，无法用于陶瓷回转曲 面的浮雕加工，能用于五面体加工的只有价格昂贵的五轴联动加工中心，若用 在陶瓷浮雕，不仅成本太高，而且也不能满足陶瓷行业特殊性的要求。为此一 种能用于陶瓷行业的高速五面体雕刻机急于问世，它能够完全取代陶瓷手工雕 刻，大大降低劳动强度，而且能实现标准化、批量化的陶瓷生产l j 。 1 3 主要研究内容及预期的创新点 本课题来源于五轴联动陶瓷雕刻机的实际生产需要，要求根据该机床的加 工特点，开发出适用于这台机床的的专用后置处理软件，从而减轻工人的劳动 强度，提高生产率。 本文主要做了以下工作： ( 1 ) 基于五轴数控机床的运动形式的分析，根据该机床的加工特点，采用 旋转坐标由工作台回转和刀具摆动实现的联动方式，通过分析刀轨文件和n c 代 码的格式，建立坐标变换数学模型，从而实现从刀轨文件提取信息转化为n c 代 4 第一章引言 码的算法。 ( 2 ) 利用v i s u a lb a s i c6 0 设计出外观精美并易于操作的功能界面，不再需 要操作者进行复杂的机床数据的建立，只需要通过软件的按钮就可以得到转换 后的文件，实现针对该机床u g 生成的刀位文件的程序优化，利用后处理构造器 建立专用后置处理程序。 ( 3 ) 通过加工实例验证。利用u g o p e ng r i p 进行三维参数化建模，完成模 具造型，选择刀具、切削参数，用u g 的c a m 生成c l s 文件，通过专用后置 处理形成n c 文件，利用m a t h 2 软件插补的方式，设定好后加载后置处理产生 的g 代码进行插补运算，得出各个轴的脉冲信号，由计算机的l p t 并口输出， 到各个轴的步进电机驱动器，驱动各个轴的步进电机运动，直接应用于数控机 床加工。 创新点： ( 1 ) 针对旋转坐标由工作台回转和刀具摆动实现的联动方式，建立坐标变 换数学模型，实现后置处理算法。 ( 2 ) 采用m a c h 2 软件，根据五轴联动陶瓷雕刻机的p c 机接口，对相应选 项进行设置，然后将专用后置处理器产生的g 代码导入，控制各个轴的步进电 机的运动。 本课题的研究，将为开发其它c a d c a m 软件的后置处理程序建立良好的 基础和提供有价值的经验与思路，不仅如此，该专用后处理软件自身也将不断 完善，充分发挥高端性能以得到更广阔应用。 5 第二幸后置处理算法的实现 第二章后置处理算法的实现 2 1 机床简介 五轴联动的数控机床是由三个联动坐标x 、y 、z 和绕x 、y 、z 轴旋转的a 、 b 、c 中任意两个旋转坐标构成的。转动坐标a 、b 、c 的运动可由工作台的旋 转实现，也可以由刀具摆动来实现，可概括为三种基本形式【1 8 1 ： ( 1 ) 两个旋转坐标都由工作台回转实现，适用于3 n x i 各种不同类型的整体 叶轮( 如高性能压缩机叶轮、螺旋桨推进器叶轮等) 、高档鞋模、三维复杂零 件与模具等； ( 2 ) 两个旋转坐标都由刀具摆动来实现，适用于加工复杂空间曲面、内表 面的矩形网格、钻孔和攻丝等； ( 3 ) 两个旋转坐标一个通过工作台回转实现，另一个由刀具摆动来实现。 适用于加工回转腔体等。 由于五轴联动数控陶瓷雕刻机需要雕刻的陶瓷大部分为回转腔体类形状， 为此该数控机床的两个旋转坐标b 、c ，其中一个是刀具绕y 轴摆动1 5 0 。3 0 。 的b 坐标，个是回转工作台绕z 轴自由回转的c 坐标，主轴方向与z 方向平 行，如图2 1 所示。 圉2 1 五轴设计方案 首先区分与几个坐标系设置有关的概念1 1 9 1 ： 6 第二章后置处理算法的实现 1 ) 工件坐标系o w ：在编程时，由编程人员在工件上建立的设计坐标系。 2 ) 机床坐标系o r ：机床上固有的任何人都不能改变的坐标系，往往采用能 够作为基准的点、线、面来作为机床的原点、坐标轴的轴心线和坐标平面。 3 ) 力n - r _ 坐标系o m ：加工时设定的坐标系。原点一般取在轴线交点处，各 坐标轴方向与机床坐标系各坐标轴方向相同。 2 2 后置处理算法的数学基础 在图形显示过程中，一般来说，需要对图形进行平移、放大缩小、旋转等 基本的几何变换操作。图形的平移、放大缩小、旋转从数学上看都是几何性质 的“变换 ，故又称之为图形的几何变换。这一类变换主要是通过矩阵代数中的 齐次变换矩阵方法得以实现的l 川j 。 这里主要介绍三维图形的基本坐标变换，包括比例变换、对称变换、平移 变换以及旋转变换，在进行三维图形的变换时，点用齐次坐标表示为 xy z1 ， 变换矩阵采用下面的4 x 4 阶矩阵。 t = 口b dp l lf ，所 c p fg ) l 刀j ( 2 1 ) 式中， 至； 为产生比例、对称、旋转等变换；t - m n ，为产生沿三个轴向的 平移变换； s ) 为产生全比例变换； pqr ) t 为产生透视投影变换。 中的主对角线上的元素a 、e 、j 作用就是使图形产生比例变换。变换矩阵为： t = 口0 0e 0o o o 00 0 0 0 ol 7 即 妻三至 c 2 2 ， 第二章后置处理算法的实现 其中，a 、c 、j 分别为x 、y 、z 三个方向的缩放系数。 ( 2 ) 对称变换 基本对称变换包括对坐标原点、坐标轴及坐标平面的对称变换。下面主要 介绍对坐标平面的对称变换矩阵。 对x o y 平面的对称变换，除立体上各点的z 坐标变为相反数外，x 、y 坐标 不变，故齐次变换矩阵为： t = 1o 0l o o o o o o 0 0 二1o o1 对x o z 平面的对称变换，齐次变换矩阵为： t = lo o 0 o一10 0 o o10 o 001 ( 2 2 a ) 即 ：量) c 2 2 b ， 对y o z 平面的对称变换，齐次变换矩阵为： t = 一o o1 o o 0 o 0o o0 10 ol ( 2 2 e ) ( 3 ) 平移变换 平移变换是指立体在空间沿x 、y 、z 三个方向移动一定距离，而不改变立 体本身的形状和大小，齐次变换矩阵为： t = 1 o o1 o 0 ，朋 00 o 0 10 刀l ( 2 3 ) ( 4 ) 旋转变换 基本旋转变换是指空间立体绕某一轴旋转一定角度，各旋转角的正负按右 手法则确定：右手大拇指指向旋转轴的正向，其余4 个手指的指向即为旋转角正 8 x y 吃硝二 x y，z ，(1l 1 j 群 一= y z ，、 群 ， m 刀 + + + x y z i i = = xyz ，j、l 即 第二章后置处理算法的实现 向。 下面介绍分别绕x 、y 、z 轴旋转矩阵。 绕x 轴旋转口角。 立体绕x 轴旋转时，各顶点的x 坐标不变，只是y 、z 坐标变化，变换矩阵为： t = lo0 0c o s 0s i n 0 0 一s i l l 0c o s 0 0oo ( 2 4 a ) 绕y 轴旋转口角。 立体绕y 轴旋转时，各顶点的y 坐标不变，只是x 、z 坐标变化，变换矩阵为： t = c o s 00 一s i i l 0 o10 s i n 00c o s 0 0oo ( 2 4 b ) 绕z 轴旋转口角。 立体绕z 轴旋转时，各项点的z 坐标不变，只是x 、y 坐标变化，变换矩阵为： t = c o s 0s i n 00 0 一s i l l 0c o s 00 0 oo 1o oo0l ( 2 4 e ) 2 3 后置处理算法的研究 五轴联动数控系统包括基本参数输入、刀位轨迹计算和后置处理三个子系 统，其中把前置处理产生的刀位源文件生成指令数控机床能执行的数控程序的 过程称为后置处理。后置处理包括运动指令转换和控制指令转换，其中运动指 令转换包括直线轴坐标计算和旋转轴坐标计算，即刀位旋转角计算和坐标变换， 而坐标变换是后置处理中的核心技术 2 l _ 2 8 。 由于计算刀具轨迹时，采用的是工件坐标系( 即工件不动，刀具相对于工 件运动) ，而在实际加工中，使用的是机床坐标系( 即刀具不动，工件相对于 刀具运动) 。假定：工件坐标系为o w x y z ，原点在z 轴的旋转轴上；旋转轴b 、 9 第二章后置处理算法的实现 c 以及x 坐标方向构成o r x y z ，其坐标原点为两旋转轴的交点；o w x y z 原点到 o r x y z 原点距离为h ；已知刀心和刀轴矢量求在机床坐标系下工件的运动坐标 值。 从数学角度来看，后置处理主要是通过图形的坐标变换，把工件坐标系下 的刀位文件中的各坐标通过绕机床坐标系中的旋转轴旋转后，将刀心点变换成 机床坐标系下的坐标。后置处理求解分为：计算旋转角度坐标值b 、c 和刀心c o 经工件转动后在坐标系o r x y z 中的位置x 、y 、z 0 l c 2 7 31 。 2 3 1 计算旋转角度b 、c 设刀轴矢量s 为自由矢量( 单位矢量) ，将刀轴矢量的起点移到工件坐标系 的原点，如图2 2 所示。因机床的主轴方向与z 轴平行，并指向z 方向，所以 目标就是把刀轴矢量通过旋转变换后转到与z 轴方向一致。 y 图2 2 刀轴矢量起点平移到o r x y z 原点 由机床工作参数可知： b 轴摆角满足：1 5 0 0 b 3 0 0 c 轴转角满足：0 0 c 0 ) c 2 渤) 当q ，占。取值范围不同时，如同上述推理，可以得到式子2 5 b 、2 5 c 、2 5 d 。 c 堋。一一倒 k 巩勺 。) 眨5 b ) b o ，q o ) ( 2 5 c ) k o ，6 y o ) ( 2 5 d ) 然后，当q o ，0 时，刀轴矢量g 绕y 轴顺时针旋转角度b 至o m ，即 从o n 旋转至o m ，角度b 等同于x o z 平面上的z n o m ，绕z 轴旋转的圆半径 是厩，则t 锄( 9 0 一么b ) = t 厢，可以得到式子2 6 a 。 b = 9 0 b o ，c z o ) ( 2 6 a ) 当q ，乞取值范围不同时，如同上述推理，可以得到式子2 6 b 、2 6 e 。 l l 皇q 鱼i；叫 咖 咖 差言 差言 o 0 舳 回 ， l l = c c 第二章后置处理算法的实现 b = 一9 0 一 b = - 9 0 + h o ，乞 o ) ( 2 6 b ) b o ，8 z o ) ( 2 6 e ) 这些式子满足b = 1 5 0 0 - 3 0 0 ，c = 0 0 3 6 0 0 ，由于运动坐标随旋转角度的变 化而变换，下面由旋转角度b 、c 确定运动坐标x 、y 、z 。 2 3 2 直线轴x 、y 、z 值的确定 由刀具摆动实现旋转的坐标，工件相对于其坐标系不动，即b 轴转动不影 响工件坐标系，所以只需考虑工作台回转引起的坐标变换，其坐标值绕工作台 回转中心旋转角度c ，通过坐标变换求得旋转后的坐标值。 下面讨论刀心c o 经工件转动后在机床坐标系o r x y z 中的位置，即机床的 运动坐标x 、y 、z 。 1 ) 将刀位从工件坐标系o w x y z 平移到机床坐标系o r x y z 的变换矩阵为 丁l = 2 ) 工件绕z 轴旋转c 角， 丁2 = 1 0 0 0 l l 01 00l l 00 l 0 i 1 0 0hll 变换矩阵为 c o s cs i n c0 0 s i n cc o s c0 0 oolo oo01 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ix = x c o c o s c + y e a s i n c y = x c o s i n c + y e o e o s c ( 2 9 ) iz = z c o + h 1 2 第二章后置处理算法的宴现 至此求得了实际加工中应给出的刀位点坐标值。 值得指出的是五坐标加工的机床运动坐标是刀具相对于机床运动坐标系的 坐标，而不是刀具相对于工件坐标系的坐标。在刀位文件中所给出的是加工位 置( 3 个坐标) 和刀轴矢量( 3 个坐标) 共6 个参数，而五轴联动数控陶瓷雕刻机 是5 坐标机床，即加工的三个坐标x ，y 。z 与刀具摆动b 、工作台转动c 。该机床 的后置处理过程，即将刀位源文件中的刀- , , c o 坐书z x c o 、y c o 、z c o * d 刀轴矢量f 坐标x 、p y 、z 转换成机床的运动坐标x 、y 、z 、b 、c 。 为了对上述计算进行验证，可以与u o 的专用后置产生的数控加工程序进行 比较，若一致的话，就可以推断此算法是正确的。 2 4 后置处理算法的验证 以下是一段在五轴联动数控陶瓷雕刻机加工出的陶瓷浮雕如图2 4 所示的 后置处理的例子，刀位文件取自u g 软件的刀位输出文件； 图2 4 陶瓷浮雕模型 g o t 0 4 4 9 6 9 ，2 8 36 7 9 0 ，- 5 9 7 0 9 9 00 6 9 9 7 5 9 ，0 4 3 7 0 4 i 屯0 8 9 6 7 1 5 2 o 删6 3 6 2 2 8 37 5 “，j 95 0 1 7 ，0 0 8 7 4 2 8 8 ，0 4 3 8 6 3 7 0 , - 0 8 9 4 4 0 1 3 g o t o 6 7 8 0 0 。2 8 38 1 9 5 。- 5 9 2 7 9 4 0 1 0 4 8 5 4 5 扣4 4 0 0 9 5 矗- 0 8 9 1 8 0 7 9 g o t o 7 9 2 7 4 , 2 8 38 8 0 2 , - 5 9 0 4 3 0 0 1 2 2 2 4 7 3 m a 4 1 4 1 6 6 , 0 8 $ s 9 9 5 9 ( 3 0 1 0 9 0 7 7 6 , 2 8 39 3 4 7 - 5 87 9 q 2 01 3 9 6 0 2 0 , 0 4 4 2 5 9 9 7 , - 0 8 8 5 7 8 6 0 c k ) t o 1 0 2 2 9 9 工8 3 9 8 2 76 9 1 ，o - o 船- 5 8 5 2 7 0 0 1 5 4 4 3 6 4 4 5 - 0 2 3 5 9 3 g 0 1 w 1 13 8 3 3 , 2 8 4 0 2 4 4 ：5 8 2 4 7 5 n 1 7 4 1 7 5 0 , 0 4 4 4 5 5 1 】6 , - 0 8 7 8 6 5 6 8 第二章后置处理算法的实现 后置处理参数按实测值给定，工件安装偏置值h = 一1 0 ，获得n c 加工代码如下： n 2 4 5 0x 2 8 0 8 2y 4 0 4lz 6 9 7lb - 2 6 3c 8 0 9 0 3 n 2 4 6 0x 2 7 9 3 8y 4 9 9 4z 6 9 5b - 2 6 6c 7 8 7 2 8 n 2 4 7 0x 2 7 7 6 6y 5 9 18z 6 9 2 8b 一2 6 9c 7 6 5 9 9 n 2 4 8 0x 2 7 5 7 0y 6 8 13z 一6 9 0 4b 一2 7 3c 7 4 5 2 n 2 4 9 0x 2 7 3 5 2y 7 6 7 5z 6 9 7 9b 一2 7 7c 7 2 4 9 4 n 2 5 0 0x 2 71 14y 8 5 0 5z 6 9 5 3b 一2 8 1c 7 0 5 2 2 n 2 5 1 0x 2 6 8 6 0y 9 3 o lz 6 9 2 5b 2 8 5c 6 8 6 0 5 为了验证证上述后置处理算法的正确性，可以刀位源文件中随机抽取一小 段程序，如g o t o 4 4 9 6 9 ，2 8 3 。6 7 9 0 ，5 9 7 0 9 8 ，0 0 6 9 9 7 5 9 ，0 4 3 7 0 4 1 4 ，0 。8 9 6 7 1 5 2 。 g o t o 语句表示直线切削的事件，前面的三个数字表示了直线切削的终点坐 标为( 4 4 9 6 9 ，2 8 3 6 7 9 0 ，5 9 7 0 9 8 ) ( 在加工坐标系下) ，后面的三个数字表示 了刀轴矢量( o 0 6 9 9 7 5 9 ，0 4 3 7 0 4 1 4 ，0 8 9 6 7 1 5 2 ) 。 用刀, 1 3c o 坐标x c o 、y c o 、z o o 和刀轴矢量s 坐标sx 、cy 、sz 表示坐标，即 x c o = 4 4 9 6 9 ，y c o = 2 8 3 6 7 9 0 ，z c o = - 5 9 7 0 9 8 ，占x = 0 0 6 9 9 7 5 9 ，占y = 0 4 3 7 0 4 1 4 ， e z - 0 8 9 6 7 1 5 2 。将这些坐标值代入上述式子，可以得到x 、y 、z 、b 、c 。 将gx = 0 0 6 9 9 7 5 9 ，e y = 0 4 3 7 0 4 1 4 代入式2 5 a ，可以得到c 值 c ：a r c 协h ：a r c t a l l i 些型l ：8 0 9 0 3 4 i 。i 1 0 0 6 9 9 7 5 9 i 将占x - 0 0 6 9 9 7 5 9 ，s y = 0 4 3 7 0 4 1 4 ，s z = 0 8 9 6 7 1 5 2 代入式2 6 c ，得到b 值 一9 。+ a r c 协i = - 2 6 2 7 0 4 ix = x e oe o s c + y c os i n c = 4 4 9 6 9 c o s 8 0 9 0 3 4 + 2 8 3 6 7 9 0 s i n 8 0 9 0 3 4 = 2 8 0 8 2 3 8 y = - x c os i n c - i - y c oc o s c = - 4 4 9 6 9 s i n 8 0 9 0 3 4 - i - 2 8 3 6 7 9 0 c o s 8 0 9 0 3 4 = 4 0 4 0 9l iz = z c o + h = 一5 9 7 0 9 8 1 0 = 6 9 7 0 9 8 第二章后置处理算法的实现 后置处理算法是正确的。 2 5 本章小结 本章内容针对五轴联动数控陶瓷雕刻机的后置处理算法，主要从以下几个 方面进行详细的分析和推导： 1 ) 概要的阐述五轴机床的几种基本形式，并针对五轴联动数控陶瓷雕刻机 该机床的加工特点，采用旋转坐标由工作台回转和刀具摆动实现的联动方式。 2 ) 借鉴其他数控加工后置处理算法推导过程基础上，推导出该数控机床的 后置处理算法，并已在五轴联动数控陶瓷雕刻机上调试通过。 1 5 第三章人机界面的建立 第三章人机界面的建立 3 1 后置处理方法分析 图形化编程软件所生成的n c 代码，都需要经过特定的后置处理设置，才能 生成适应于特定数控系统的n c 代码。当今较为流行的几种c a m 软件的后置处 理系统，大致可分为通用后置处理系统和专用后置处理系统两种。下面简单描 述通用后置处理系统和专用后置处理系统的定义及优缺点【j 厶 j 。 ( 1 ) 通用后置处理一般是指后置处理程序功能通用化，针对不同类型的数 控系统，对刀位轨迹进行处理，结合数控机床的配置文件，输出数控机床控制 系统能够接受的加工指令。这类c a m 软件提供给用户一个能生成指定数控系统 数据文件的交互式对话程序( 对话框菜单) ，用户只要运行该程序，根据指定 机床所要求的g 代码格式，填写对话框屏幕菜单，便能生成一个所需的数控系统 数据文件，例女l l p r o e 、u g 、c a x a m e 制造工程师的后置处理m 州。 由于各种系统的g 代码指令的主体( 即刀位轨迹坐标数) 是相同的，不同 的是一些准备指令及指令格式，采用通用后置的方式较灵活，仅需要生成本企 业拥用的几种数控系统的后置处理程序，不会有成百上千种多余的后置处理程 序。 ( 2 ) 专用后置处理系统是对不同的数控系统编写相应的后置处理模块，n c 编程时，用户交互生成刀位轨迹之后，调用欲用于加工零件的数控机床的后置 处理模块。软件本身提供了多种数控系统( 如f a m ，c ) 的标准后置处理文件， 可生成供多种数控机床使用的n c 代码，若某种数控系统在该c a m 软件中还没 有相应的专用后置处理，可以调用已有的一个后置处理程序进行修改，生成一 个对应于该数控系统的专用后置处理程序，! t i m a s t e rc a m t 川j 。 专用后置处理程序只能生成唯一指定数控机床的指令，不能对其他数控机 床的特性文件进行处理。所以不同的数控系统需要配置不同的后置处理系统。 由于这种方式的后置处理程序是专用的，其不足之处是在其后置处理模块中有 成百上千个专用后置处理程序。 综上所述，通过对通用后置处理系统和专用后置处理系统的优缺点比较， 随着各种新型数控系统和特殊结构机床的不断涌现，通用后置处理系统总是落 1 6 第三章人机界面的建立 后于数控系统及设备硬件的发展，这就使得新型数控机床特型功能的利用受到 严重的影响，因此针对一种数控机床开发专用后置处理器具有重要的现实意义 和工程应用价值l j l j 。 目前，n c 后置处理软件的编制一般有以下4 种方式l - * z ： ( 1 ) 利用高级语言将刀位记录转换成数控指令代码，这种方式的优点是灵 活性高，缺点是工作量大，程序编制困难。 ( 2 ) 软件商提供一个交互式处理书写器( p o s tw r i t e r ) ，用来确定一些具 体参数，用户回答后，就形成了针对具体机床的后处理软件。这种方式的优点 是简单方便，缺点是形成的数控文件灵活性差，难以令用户随心所欲。 ( 3 ) 软件厂家为各种控制系统和不同布局的机床编制专用后处理程序，优 点是无需用户自己开发，缺点是购新机床时，需补充订购该机床的专用后处理 程序。 ( 4 ) 软件厂家提供一个软件编制工具包，它提供一套语法规则，由用户编 制针对具体机床的专用后处理程序，特点是既灵活又简便，不过用户需要额外 掌握一种“语言一，u g 提供一个通用的p o s t 软件包，做后置处理操作时，由p o s t 去调用机床文件中相应的宏，转换成相应机床的指令格式并进行必要的计算。 比较四种编制n c 后置处理软件方式的优缺点，我们采用第四种方式，采用 基于u g p o s tb u i l d e r 软件，开发专用后置处理。 3 2u g 软件和v b6 0 软件简介 ( 1 ) u g 软件 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 软件现已成为世界一流的集成化机械c a d c a m c a e 软件，广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械、模具和家用电器等领域， 可应用于整个产品的开发过程，包括产品的概念设计、建模、分析和j j d t l j 。 功能强大的u g 软件是由c a d 模块、c a m 模块、c a e 模块、钣金模块主 要模块组成，还有一些其它功能模块：如用户定制菜单的u g o p e nm e n us c r i p t 模块；供用户构造u g 风格对话框的用户界面设计模块( u g o p e nu i s t y l e r ) ： 供用户进行二次开发由u g o p e ng r i p 、u g o i x ma p i 、u g o p c n + + 组成的u g 开发模块( u g o p c n ) ；以及数据交换模块、快速成型模块和由检验、检测、逆 向工程组成的质量工程应用模块等。 1 7 第三章人机界面的建立 u g i i 强大的功能模块，给设计人员提供了方便的方法与手段来对新产品或 新的结构进行几何建模，并且可以在此基础上辅助设计人员进行完整的、有效 的装配检查、运动分析以及应力分析来检验所设计的产品或结构是否能够符合 实际的要求，不仅如此，u g i i 所提供的制造模块还能够在所建立的模型的基础 上，解算出这种产品或结构所必需的刀轨数据。要想把这些刀轨数据直接应用 到机床，必须进行一定格式的转换，也就是开发专用后处理模块。 u g 的后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，适用于 目前世界上几乎所有主流数控加工中心机床系统，该模块在多年的应用实践中 已被证明适用于2 5 轴或更多轴的铣削加工、2 4 轴的车削加工和电火花线切割。 ( 2 ) v b6 0 软件 界面设计是编写软件的一个重要组成部分，当我们在打开某一个软件时， 最先看到的就是软件界面，可以说它直接反映了所编写软件的质量高低，m d i 窗口( m u l t i p l ed o c u m e n t si n t e r f a c e ，多文档界面) 是w i n d o w s 应用程序的典型 结构，它的特点是在一个父窗体内可显示多个子窗体，从而可同时显示多个文 档，各子窗体可以在父窗体内以平铺、层叠的方式排列，也可缩成图标。现在 大多数流行的软件中都使用多重文档界面形式，如w o r d 、a u t oc a d 、v i s u a lb a s i c ( 简称v b ) 6 0 等l h j 。 在众多的高级程序设计语言工具中，v i s u a lb a s i c 是w i n d o w s 公司推出的系 列开发软件之一，它以实用、方便、快捷、开发周期短、功能强大等特点越来 越被广大编程人员所青睐。v b6 0 既具