数控技术应用.doc

赣西学院论文1 绪论1.1 选题的依据及意义数控加工技术是指高效、优质的实现产品零件特别是复杂形状零件加工的有关理论、方法与实现的技术，它是自动化、柔性化、敏捷化和数字化制造加工等现代制造业的重要基础与关键技术1，也是发展军事工业的重要战略技术，是衡量一个国家工业化水平的重要标志23。数控加工技术涉及的范围很广，涉及数控机床加工工艺和数控编程技术两方面，其中数控编程技术是最能明显发挥效益的环节之一，尤其是对于复杂形状的零件如叶轮、叶片、复杂精密模具等应用效果更为明显。数控编程多采用自动编程系统，最初的自动编程系统是麻省理工学院开发的APT系统4，现在编程系统向CAD/CAM一体化方向发展，多采用图形交互式自动编程系统，如UG、Pro/E、 CATIA等CAD/CAM集成软件系统。CAD/CAM一体化技术作为一种高新技术，己经广泛应用到机械、电子、航空航天、化工、建筑等领域。在CAD/CAM一体化技术的应用过程中，一般的产品设计与制造流程如图1-1所示，由该流程图可见后置处理器是衔接CAD/CAM集成系统与数控加工设备的纽带。由CAD/CAM自动编程系统产生刀位轨迹的计算过程为前置处理(Preprocessing)，前置处理产生中性刀位源文件，所包含的是数控机床进行加工控制所要经过的各加工点的坐标值以及刀轴矢量等，它采用相对运动原理，将刀位轨迹的计算统一在工件坐标系中进行，而不考虑具体的机床结构及指令格式，从而简化系统软件5。后置处理(PostProcessing)是指将前置处理产生的刀位源文件和加工工艺参数与特定的机床特性文件和定义文件相结合，生成指定数控加工设备能够识别的数控加工程序的过程。能够执行后置处理过程的程序称为后置处理器（postprocessor)。可见没有后置处理器，前置处理产生的中性刀位源文件就无法转化成数控加工设备能够识别的数控加工程序进行加工。因此，后置处理是将理论设计转化到实际生产的关键环节67，也是产品顺利实现的重要保证，它直接影响到CAD/CAM的集成及其应用效果。目前，现代的CAD/CAM集成系统能实现从设计到制造过程的高度集成，国内不少企业或高校购置了各种不同层次的CAD/CAM集成软件系统(如UG、Pro/E等)和高效的加工设备(如五轴联动加工中心等) 8，例如我国2002年已是世界上最大的机床消费国和世界上最大的机床进口国，仅加工中心我国在2003年就进口了5132台，达6.31亿美元9。另一方面我国数控机床平均利用率仅为40%，而日本的数控机床利用率约在80%以上，国外数控机床在两班制工作下开动率达到60%-70%，但在国内却只能达20%-30%，问题的关键原因在于我们的编程“效率低”。据国外资料统计，手工编程时，一个零件的编程时间与机床实际加工时间之比约为30:110，而数控机床不能开动的原因中有20%-30%是由于加工程序一时编制不出而耽搁的。因此高效的编程技术成为目前我们亟待解决的问题，为此国内购置了各种不同层次的数控自动编程CAD/CAM集成软件系统。但是目前国内许多CAD/CAM软件用户的应用还只停留在CAD上，对CAM的应用效率不高，数控机床还采用手工编制程序，致使对高质量的加工设备无法提出高要求，造成了设备资源的闲置或低层次的使用，这是极大的浪费11。究其原因关键就在于没有解决好后置处理这一关键技术，这是因为数控机床的种类繁多、规格各异、指令格式又不统一，要使后置处理产生的数控代码不需要手工修改就能直接传输到数控加工设备进行加工，必须针对具体的加工设备，配备专用的后置处理器；或者是在配备的通用后置处理器的基础上根据机床特点进行必要的二次开发11。随着制造业面对的制造对象更新频率加快，加工对象个性化突出，因而对机床工业同样提出了产品品种多样化12。五轴数控机床是加工复杂零件的现代化设备，由于五轴加工的复杂性，后置处理器的开发越来越复杂，近年来考虑到机床结构和便于排屑等因素又出现了一些带倾斜转台或者倾斜摆主轴头的特殊结构的五坐标数控机床，这都对后置处理器的开发提出了新的要求，后置处理问题解决不好，轻则不能发挥加工设备的新功能和加工效率上的优势，造成大材小用，重则由于程序问题造成生产事故。后置处理(Post processing)是数控加工自动编程中需要考虑的一个重要问题。将刀位数据文件转变成指定机床能执行的数控程序的过程称为后置处理。实践表明，直接利用Pro/E、UG等通用后置处理器生成的NC代码一般与用户使用的数控机床和系统的要求不符，导致数控加工不能安全、可靠地进行。通常，通用后置处理生成的加工程序还需要做大量的手工修改才能执行，影响了数控设备的使用效率。为提高自动编程效率，充分发挥加工设备优势，本课题在UG/Post Builder通用后置处理器的基础上，针对MIKRONUCP 600 Vario五轴加工中心和配置的Heidenhain iTNC530数控系统开发了专用后置处理程序，并通过产品加工验证了该程序的正确性13。1.2 国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）后置处理技术的发展是随着数控技术以及CAD/CAM技术的发展而发展起来的。最早的数控程序都是手工编制，不存在后置处理问题。自从成熟的自动编程CAD/CAM软件取代手工编程后，由于CAD/CAM软件采用类计算机的高级语言(如APT语言等)编制的刀位源文件不为机床所识别，需要将刀位源文件转换成数控指令代码，才带来了后置处理问题7。随着高档数控加工中心和高端CAD/CAM集成软件系统应用的不断增多，尤其是特殊结构数控机床的不断增多，为其配置和开发合适的后置处理器愈显重要，这对提高数控编程效率、扩大CAD/CAM一体化技术的应用范围等具有重要的工程应用价值和实际意义，目前后置处理技术已经成为CAD/CAM技术领域的一个研究热点。1.2.1 国外对于后置处理技术的研究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。最初的后置处理程序多来自CAD/CAM供应商，人们花费了大量的劳动，配置了数量众多、各种类型的后置处理器。例如APT系统就配置了一千多个针对各种不同类型数控系统的后置处理程序13。此种方法的优点是无需用户自己开发，方便使用；缺点是当用户购买新的数控机床或者更换新的数控系统时，需要补充订购新的专用后置处理程序，而后置处理器价格昂贵，这样用户就受制于后置处理器软件开发商14。专用后置处理器的另外一种获得方法就是用户自己开发，用高级计算机语言例如Fortran来直接编写后置处理器15，从刀位源文件中读取刀轨数据并转换输出。此种方法的优点是由于具有针对性，因此输出的数控程序不需要额外的手工修改；缺点是开发工作量大，编制困难，开发周期长，对设计好的后置处理程序修改困难，需要有经验的专门的软件编程人员修改。很显然专用后置处理器的开发过程是智力密集和劳动密集兼而有之的过程，当面临的CAD/CAM系统、数控机床及其数控系统众多的情况下，从头开发专用后置处理器的工作就相当繁重，因此通用后置处理技术是今后后置处理技术发展的方向。一般来说 ，通用后置处理器都是某编程系统的一个子系统，要求输入的刀位源文件是该数控编程系统经刀轨计算生成的。国外的CAD/CAM软件都提供通用后置处理器，如美国UG、Pro/Engineer、MasterCAM、法国的EUCLID-IS等，部分软件厂家还采用捆绑式专业后置处理系统，如Surfcam采用SPost,Cimatron的Imspost等，加拿大ICAM的Cam-Post等16 1718。UG提供通用的后置处理器UG/ POST，它提供常见二轴到五轴数控加工机床的后置处理器。其后置处理器主要由三部分组成:事件生成器、事件处理器和定义文件，它们一起将刀具路径转换成为一系列数控机床能够直接读取和执行的数控程序19。MasterCAM系统的后置处理分主处理程序和后置处理程序两大部分，该系统后置处理程序内定成适应日本FAUNC控制器的通用格式，该系统的后置处理文件定义了切削加工参数、NC程序格式、辅助工艺指令，设置了接口功能参数等。1.2.2 国内方面对于后置处理技术的研究国内对后置处理技术做过一些深入的探索研究，取得了一定的研究成果。在专用后置处理器方面多采用计算机高级语言自主编写开发，例如韩建军用C语言对ANVIL5000开发的针对数控加工中心SAGEM的后置处理程序20，王启富等用Turbo C开发CATIA软件专用的NC后置处理软件等一些实例21。在通用后置处理系统方面，华中理工大学的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22，应用效果比较好，但对于多轴数控加工其后置处理还是不能达到通用；北京航空航天大学的曾爱华等人，以通用化、结构化、模块化的基本设计思想对通用后置处理系统作了总体的分析，并对系统结构和程序实现作了具体描述，并为系统的通用化、实用化和商品化提供了必要的条件14，但是该系统只能满足一般的两轴半和三轴数控铣加工自动编程的需要。国产CAD/CAM系统中CAXA制造工程师是目前应用最为广泛的，它采用通用后置处理器，可以提供常见的数控系统后置处理格式，而且用户还可以自定义专用数控系统的后置处理格式23。 CAXA制造工倒币无需生成刀位源文件就可直接输出G代码指令，但其局限性在于其后置处理只适用于一般的铣削加工24，不适于孔加工。综上所述:通用后置处理系统是今后发展的方向，但在目前无论是国外还是国内真正能够做到完全通用的完美的通用后置处理系统几乎没有25，因为通用后置处理是在以标准刀位数据以及通用的数控指令为前提的基础上进行考虑的3。国际标准化组织(ISO)、美国国家标准协会(ANSI)和电子工业协会(EIA)对刀位源文件、后置处理语句和数控指令都有相应的标准，但各数控系统生产厂商采用不尽相同的标准，数控系统的指令格式多样，由于竞争需要还会应用一些非标准的内容13，有些数控系统的扩展功能己经超出了前置处理刀位数据的规定格式，如样条曲线、渐开线等，而目前的通用后置处理系统还只是考虑直线和圆弧3，多数采用离散直线来逼近工件轮廓，零件形状越复杂，数控程序量越大，有时甚至是巨量26，多轴加工时还会产生非线性运动误差27，而且科技发展日新月异，各种新型的数控系统和特殊结构机床不断的更新换代，通用后置处理系统总是很难做到及时的更新换代，这就使得新机床特性的利用大打折扣。因此本课题针对特殊结构或采用特殊数控系统的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。1.3 研究内容 1. 通过UG后置处理器设置机床参数、NC加工程序格式和输出文件格式，生成MIKRON五轴加工中心的特性数据文件。2. 利用UG后置处理器，实现模态辅助功能指令M126、M128的输出和非模态辅助功能指令循环32的输出。3. 通过用户自定义功能，以Tcl语言为开发语言，实现在生成NC程序的同时输出总加工时间、每道工序的加工时间和刀具信息。4. 专用后置处理程序与UG集成第二章 UG后处理器介绍2.1 UG提供的后置处理方法Unigraphics NX是美国EDS公司推出的面向制造行业的CAD/CAE/CAM一体的高端软件。它功能强大、内容丰富，为用户提供了集成最先进的技术和一流实践经验的解决方案，能够把任何产品构想付诸于实际。UG NX涵盖了工业设计的造型、装配、加工、仿真和分析等领域的操作功能。UG NX软件广泛应用于通用机械、模具、电器、汽车、化工及航天领域28。UG提供了两种后置处理方法:图形后置处理模块GPM (Graphics Postprocessor Module)和UG后置处理器UG/Post Builder。目前应用最多的是UG/Post Builder29。2.1.1 图形后置处理模块GPM用图形后置处理模块GPM对刀位源文件进行后置处理需要机床数据文件(*.MDF )，机床数据文件包含对刀位源文件进行后置处理时所需的机床数据。GPM和*.MDF文件相互依赖，GPM必须根据*.MDF文件中的数据来设置其开关量，同时*.MDF文件也只能用于GPM进行后置处理。采用图形后置处理模块GPM进行后置处理，首先需要将UG的刀具路径输出生成刀具位置源文件，并用机床数据文件生成器建立机床数据文件，然后运行GPM，指定刀位源文件和机床数据文件，系统根据机床数据文件中的指令对刀位源文件进行后置处理，最后输出数控加工程序28。2.1.2 UG后置处理器UG/Post BuilderUG提供了一个优秀的后处理工具 UG/Post Builder，它以UG CAM中生成的零件加工刀路轨迹作为输入，输出符合机床控制系统要求的NC代码。用户可以通过UG/Post Builder建立和机床控制系统相关的事件处理文件和事件定义文件，然后通过UG整合在一起，完成任意复杂机床的后处理30，图2-1为UG后处理的流程图。UG/Post Builder包括以下几部分:(1)Event Generator（事件生成器）将事件传给Post Builder。事件是后置处理的一个数据集，用来控制机床的每一个动作。事件生成器提取零件的刀具路径信息，并将其作为事件和参数传递到加工输出管理器。(2)Event Handle（事件处理文件.tcl）这个文件是用Tcl（Tool command language）语言写成，定义了每一个事件的处理方式。它可以通过Post Builder建立。(3)Definition File（事件定义文件.def）定义事件处理后输出的数据格式。它可以通过Post Builder建立。(4)Manufacturing Output Manager（加工输出管理器）简称MOM，是Post Builder后置处理器的核心。Post Builder用它来启动后处理，将内部刀轨数据加载给解释程序，并打开.tcl和.def文件。(5)Output File（输出文件）Post Builder输出的NC程序。(6)Post User Interface File（后处理用户界面文件.pui）通过它用户可利用Post Builder来修改事件处理文件和事件定义文件。图2-1 后处理流程图事件生成器、事件处理器和事件定义文件是相关联的，它们结合在一起把UG刀轨源文件处理成机床可以接受的文件31。采用UG/Post Builder建立后处理文件的过程，如图2-2所示。后置处理必须具备两个要素:UG刀轨数据和后置处理器文件，刀轨数据在UG CAM中自动生成；后置处理器由事件管理器和定义文件构成。UG/Post Builder进行后置处理的过程为:首先由事件生成器提取刀轨信息，并将刀轨信息整理成事件和变量后，传递到加工输出管理器进行处理，加工输出管理器把带有相关数据信息的事件传递到事件管理器，由事件管理器对事件进行处理，处理结果再返回到加工输出管理器，加工输出管理器再根据定义文件来决定要输出的加工程序的输出格式并输出，直到结束。采用UG/Post Builder建立后处理，系统会产生三个文件。一个是事件定义文件(*.def)，包含了指定机床控制系统的静态信息和程序格式；一个是事件处理文件(*.tcl)，定义了每一个事件的处理方式，决定导轨源文件中每个事件如何处理，并决定反馈什么变量和数据给加工输出管理器，事件处理文件结构是由Tcl（Tool command language）语言编写而成的；还有一个是后处理用户界面文件(*.pui)，通过它用户可利用Post Builder来修改事件处理文件和事件定义文件，并可进行用户化后处理。图2-2 UG/Post Builder建立后处理文件的过程图2.2 UG/Post Builder主要参数使用Post Builder建立后处理时，Post Builder用户界面分成5个大项，分别是：Machine Tool（机床参数）、Program & Tool Path（程序和刀轨参数）、N/C Data Definition（NC数据格式）、Output Setting（输出参数）和Post Files Preview（后处理文件预览）。当一个大项选定后，里面还有许多小项参数需要设定。（1）机床参数属性项在机床参数项中，选择合适的机床类型，设置机床坐标轴行程、机床回零点位置、直线轴插补最小分辨率（控制系统可分辨的最小长度）、机床快速移动速度等。由于机床类型不同，机床参数项的内容也会不同，甚至机床轴数不同、旋转轴方式有差异，机床参数项的内容也不同。（2）程序和刀轨参数属性项在程序和刀轨参数项中可以定义、修改和用户化与数控加工程序相关的参数，机床所具有的G、M代码，同一行中字地址的输出顺序。程序项由五个序列组成，分别是程序头（Program Start Sequence）、操作头（Operation Start Sequence）、刀轨（Tool Path）、操作尾（Operation End Sequence）和程序尾（Program End Sequence）。用户可以在除刀轨序列外的四个序列中加入用户自定义特殊后置处理输出命令程序行等，它既可以是用户命令，也可以是操作信息，还可以是自定义的程序行对于用户自定义程序行可以在用户命令项添加自定义的后置处理代码，从而形成特殊的后置处理命令。图2-3所示为用户自定义命令部分，左侧是用户自定义程序行，用户在右侧添加代码。图2-3所示为用户自定义命令（3）N/C数据格式定义属性项在N/C数据格式定义属性项主要是定义N/C输出格式，它包括程序行（BLOCK）、字（WORD）、格式（FORMAT）和其它数据（Other Data Elements）。在程序行项主要定义在每一个程序行中有哪些字，以及它们之间的顺序，可以在这里编辑、新建程序行或删除不用的程序行；在字项可以定义后处理中每个字的相关参数，如最大值、最小值、模态等；在格式项定义采用相应格式的字类型是实数、整数或字符串等，一旦更改其中参数，所有采用这种格式的字地址都会更改；在其它数据项可以定义一些与程序本身无关的数据格式，如：程序行号、字间隔、行结束符号等。（4）输出参数项输出参数项共有两个子参数项，分别是Listing File（列表文件）和Other Options（其他控制）。在输出参数项中允许用户生成控制列表文件，该文件包含了整个后处理过程的X、Y、Z坐标值，第4轴角度，第5轴角度，进给和主轴转速等信息。用户还可以定义控制列表文件的后缀名。（5）后处理文件预览后处理文件预览允许用户在保存后处理之前检查定义文件和事件处理文件的改动。新的内容显示在上面的窗口中，旧的内容显示在下面的窗口中。2.3 MIKRON五轴加工中心及配置的数控系统介绍MIKRON UCP 600 Vario五轴联动高速加工中心是面向中小型复杂零件的精密加工的机型，如图2-4所示。它采用最新的材料和技术，保证了多轴部件大功率高速度加工时的动态特性，并结合了米克朗高速主轴技术的成果，MIKRON UCP 600 Vario的主轴转速范围可从用于传统切削的12000r/min到用于高速切削各种材料的20000r/min。高性能主轴配合圆形回转/摆动工作台，可以满足多种类型的切削任务。机床主要参数如下： 主轴：XYZBC 结构：双转台结构 工作行程：X轴:600mmY轴:450 mmZ轴:450mm 工作台面：450 mm 旋转轴范围：-115+30（B轴），双向360（C轴） 主轴转速：20 - 20000 转/分 主轴最大功率：30千瓦 刀库容量：30把/HSK 63A图2-4 MIKRON UCP600 Vario双转台五轴加工中心MIKRON UCP 600 Vario 五轴联动高速加工中心与Heidenhain iTNC 530数控系统相结合实现高速切削工艺， iTNC530采用Heidenhain对话式编程语言编写常规加工程序，在系统中配有三维的交互式编程环境，可以及时对代码进行动态仿真和刀路验证，交互式的图形显示可将编程轮廓的每个加工步骤图形化地显示在屏幕上。在运行一个程序的同时，还能输入或测试另一个程序。系统同时也支持用ISO格式（即G代码）和DNC模式的编程。Heidenhain iTNC 530提供了刀具中心点管理控制、3D刀具补偿功能、支持倾斜面以及圆柱表面加工等功能。Heidenhain iTNC 530最多可以控制12个轴，也可由程序来定位主轴。2.4 Heidenhain iTNC530数控系统的数控程序格式Heidenhain iTNC 530数控系统支持Heidenhain 对话编程格式（H代码）和ISO编程格式（G代码），其中前者是Heidenhain的特有格式。本课题的数控程序的输出格式选取H代码格式，数控程序通常都是以字母和数字表示其文件名，以.H为扩展名，但默认的记事本格式仍可以识别，即记事本格式也可以输入到加工中心进行加工。MIKRON五轴加工中心的数控格式主要有以下几个部分： （1）程序头：主要包括加工中心数控系统规定的一些特定的格式和控制主轴及冷却液的相关程序行，如图2-5所示。MIKRON五轴加工中心数控加工程序须以“BEGIN PGM 文件名”开头，如图中的第一行。第二、三行是设定毛坯的尺寸，以“BLK FORM”开头。以下是调用刀具、控制主轴等程序行。图2-5 MIKRON五轴加工中心程序头格式（2）程序主体程序主体主要是刀心点的坐标值，如图2-6所示。图2-6 MIKRON五轴加工中心程序的主体（3）程序尾程序尾主要包括主轴停转（M5）、冷却液关闭（M9）、停止程序运行（M2），以“END PGM 文件名”结束，如图2-7所示。图2-7 MIKRON五轴加工中心程序尾格式2.5 双转台五坐标后置处理算法从刀位计算方法可以看出，对于五坐标数控加工，刀位文件中刀位的给出形式为刀心坐标和刀轴矢量，在后置处理过程中，需要将它们转换为机床的运动坐标。对于不同类型运动关系的数控机床，其运动方式不一致，故其后置处理算法也各不相同。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，如图2-8所示。双转台五坐标机床运动的运动是由X、Y、Z、B、C这五个自由度方向上的运动组成的，其中B、C轴的旋转运动都是通过机床的工作台旋转来实现，故称为双转台。如图2-9所示工件坐标系为；工件可绕坐标轴Y摆动B角；工件可绕坐标轴Z转动C角；工作台回转与Z轴一致；机床运动坐标系为，刀心在工件坐标系中的位置为；刀轴矢量a（单位矢量）在工件坐标系中为32。 图2-8 机床运动坐标 图2-9 五坐标加工刀轴矢量转动关系本文结合MIKRION UCP600vario型双转台五坐标加工中心的特点来介绍X、Y、Z、B、C这五个坐标运动的机床后置处理算法。由于带B、C轴的五轴机床特点之一便是：其刀轴既可以绕Z轴逆时针转到（+X）（+Z）平面上，也可以绕Z轴顺时针转到（-X）（+Z）平面上，如图2-10所示。所以这种运动关系如果处理不当，容易导致“Y坐标负向超程问题”的出现。所谓Y坐标的负向超程是指Y坐标的负向运动（指刀具相对于工作台的运动）超越了工作台台面的限制极限值。负向超程问题的出现容易导致刀具与工作台面的干涉及报废零件等不良后果。所以在做后置处理算法分析时，将两种转动关系分开讨论有助于解决Y坐标的负向超程问题。下面分别给出这两种不同转动关系下的两种坐标转换计算公式： a）刀轴矢量绕Z轴顺时针转动 b）刀轴矢量绕Z轴逆时针转动图2-10 五坐标加工刀轴矢量绕Z轴的两种转动关系令刀轴矢量a为自由矢量，首先将刀轴的起点移到工件坐标系的原点，然后将刀轴矢量绕Z轴顺时针转到（+X）（+Z）平面上，再将刀轴矢量绕Y轴顺时针转到与Z坐标方向一致。（1）在求解的第一步中，将刀轴矢量绕Z轴顺时针转到（+X）（+Z）平面上 （2-1） （2-2）（当时，令）求刀心经工件转动后在机床坐标系中的位置，即机床的运动坐标值X、Y、Z。先将工件坐标系平移到机床坐标系，变换矩阵为：工件绕Z轴旋转-C角，变换矩阵为：工件绕Y轴旋转-B角，变换矩阵为： 则： 将其展开得： （2-3）（2）在求解的第一步中，将刀轴矢量绕Z轴逆时针转到（-X）（+Z）平面上 （2-4） （2-5）（当时，令） （2-6）从式2-3、式2-6可以看出，两种计算方法求得的Y值正好相反。第三章 MIKRON五轴加工中心后置处理的研究3.1 利用Post Builder建立机床特性数据文件3.1.1 设置机床参数启动UG/Post Builder新建五轴后处理文件（图3-1），在新建对话框中从Library中选择双转台五轴（5-Axis with Dual Rotary Tables）铣床类型，控制系统选择Heidenhain_conversational，然后系统显示Machine Tool属性页面，通过该页面设定参数以符合机床参数的要求。 在Machine Tool页面的左面结构窗口中单击General Parameters、Fourth Axis和Fifth Axis节点，分别设置机床参数。General Parameters节点的机床参数，如图3-2所示。图3-1 建立新的后处理 图3-2 设定机床行程极限Fourth Axis和Fifth Axis的参数设置是重点。第四旋转轴参数的设置，需要在旋转轴配置（Rotary Axis Configuration）中，设置两根旋转轴的旋转主体、旋转平面和代号。MIKRON五轴加工中心的第四轴代号为B，第五轴代号为C，旋转主体为工作台，旋转平面分别为ZX平面和XY平面，如图3-3所示。下面，需要设置旋转精度（Rotary Motion Resolution）、最大旋转速度（Max Feed Rate）、枢轴距离（Pivot Distance）、轴旋转方向（Axis Rotation）、轴方向（Axis Rotation）、旋转轴转动范围（Rotary Axis Limits）、旋转轴旋转中心相对于机床原点的位置（Machine Zero to Rotary Axis Center）等参数33。枢轴距离是两根旋转轴线之间的距离。轴旋转方向定义是否采用右手螺旋法则，是则设置为正转（Nomal），否设置为反转（Reverse）。轴方向（Axis Direction）定义工作台转动的方向，可以用下面两种方法34：绝对位置法（Magnitude Determines Direction）用代数值表示工作台的角度位置。位置角度增大时工作台顺时针旋转，减小时逆时针旋转。相对位置法（Sign Determines Direction）用绝对值表示工作台的角度位置，代数符号仅仅表明工作台到达该位置的旋转方向，正号为顺时针旋转，负号为逆时针旋转。第四旋转轴参数的设置，如图3-4所示。机床参数设定结束后，单击Display Machine Tool按钮，显示出双转台五轴铣床简图（图3-5）。 图3-3定义机床旋转轴配置 图3-4 设定第四旋转轴参数图3-5 双转台五轴铣床简图3.1.2 设置程序的格式Post Builder将一个NC程序分成五个序列，即程序开始、程序结束、操作开始、操作结束和刀轨路径事件。序列由一系列有序的事件组成。在序列的对话框中有一些标记（Markers），在标记下面可以添加一系列程序段（Block），以决定所输出NC程序的内容和组成。A、程序开始序列（Program Start Sequence） 定义程序开始时需要输出的程序行，一个NC程序只有一个程序开始事件，如图3-6所示。B、操作开始序列（Operation Start Sequence） 采用UG NX软件数控编程时，把每一道加工工序称为一项“操作”。操作开始序列定义了从操作开始到第一个切削运动之间的事件，包括自动换刀（Automatic Tool Change），手动换刀（Manual Tool Change），接近运动（Approach Move），初始运动（Initial Move），进刀运动（Engage Move），首次切削（First Cut）等，如图3-7所示。图3-6 程序开始序列 图3-7 操作开始序列C、刀具路径事件（Tool Path Event） 刀具路径事件包括Machine Control（机床控制事件）、Motion（加工运动）和Canned Cycles（钻循环）三项内容。机床控制事件主要定义如进给、换刀、冷却液、公英制等事件的格式35，如图3-8所示。加工运动定义后处理如何处理刀位轨迹源文件中的GOTO语句，如图3-9所示。当进给速度大于0或大于最大进给速度时，系统采用Rapid Move（快速移动）来处理；当进给速度不为0或小于最大进给速度时，系统采用Linear Move（线性移动）来处理；当出现圆弧插补或圆弧运动事件时，系统采用Circle Move（圆弧运动）来处理。钻循环定义当进行孔加工循环时，系统如何处理这类事件，并定义输出格式。D、操作结束序列（Operation End Seqnence）操作结尾定义从最后退刀运动到操作结束之前的事件。在每个操作结尾处出现的程序行应放在这里，如果只出现一次应放在程序结尾位置。操作尾添加M129（取消M128），M127（取消M126），M05（主轴停转），M09（冷却液关闭），L Z1000 F MAX M91（抬刀），L B0 C0 F MAX（B、C回零）,如图3-10。图3-8 Post Builder中机床控制事件 图3-9 加工运动设置E、程序结束序列（Program End Sequence）程序结尾定义程序结束时需要输出的程序行，一个NC程序只有一个程序结束事件。如图3-11所示。图3-10 操作结束序列 图3-11 程序结束序列3.1.3 设置程序段格式在Post Build还需要设置NC加工程序段格式。 A、准备功能代码 它是使机床准备好某种工作方式的指令，如命令机床走直线或圆弧运动、固定循环运动、刀具补偿、指定坐标平面或坐标偏置等。Heidenhain iTNC 530数控系统除ISO标准格式外，还有自定义格式，例如用L、C DR、C DR分别代替G01、G02、G03。 因此，定义准备功能代码时要根据机床数控系统的具体规定。当它具备有两种或更多格式时，在一个NC加工程序中，它只允许使用一种格式。 B、辅助功能代码 它是控制机床某一辅助动作的指令，如主轴开、停，冷却液开、关等。Heidenhain iTNC 530常用的辅助功能代码，除ISO标准规定的之外，还有许多是自定义的，例如，M07有打开冷却液、最小量润滑液和吹尘三项功能，而M18打开润滑脂、M126、M128等指令，在ISO标准中没有定义。 在Post Builder中，设置M代码与G代码的操作方法类似。 A、定义功能代码格式 除了G、M代码之外，Heidenhain iTNC 530数控系统还规定了其它功能代码的格式。这里改变X、Y、Z的数据格式为6.3，改变D的数据格式为3.0，并把刀补最大值改为999。如图3-12所示。图3-12 功能代码格式定义B、定义功能代码顺序为了检查程序方便，需要规定功能代码排列顺序。排列顺序将贯彻于生成的NC加工程序中，在整个后处理过程中都有效。调整后的代码顺序如图3-13所示。 图3-13 功能代码顺序定义C、NC数据格式定义在NC数据定义项中首先选择程序行（BLOCK）项，选择直线运动事件linear_move，在添加字（Add Word）选项中选择第四轴下的B自定义表达式，将字拖到程序行中字Z后面，在表达式定义中输入“$mom_out_angle_pos(0)”代表第四轴旋转角度值，设置B为模态，最大值-115和最小值+30。同样的方式也可以将第五轴代码C添加到B后面。设定程序起始序号从1 开始，增量为1。3.1.4 设置输出文件刀位文件经过后置处理，可以用车间工艺文件和NC加工程序的形式输出，后缀名分别为.LPT和.PTP。前者包括NC程序中使用的刀具、操作和加工方法清单等36。通过在图3-14所示的窗口中进行勾选，可以确定车间工艺文件和NC加工程序的内容。 a) b)图3-14 设置输出文件选项窗口3.2 输出辅助功能指令 Heidenhain iTNC 530数控系统除了ISO标准辅助功能（如M00、M03、M04等）以外，还具备很多特有的辅助功能。例如，辅助功能M126可以实现旋转轴的短路径行程，M128可以在倾斜轴定位时保持刀尖位置不变。但是UG软件提供的后置处理无法在NC程序中输出这些辅助功能代码，因此需要在Program子参数中进行相应的设置来实现输出。 后置处理可以在NC程序中输出辅助功能指令，但是这些功能的实现依赖与相应的数控系统。例如，运行一段包含M126辅助功能代码的NC程序，如果数控系统不具备该功能，就无法实现旋转轴的短路径行程。Heidenhain iTNC 530数控系统的辅助功能分成模态辅助功能和非模态辅助功能两类。前者是一组可相互注销的辅助功能，一旦被执行则一直有效，直至被同一组辅助功能注销为止；后者只在当前程序段有效，程序段结束时则被注销37。3.2.1 模态辅助功能指令的应用 1.M114和M128指令Heidenhain iTNC530数控系统的M114和M128指令是模态功能指令，是特殊的可变轴指令，使用这两种指令时，机床TNC自动计算旋转轴旋转时的偏置误差，并进行有效补偿，从而既降低了编程和后置处理工作的难度，也提高了NC多轴加工编程的安全性。 （1）M114用倾斜轴自动补偿机床几何特征38TNC将刀具移到工件程序中的给定位置。若程序中倾斜轴位置改变，则后置处理器应计算线性轴的有效补偿值，并插入到定位程序块中。在五轴加工过程中,由于机床各旋转轴之间存在偏置，或加工原点的定义不在转盘中心，此时当NC程序中存在旋转轴的变化，势必引起直线轴真实位置的变化。M114的作用就是在编程时不考虑偏置值，而是让机床去自动计算此偏置值引起的直线轴的偏移。如图3-15所示，当刀具轴旋转角度dB后,为使刀尖仍保持在工件的同一点上,机床旋转中心点须移动dx和dz。 图3-15 M114功能图 图3-16 M128功能图 （2）M128用倾斜轴定位时保持刀尖位置39TCPM(Tool Center Point Management刀具中心点管理)功能支持在多种可选操作模式下用倾斜轴定位功能保持刀尖位置。传统意义上的后置处理软件，必须输入刀轴的转心距(刀轴摆动式)或转台两轴线(转台摆动式)的位置关系，由后置处理程序来完成坐标转换，这样的后置处理生成的加工程序适用范围可能就是一台设备和特定的工件坐标系与刀具的组合。随着控制系统技术的发展，越来越多的控制系统厂家在其高端产品中都加入了上述坐标转换的功能，如Heidenhain的M128指令。打开M128，工件的坐标原点可以任意设置，由控制系统计算工件坐标和各转轴轴线的关系，加工准备更为方便，还可以在程序中保证刀尖的进给速度恒定。如图3-16所示，在加工过程中，随着旋转轴的角度变化，NC程序中的直线轴坐标值为当前坐标系下未进行坐标系旋转的真实值，旋转轴坐标值为当前坐标系计算所得的角度值。对于后置处理软件来说，可以略去上述的坐标转换的计算，后置处理软件的开发难度降低，生成的加工程序在同类型设备中具有相对更大的通用性。需要注意的是，五轴加工时应在换刀前取消TCPM(M129)，各摆轴复位，换刀后打开M128。 （3） M114与M128两种指令的算法推导与坐标值对比由于M114和M128指令可以由机床自动计算偏置补偿，所以在当加工坐标系的旋转中心与机床坐标系中心不重合时，偏置由机床TNC自动进行计算。设工件坐标系与机床坐标系在X、Y、Z轴三个方向上的偏置距离分别为：、；回转轴B、C之间的XZ平面上的偏置距离为dx和dz。计算机床的运动坐标系X、Y、Z值，即：将工件坐标系平移到机床坐标系，变换矩阵为：工件绕Z轴旋转-C角，变换矩阵为：将工件坐标系平移dx和dz的补偿偏置距离，变换矩阵为：工件绕Y轴旋转-B角，变换矩阵为： 将工件坐标系平移-和-的补偿偏置距离，变换矩阵为：则： （3-1）下面通过对简单零件加工的代码进行对比来说明M114和M128编程的区别，加工位置是球冠柱体零件上部半圆上的七个点，如图3-17所示，加工原点到定位底面距离为100mm，为说明方便，XY坐标原点设置在C轴旋转中心，加工示意图如图3-18所示。 图 3-17 刀具路径及驱动点的位置标识 图3-18 加工示意图 UG NX编程输出的刀位源文件坐标点如下：GOTO/50.0000,0.0000,0.0000,1.0000000,0.0000000,0.0000000GOTO/43.3013,0.0000,25.0000,0.8660265,0.0000000,0.4999982GOTO/25.0000,0.0000,43.3013,0.4999982,0.0000000,0.8660265GOTO/0.0000,0.0000,50.0000,0.0000000,0.0000000,1.0000000GOTO/0.0000,25.0000,43.3013,0.0000000,0.4999982,0.8660265GOTO/0.0000,43.3013,25.0000,0.0000000,0.8660265,0.4999982GOTO/0.0000,50.0000,0.0000,0.0000000,1.0000000,0.0000000在M114下编程，如上说明，M114为机床自动计算偏置距离，则NC程序的坐标值为绕加工坐标系来旋转L X0.000 Y0.000 Z50.000 B-90 C-180L X0.000 Y0.000 Z50.000 B-60 C-180L X0.000 Y0.000 Z50.000 B-30 C-180L X0.000 Y0.000 Z50.000 B0 C-180L X0.000 Y0.000 Z50.000 B0 C-90L X0.000 Y0.000 Z50.000 B-30 C-90L X0.000 Y0.000 Z50.000 B-60 C-90L X0.000 Y0.000 Z50.000 B-90 C-90M128下编程，就是APT编程，所以NC程序最为简单，XYZ坐标值就是上面刀位源文件中的坐标值。L X50.0000 Y0.0000 Z0.0000 B-90 C-180L X43.3013 Y0.0000 Z25.0000 B-60 C-180L X25.0000 Y0.0000 Z43.3013 B-30 C-180L X0.0000 Y0.0000 Z50.0000 B0 C-180L X0.0000 Y0.0000 Z50.0000 B0 C-90L X0.0000 Y25.0000 Z43.3013 B-30 C-90L X0.0000 Y43.3013 Z25.0000 B-60 C-90L X0.0000 Y50.0000 Z0.0000 B-90 C-90 2.旋转轴以较短路径移动（M126）应用M126可以使旋转轴以较短路径移动40。在旋转轴定位时，如果没有使用M126特征，当定位旋转轴显示的角度小于360时，TNC系统只考虑名义位置和实际位置之差，不会选择较短路径，如表31所示。如果使用M126特征，当定位旋转轴显示的角度小于360时，TNC将用M126功能沿最短路径移动旋转轴，如表3-2所示。M126在程序段开始处生效，要取消M126，输入M127。 表3-1 旋转轴的移动（不使用M126） 表3-2 旋转轴的移动（使用M126）实际位置名义位置移动实际位置名义位置移动35010-34035010+2010340+33010340-303.2.2 模态辅助功能指令的输出M128指令一