五轴联动数控后置处理原理

五轴联动数控后置处理原理

数控编程是编制机床加工零件所需的数字化信息的过程。任何一个零件，在进行数

控加工前，都必须的进行数控编程.就目前来说，常用的编程方法主要有手工编程法和

自动编程法1刈。手工编程法是由人手动来实现编程的，这种编程方法主要针对的是几何

轮廓简单的加工工件，编制程序时不需要复杂的数据处理。但对于空间结构复杂的零件

来说，进行编程时需要大量的坐标计算，而且编制的程序量极大，采用的手工的方法很

难完成程序的编制。因此，为了实现复杂零件的数控加工，就必须采用自动编程.

自动编程主要是借助于CAD/CAM集成系统来实现的，是目前有效解决复杂零件数

控加工的一种主要方法.这种编程方法以CAD/CAM集成系统为平台，首先运用其中的

CAD模块将所要加工零件的几何图形绘制到计算机中去.然后，根据工艺需求，在CAM

模块中，调用相应的编程功能，完成加工参数和刀具行走路径的设置。计算机会自动计

算刀具行走时的坐标数据，并将这些数据记录到刀位源文件中去。通过计算机的可视化

界面对刀具的行走路径进行动态仿真，观察是否有碰撞和干涉问题，并对存在的问题进

行修改。最后通过CAM模块中的后置处理功能将刀位源文件转换成能进行实际加工的

数控程序⑶.整个编程过程产生了两种类型的编程程序：刀位源文件程序和数控程序.

刀位源文件不能直接的运用于数控加工，只有数控程序才能被机床识别运用于实际加

I.一般将生成刀位源文件的过程称为前置处理，将数控加工程序的生成过程称为后置

处理。这种CAD/CAM集成系统的编程流程如图2.1所示：

图2.1CAD/CAM集成系统数控编程的处理流程

2.2刀位源文件

刀位源文件（CutterLocationSourceDataFile,CLSF）是现代CAD/CAM一体化编

程过程中的一个中转文件，是前置处理过程所产生的数据文件.它记录了加工工件时刀

具的运行方式（如：刀具采取的是走直线的形式，还是走圆孤的形式，还是钻孔的形式

等），运行过程中特征点的坐标信息和一些辅助信息（如：冷切液开启与否，换刀，主

轴旋转方向等）网・

就采取的格式形式来说，刀位源文件实际上就是APT语言编程的程序。UG中所采

取的刀位源文件是一种独立于UG软件系统外部的文件.它是由UG的CAM模块将工

件的加工轨迹导址到外部而产生的。我们可以用文本文档来打开进行查看或者修改。下

面以一个UG软件所生成的刀位源文件实例来进行说明口4

TOOLPATH/VC_SURF_AREAZZ_LEAD_LAG,TOOL,D10R5

（采取的加工方式和选用的刀具）

TLDATA/MILL,10.0000,5.0000,75.0000,0.0000,0.0000（选用刀具的具体参数）

MSYS/56.0000,0.0000,0.0000,0.0000000,0.0000000,1.0000000,0.0000000.1.0000000,0.0000

000（描述加工坐标系原点相对于绝对坐标系的位置）

$$centerlinedata（注释性语句）

PAIN1/PATH（在图形界面里显示刀具的路径轨迹）

PAINT/SPEEDJO（显示刀路轨迹的运行速度）

PAINT/COLORJ86（刀路轨迹的显示颜色，186是颜色的一个编号）

RAPID（刀具快速移动，相当于NC程序里.面的G00）

GOTO/0.0000,-4.8735,14.6300,0.0000000,0.0000000,1.0000000

（线性插补，刀心的坐标及刀轴的矢量）

PAINT/COLOR,211（刀路轨迹的显示颜色，211是颜色的一个编号）

RAPID（刀具快速移动，相当于NC程序里面的G00）

GOTO/0.0000,-4.8735,10.6300（线性插补，刀心的坐标）

PAINT/COLOK6（刀路轨迹的显示颜色，6是颜色的一个编号）

FEDRAT/MMPM.250.0000（进给速度，采取mm/min单位，250.0000是数值大小）

GO7'O/-4.9014,54.2197,46.5016（线性插补，刀心的坐标）

PAINT/SPEEDJO（显示刀路轨迹的运行速度）

PAINTfTOOL^OMORE（在图形界面中不再显示刀路轨迹）

END-OF-PATH（程序结束）

2.3数控加工程序

所谓的数控加工程序，就是采用数控机床输入信息规定的自动控制语言和格式来表

示的一套驱动数控机床实现对工件自动加工的指令【划。它是和实际加工的数控机床紧密

相关的指令信息，是数控系统的应用软件，是现代CAD/CAM一体化编程所要达到的最

终目标。

数控加工程序包含了机床加工工件时的各种操作信息、工艺信息和辅助信息。通常,

数控程序是由一系列的程序段构成的，程序段包括了一个操作所需的指令代码、数据信

息和程序标识符等。一个完整的程序结构如下图2.2所示U叫

niOOLF

匚程序起始棘志程序名

港备功能

.程序段号

图2.2程序结构图

上述程序结构图中，“％100”是程序名，对于不同的系统，所用的程序开头是不一

样的，这里面采用的是西门子系统中的“％”程序头形式,其他的还有采用“O”，“％PM”,

“％_N”等形式的程序开头。“LF”是一个程序段结束的标志.“N”是程序段的编号,

表示第几段程序段，其后面的指令字符和数字一起组成了一•段程序段，衣示加工过程中

的某种操作，如：“N10G92X310Z30”表示编号为10的程序段进行创建坐标系操作。

程序段是数控加工程序中的最小单元，通常由N、G、X、Y、Z、F、S、T、D、M、H

等功能字和数值组成。将功能字和数值组合在一起，就构成了数控编程中使用的指令.

如上面的准备功能指令G90表示编程时使用绝对尺寸，辅助功能M03表示选取主轴顺

时针旋转。

2.4刀位源文件和数控加工程序的对应关系

对比上述刀位源文件和数控加工程序的格式可以看出，这两类编程程序都采取了字

符指令和数值信息相结合的方式来表示数控加工过程中的某一个事件。实际的数控加工

是一个多事件综合作用的过程，不仅仅需要编辑走刀事件，还需要定义多种辅助性事件。

如：要实现刀具行走位置的精确性，需要给定相应的刀具长度偏置和半径偏置.这些辅

助性事件，在刀位源文件中也有相应的指令信息进行描述⑶.从刀位源文件和数控加工

程序中所采取的指令的表达含义来看，刀位源文件和数控加工程序有对应的关系，这种

对应联系是后置处理时进行代码格式转换的基础。在后置处理时，根据这种相对应的指

令关系，将刀位源文件中的指令转化成数控加工时所采取的指令.下表2.1是部分刀位

源文件指令和数控程序指令的对应关系1网：

表2.1刀位源文件指令和数1受程序指令的对应关系表

力位源文件中的指令数控加工程序中的指令

RAPIDGOTOG00

GOTOG0I

FEDRATF

SPINDLM03/M04/M05

COOLANTM07/M08/M09

CIRCLEGO2/GO3

ENDQF-PATHM02

2.5后置处理算法

经过前置处理所生成的刀位源文件不能被机床识别，为了进行工件的数控加工，必

须把刀位源文件转换成机床所能识别的数控加工程序，也就是要进行后置处理，后置处

理一般采取的流程如下图2.3所示1均：

开始

・坐标转投、代码转换

输出数控程序段

图2.3后置处理的流程

后置处理是CAM软件的一个功能模块・其主要的作用是根据加工机床的要求，把

刀位源文件一段一段的解释翻译成数控加工程序。这里面，坐标的变换和代码的转换都

与要进行数控加工的特定机床紧密的相关.根据前面的叙述，格式的转换主要是将刀位

源文件中的指令转化成数控加工时所采取的指令.而坐标的转换主要是根据机床所采取

的结构把刀位源文件中的刀轨数据转换成机床的运动数据。由于机床的结构形式也是千

差万别的，所以，进行坐标转换的算法也是截然不同的。为了进行五轴后置处理，下面

对五轴机床常见的结构形式进行分析，并归纳出各种结构形式的转换算法。

2.5.1五轴数控机床的结构形式

五轴数控机床可以满足人们对工件加工多样性和复杂性的需求，是在三轴数控机床

的基础上开发的。一般来说，五轴数控机床的坐标轴是由X、Y、Z三个移动坐标轴和

绕X、Y、Z的三个旋转轴A、B、C中的任意两个组成的.相对于往常的三轴数控机床,

五轴数控机床增加了两个旋转自由度，大大地增加了工件的可加工范围，是目前广泛采

取的一种先进加工手段。目前常见的五轴数控机床结构形式有如下三种卬】：

(0双拐头结构形式的机床

(a)典型的双摆头机床形式(b＞双搓头机床机构运动简图

图2.4双摆头五轴机床

上图2.4是典型双摆头机床的结构形式及机构运动简图。可以看出，双摆头机床的

两个旋转轴都是在机床的主轴上面的，因此，这种形式的机床也叫做主轴倾斜型五轴加

工机床。这种结构的机床只有一条“机架-刀具”的运动链，在进行数控加工的时候，

所有的姿态都靠主轴上面的旋转轴实现的，对加工工作台要求比较低，因此，这种结构

的机床可以具备有很大的工作台，可以加工大型工件♦

(2)双转台结构形式的机床

(a＞典型的双转台机床形式(b)双转台机床机构运动简图

图2.5双转台K轴机床

上图2.5是典型双转台机床的结构形式及机构运动简图。这种形式的机床两个旋转

轴都在加工工件的工作台上，因此，也被叫作工作台倾斜型五轴加工机床。这种结构形

式的机床有两个运动跳：“机架-刀具”运动链和“机架-工作台”运动链。这种结构的

机床在进行数控加工的时候，主要考虑的是底部工作台的承受情况，一般「•作台都比较

小。但是，这种机床的主轴设计简单，保证了主轴的刚性，并且使得制造成本大大较低.

⑶一摆头一转台结构形式的机床

（a）典型的接头一转台机床形式（b）一摆头一转台机床机构运动筒图

图2.6一探头一转台五轴机床

上图2.6是典型一提头一转台机床的结构形式及机构运动简图.一个旋转轴在机床

的主轴上面，一个旋转轴在机床的工作台上面。这种结构的机床也有两个运动链：“机

架-刀具”运动鞋和“机架-工作台”运动链。所不同的是，“机架-刀具”运动锥和“机

架-工作台”运动链中分别各有一个转动副。这种结构的机床，综合了以上两种结构机

床的部分优点，主轴可以变换成竖II状态和水平状态，轻松的实现立式三轴加工中心和

卧式三轴加工中心的转换，结构十分灵活。

2.5.2五轴数控机床的坐标转换算法

由尸刀位源文件中给出的刀轴矢量和刀心坐标都是在工件坐标系中的，为了获取可

以用于加工的数控程序,必须把这些数据转换成机床的运动坐标。在这个转换的过程中,

用到的就是后置处理算法。不同结构形式的数控机床，采取的算法各不相同，以下以不

同结构形式的机床为例进行算法说明.

⑴双摆头结构形式的机床后置处理算法因1

为了说明后置处理算法的原理和思路，我们选取X、Y、Z、A、C这种形式的双摆

头机床进行分析和说明，其他的形式有同样的道理，不进行一一叙述°机床相对运动简

化图如图2.7所示：工件的坐标系以OwXwYwZw表示，机床坐标系以OmXmYmZm表

示，机床坐标系和工件坐标系方向相同，两个坐标系间跖为d；刀具长度设为L；刀具

可分别绕X轴旋转A角度和绕Z轴旋转C角度•假设刀心在工件坐标系中的位置为（X,

y,z）,刀轴矢量（刀轴矢量:在工件坐标系中表示为一个单位矢量）为（ai,aj,ak）.

图2.7A-C双探头数控机床坐标系

①首先对旋转角度A、C做算法说明：

由于刀轴姿态是由矢量表示的，在做分析的时候，我们可以把这个矢量移动到工件

坐标系的原点处.如图2.8所示，。了=（瓯0,加）表示刀轴的单位矢量，为了使它与

Z轴平行，可以先将该矢量绕Z轴逆时针旋C角度到YZ平面上，再绕X轴旋转A角

度即可使得刀轴方向和Z方向平行•根据图中旋转时的几何关系，可以推导出如下关系:

C七=tan”或

(2.1)

ai

..Jai1+ai

4=4-tan---------(2.2)

ak

考虑到符号象限的影响，有如下公式:

tan1亚，®-,0>0)

ak

A=,90°,(成=0)(2.3)

180,tan"如‘上贮，(砂v0)

(2.4)

②以下进行机床运动坐标的转换求解:

刀具绕X轴转动A角度,其回转运动的变换矩阵为:

1000

0cos彳sinJ0

A(折(2.5)

0一sinlcos彳0

0001

刀具绕Z轴转动C角度,其回转运动的变换矩阵为:

cosCsinC00

-sinCcosC00

R©=

0010(2.6)

0001

于是刀具在绕X、Z轴旋转后在工件坐标系OwXwYwZw中的位置根据空间结构原

理可知：

(X-0r-0Z-dl-0)=(00LI)/?(/)/?(C)+(xyz1)(2.7)

展开上述公式可得：

X=x+LsinJsinC

Y=y-£sinJsinC(2.8)

Z=z+t8s/+d

(2)双转台结构形式的机床后直处埋纬法回

不失一般性,这里仍选取X、Y、Z、A、C的形式对双转台机床进行分析和说明

采取的刀心坐标和刀轴矢屋仍按上述的假设。关于A、C角度的求解和上述勺求解原

理及算法一致，这里不再做详细的叙述书下面进行机床运动坐标值的求解分析，

分析过程如下先把工件的坐标系OwXwYwZW：移到机床坐标系0位IWbn的

原点处，这个过程中用的平移矩阵记为T;对「工件进行绕X坐标轴和Z坐标轴旋转的

旋转矩阵分别为R(A)和R(c)，和上面的分析一样(，干是有：

1(XYZI)=(xyz1)TR(C)R(A)(2.9

飞()0-0

其中.T=，°,°°

(2.10)

01010

00dI

,,X=XOsC+ysmc

展开后的：Y-xsinCoosA+ycosCoosA+zsinA+dsinA(2.1mi

Z叮血CsinA+;ycO-s.CsinA+zoosA+dcosA

⑶・摆头•转台结构形式的机床后处理算