五軸加工中心的數(shù)控編程后置處理研究【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計】

五軸加工中心的數(shù)控編程后置處理研究【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計】,加工,中心,數(shù)控,編程,后置,處理,研究,鉆研,優(yōu)秀,優(yōu)良,畢業(yè),課程設(shè)計 1 論 控編程后置處理技術(shù) 數(shù)控加工技術(shù)是在數(shù)控機(jī)床上依靠 序進(jìn)行零件加工的自動化加工方法，具有高效率、高精度與高柔性的特點。數(shù)控加工技術(shù)可有效解決復(fù)雜、精密和小批多變零件的加工問題，能夠充分適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。它是 加工執(zhí)行單元，是現(xiàn)代自動化、柔性化及數(shù)字化生產(chǎn)加工技術(shù)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)。 隨著航空、汽車、造船和模具制造等工業(yè)的發(fā)展，越來越多的復(fù)雜曲面應(yīng)用于工程之中。包含復(fù)雜曲面的大型零件和模具的制造越來越離不開數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工技術(shù)。同時，由于對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率要求的不 斷提高，對復(fù)雜曲面加工的數(shù)控機(jī)床性能和相應(yīng)的數(shù)控加工技術(shù)也提出了更高的要求。五坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控技術(shù)是數(shù)控技術(shù)中難度最大，應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)之一，它集計算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體。目前，多采用五坐標(biāo)聯(lián)動的數(shù)控加工方法來完成復(fù)雜曲面的加工。飛機(jī)和航空發(fā)動機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、船用螺旋槳、泵類葉輪等都是五坐標(biāo)加工的典型例子。 后置處理技術(shù)是隨著數(shù)控技術(shù)、 術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。最早的數(shù)控程序都是手工編制，不存在后置處理問題。近年來，自動編程 件取代了手工編程，它具有編程速度快、 精度高、穩(wěn)定性好、更改方便和易于管理等特點，但是 自動編程經(jīng)過刀具軌跡計算產(chǎn)生的刀位數(shù)據(jù)文件 不能被機(jī)床識別 ，需要設(shè)法把刀位數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成 數(shù)控指令代碼 ，通過通信的方式輸入數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，才能進(jìn)行零件的數(shù)控加工 [1]。因此，要把 前置處理產(chǎn)生的刀位數(shù)據(jù)文件、加工工藝參數(shù)與特定的機(jī)床特性文件、定義文件相結(jié)合，生成指定數(shù)控加工設(shè)備能夠識別的數(shù)控加工程序，該過程 稱為后置處理 （ [2]。 后置處理程序?qū)?統(tǒng)通過機(jī)床的 統(tǒng)與機(jī)床數(shù)控加工緊密結(jié)合起來。隨著高檔數(shù)控加工中心、特殊結(jié)構(gòu)數(shù) 控機(jī)床的不斷出現(xiàn)，為其配置和開發(fā)合適的后置處理器愈顯重要，這對提高數(shù)控編程效率、擴(kuò)大 體化技術(shù)的應(yīng)用范圍具有重要的工程應(yīng)用價值和實際意義，目前后置處理技術(shù)已經(jīng)成為術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點。 控編程后處理技術(shù)研究現(xiàn)狀 后置處理系統(tǒng)分為通用后置處理系統(tǒng)和專用后置處理系統(tǒng)。通用后置處理系統(tǒng)一般按照具有代表性的數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床的編程規(guī)范及特點進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，它直接支持這類數(shù)控系統(tǒng)，同時它也支持用戶根據(jù)特定的數(shù)控系統(tǒng)編程格式對它進(jìn)行二次開發(fā)。 關(guān)于通用后置處理器的開發(fā)和應(yīng)用，國外已經(jīng) 非常成熟和普及，當(dāng)前所有的圖形交互式自動編程 3]。如 以圖形方式創(chuàng)建從二軸到五軸的后處理程序。其后置處理器主要由事件生成器、事件處理器和定義文件三部分組成，它們一起將刀具路徑轉(zhuǎn)換成為一系列數(shù)控機(jī)床能夠直接讀取和執(zhí)行的數(shù)控程序 [4]。而 處理器完全針對應(yīng)用很廣泛的日本 用 2 開放式功能型數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計，允許用戶根據(jù)特定數(shù)控機(jī)床 和數(shù)控系統(tǒng)的具體情況，而定制出適合該特定數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的專用后置處理器。使用 后再對該 改動后的 5]。加拿大 0％以上的 可以讀取所覆蓋的 制所覆蓋的 樣英國 6] [7] [8]。 在國內(nèi)來說，比較成熟和普及的自動編程 制造工程師） 軟件， 它采用通用后置處理器，可以提供常見的數(shù)控系統(tǒng)后置處理格式，而且用戶還可以自定義專用數(shù)控系統(tǒng)的后置處理格式 [9]。但該軟件有較大的局限性，只適用于一般的銑削加工，在解決 果零件中涉及到孔的加工，將不能生成相應(yīng)的程序代碼 [10]。華中理工大學(xué)的張利波等人提出了一種基于配置文件的開放式數(shù)控編程通用后置處理模型，定義了配置文件的語法規(guī)則，給出了配置文件的 在 對于多軸數(shù)控加工的后置處理還是不能通用 [11]。北京航空航天大學(xué)的曾愛華等人，以通用化、結(jié)構(gòu)化、模塊化的基本設(shè)計思想對通用后置處理系統(tǒng)作了總體的分析，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和程序?qū)崿F(xiàn)作了具體描述，并為系統(tǒng)的通用化、實用化和商品化提供了必要的條件，但是該系統(tǒng)只能滿足一般的兩軸半和三軸數(shù)控銑加工自動編程的需要 [12]。正因為如此，專用后處理器開發(fā)已成為數(shù)控自動編 程的一個急需解決的熱點問題之一。 專用后置處理器開發(fā)和應(yīng)用不如通用后置處理器那樣成熟和普及，因為專用后置處理器所面對的各種數(shù)控系統(tǒng)的專用性、特殊性和互不兼容性等特點使得開發(fā)總工作量巨大，導(dǎo)致專用后置器開發(fā)相對薄弱。國外對專用后置處理器開發(fā)和應(yīng)用相當(dāng)重視，加拿大滑鐵盧大學(xué)機(jī)械系就以其 實驗室的一臺 用 現(xiàn)了專用后置處理器的開發(fā)，已在該加工中心得到了驗 證 [13]。 國內(nèi)像信息產(chǎn)業(yè)部第 39所曹永新和任林杰就曾在武漢重型機(jī)械廠 用的數(shù)控系統(tǒng)是國產(chǎn)的華中－ 系統(tǒng)最大的優(yōu)勢就是經(jīng)濟(jì)，其缺陷是一般的自動編程軟件中沒有支持它的后置處理器），專門為此數(shù)控系統(tǒng)和車床設(shè)計開發(fā)了其專用后置處理器 將其集成到 際加工效果良好。武漢工業(yè)學(xué)院陳文革和尹芳根據(jù) 02構(gòu)、控制系統(tǒng)的編程原理和通信接口的要求，對程序 完全滿足數(shù)控編程加工的生產(chǎn)需要 [14]。廣東富士康模具公司的鄧德軍根據(jù) 610加工中心配置德國西門子 擇 開發(fā)平臺，成功地為 610加工中心開發(fā)了專用后置處理器。 韓建軍對 于一個回轉(zhuǎn)軸、三個移動軸的 15]。 王啟富等人用 開發(fā) 6]。祝益 軍針對 C＋＋ 環(huán)境下開發(fā)了后置處理軟件 [17]。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳輝等人基于 發(fā)了并聯(lián)機(jī)床后置處理器，用于六軸或七軸并聯(lián)機(jī)床的后置處理 [18]。 綜上所述：通用后置處理系統(tǒng)是今后發(fā)展的方向，但在目前無論是國外還是國內(nèi)真正能夠做到完全通用后置處理系統(tǒng)幾乎沒有 [19]，因為通用后置處理是以標(biāo)準(zhǔn)刀位數(shù)據(jù)、通用的數(shù)控指令為前提進(jìn)行考慮的 [20]。雖然國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(電子工業(yè)協(xié)會 (刀位源文件、后置處理語句和數(shù)控指令都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但各數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商采用不盡相同的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)控系統(tǒng)的指令格式多樣，由于競爭需要還會采用一些非標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容 [21]，有些數(shù)控系統(tǒng)的擴(kuò)展功能己經(jīng)超出了前置處理刀位數(shù)據(jù)的規(guī)定格式，如樣條曲線、漸開線等，而目前的通用后置處理系統(tǒng)還只是考慮直線和圓弧 [22]，多數(shù)采用離散直線來逼近工件輪廓，零件形狀越復(fù)雜，數(shù)控程序量越大 [23]，而且多軸加工時還要考慮 非線性運動誤差校驗、進(jìn)給速度的校核、特定數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控加工程序的生成等問題，以保證數(shù)控加工安全、可靠的進(jìn)行 [24]。隨著產(chǎn)品加工精度及復(fù)雜程度的提高，使得數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床技 術(shù)不斷發(fā)展變化，造成通用后置處理器越來越難以適應(yīng)這種現(xiàn)狀。 目前，雖然國內(nèi)很多制造企業(yè)擁有了先進(jìn)的五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床，但真正能充分發(fā)揮五坐標(biāo)加工功能的還為數(shù)不多，并且多數(shù)企業(yè)在購買機(jī)床的同時，沒有對 件引起足夠的重視，在實際加工中普遍遇到了問題。例如，中國電子科技集團(tuán)某電子研究所 2004 年引進(jìn)的五軸數(shù)控加工中心，由于 件的后置處理問題，導(dǎo)致該機(jī)床一直無法進(jìn)行五軸加工，只能作為普通的三軸數(shù)控機(jī)床使用。 實踐表明， 直接利用 通用后置處理器 生成的 碼一般都與用戶使用的數(shù) 控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的要求不符， 不能生成正確的加工程序， 導(dǎo)致數(shù)控加工過程不能安全、可靠地進(jìn)行 ，并且通用后置處理器不能輸出機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)所特有的輔助功能， 使得數(shù)控機(jī)床特性功能的利用受到影響 [25]。 軸加工中心配置的 控系統(tǒng)，具有特有的輔助功能。例如，輔助功能 以在傾斜軸定位時保持刀尖位置不變；輔助功能 以實現(xiàn)刀具的短路徑行程；循環(huán) 32 功能可以實現(xiàn)兩個路徑之間的輪廓平滑過渡（無論補(bǔ)償與否），刀具與工件表面保持接觸。但 這些輔助功能不能在 用后置處理器中直接調(diào)用。在這種情況下，通過本課題的研究解決這個難題，對于五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)的推廣，具有重要的現(xiàn)實意義和工程應(yīng)用價值。 要研究內(nèi)容 本論文基于 X 系統(tǒng)，針對 床和 數(shù)控系統(tǒng)的后置處理技術(shù)進(jìn)行研究。具體的工作內(nèi)容包括： (1)通過 置處理器設(shè)置機(jī)床參數(shù)、 工程序格式和輸出文件格式，生成軸加工中心的特性數(shù)據(jù)文件 。 (2)利用 置處理器 ,實現(xiàn)模態(tài)輔助功能指令 輸出和非模態(tài)輔助功能指令循環(huán) 32 的輸出 。 (3)通過用戶自定義功能 ,以 實現(xiàn)在生成 道工序的加工時間和刀具信息 。 (4)專用后置處理程序與 成 。 第二章 置處理器介紹 G 提供的后置處理方法 功能強(qiáng)大、內(nèi)容豐富，為用戶提供了集成最先進(jìn)的技術(shù)和一流實踐經(jīng)驗的解決方案，能夠把任何產(chǎn)品構(gòu)想付諸于實際。 型、裝配、加工、仿真和分析等領(lǐng)域的操作功能。 具、電器、汽車、化工及航天領(lǐng)域 [26]。 圖形后置處理模塊 G/前應(yīng)用最多的是 7]。 形后置處理模塊 圖形后置處理模塊 *，機(jī)床數(shù)據(jù)文件包含對刀位源文件進(jìn)行后置處理時所需的機(jī) 床數(shù)據(jù)。 時 * 采用圖形后置處理模塊 先需要將 用機(jī)床數(shù)據(jù)文件生成器建立機(jī)床數(shù)據(jù)文件，然后運行 定刀位源文件和機(jī)床數(shù)據(jù)文件，系統(tǒng)根據(jù)機(jī)床數(shù)據(jù)文件中的指令對刀位源文件進(jìn)行后置處理，最后輸出數(shù)控加工程序 [28]。 G 后置處理器 以 出符合機(jī)床控制系統(tǒng)要求的 戶可以通過 后通過 成任意復(fù)雜機(jī)床的后處理 [29]， 圖 2 (1)件生成器）－將事件傳給 件是后置處理的一個數(shù)據(jù)集，用來控制機(jī)床的每一個動作。事件生成器提取零件的刀具路徑信息，并將 其作為事件和參數(shù)傳遞到加工輸出管理器。 5 (2)件處理文件 這個文件是用 言寫成，定義了每一個事件的處理方式。它可以通過 (3)件 定義文件 －定義事件處理后輸出的數(shù)據(jù)格式。它可以通過 (4)工輸出管理器）－簡稱 內(nèi)部刀軌數(shù)據(jù)加載給解釋程序，并打開 (5)輸出文件）－ (6)處理用戶界面文件 通過它用戶可利用 圖 2處理流程圖 事件生成器、事件處理器和事件定義文件是相關(guān)聯(lián)的，它們結(jié)合在一起把 30]。 采用 立后處理文件的過程，如圖 2示。 后置處理必須具備兩個要素 :軌數(shù)據(jù)在 置處理器由事件管理器和定義文件構(gòu)成。 首先由事件生成器提取刀軌信息，并將刀軌信息整理成事件和變量后，傳遞到加工輸出管理器進(jìn)行處理，加工輸出管理器把帶有相關(guān)數(shù)據(jù)信息的事件傳遞到事件管理器，由事件管理器對事件進(jìn)行處理，處理結(jié)果再返回到加工輸出管理器，加工輸出管理器再根據(jù)定義文件來決定要輸出的加工程序的輸 出格式并輸出，直到結(jié)束。 采用 系統(tǒng)會產(chǎn)生三個文件。一個是事件定義文件(*包含了指定機(jī)床控制系統(tǒng)的靜態(tài)信息和程序格式；一個是 事件處理文件 (*定義了每一個事件的處理方式，決定導(dǎo)軌源文件中每個事件如何處理，并決定反饋什 6 么變量和數(shù)據(jù)給加工輸出管理器，事件處理文件結(jié)構(gòu)是由 言編寫而成的；還有一個是后處理用戶界面文件 (*通過它用戶可利用 并可進(jìn)行用戶化后處理。 圖 2G/立后處理文件的過程圖 G/要參數(shù) 使用 立后處理時， 戶界面分成 5 個大項，分別是：床參數(shù)）、 序和刀軌參數(shù)）、 N/C 據(jù)格式）、 出參數(shù)）和 處理文件預(yù)覽）。當(dāng)一個大項選定后，里面還有許多小項參數(shù)需要設(shè)定。 （ 1）機(jī)床參數(shù)屬性項 在機(jī)床參數(shù)項中，選擇合適的機(jī)床類型，設(shè)置機(jī)床坐標(biāo)軸行程、機(jī)床回零點位置、直線軸插補(bǔ)最小分辨率（控制系統(tǒng)可分辨的最小長度）、機(jī)床快速移動速度等。由于機(jī)床類型不同，機(jī)床參數(shù)項的內(nèi)容也會不同，甚至機(jī)床軸數(shù)不同、旋轉(zhuǎn)軸方式有差異，機(jī)床參數(shù)項的內(nèi)容也不同。 （ 2）程序和刀軌參數(shù)屬性項 在程序和刀軌參數(shù)項中可以定義、修改和用戶化與數(shù)控加工程序相關(guān)的參數(shù)，機(jī)床所具有的 G、 M 代碼，同一行中字地址的輸出順序。程序項由五個序列組成，分別是程序頭（ 操作頭（ 刀軌（ 操作尾（ 和程序尾（ 用戶可以在除刀軌序列外的四個序列中加入用戶自定義特殊后置處理輸出命令程序行等，它既可以是用戶命令，也可以是操作信息，還可以是自定義的程序行，對于用戶自定義程序行可以在用戶命令項添加自定義的后置處理代碼，從而形成特殊的后置處理命令。圖 2示為查閱機(jī)床 / 控制系統(tǒng)手冊 U G / P o s t B u i l d e r 測試 機(jī)床類型 執(zhí)行后處理 生成 / 編輯 T c 生成 / 編輯 d e 測試 U G / P o s t 不能滿足要求時 E r r o r 特殊機(jī)床 銑 、車 、車銑 、線 切 割 E r r o r 7 用戶自定義命令部分 ，左側(cè)是用戶自定義程序行，用戶在右側(cè)添加代碼。 圖 2戶自定義命令部分 （ 3） N/C 數(shù)據(jù)格式定義屬性項 在 N/C 數(shù)據(jù)格式定義屬性項主要是定義 N/C 輸出格式，它包括程序行（ 字（ 格式（ 其它數(shù)據(jù)（ 在程序行項主要定義在每一個程序行中有哪些字，以及它們之間的順序，可以在這里編輯、新建程序行或刪除不用的程序行；在字項可以定義后處理中每個字的相關(guān)參數(shù)，如最大值、最小值、模態(tài)等；在格式項定義采用相應(yīng)格式 的字類型是實數(shù)、整數(shù)或字符串等，一旦更改其中參數(shù)，所有采用這種格式的字地址都會更改；在其它數(shù)據(jù)項可以定義一些與程序本身無關(guān)的數(shù)據(jù)格式，如：程序行號、字間隔、行結(jié)束符號等。 （ 4）輸出參數(shù)項 輸出參數(shù)項共有兩個子參數(shù)項，分別是 表文件）和 他控制）。在輸出參數(shù)項中允許用戶生成控制列表文件，該文件包含了整個后處理過程的 X、 Y、 Z 坐標(biāo)值，第 4 軸角度，第 5 軸角度，進(jìn)給和主軸轉(zhuǎn)速等信息。用戶還可以定義控制列表文件的后綴名。 （ 5）后處理文件預(yù)覽 后處理文件預(yù)覽允許 用戶在保存后處理之前檢查定義文件和事件處理文件的改動。新的內(nèi)容顯示在上面的窗口中，舊的內(nèi)容顯示在下面的窗口中。 軸加工中心及配置的數(shù)控系統(tǒng)介紹 00 軸聯(lián)動 高速 加工中心是 面向 中小型復(fù)雜零件 的 精密加工 的機(jī)型，如圖 2示。它采用最新的材料和技術(shù)，保證了多軸部件大功率高速度加工時的動態(tài)特性，并結(jié)合了米克朗高速主軸技術(shù)的成果， 00 主軸轉(zhuǎn)速范圍可從用于傳統(tǒng)切削的 12000r/用于高速切削各種材料的 20000r/高性能主軸配合圓形回轉(zhuǎn) /擺動工作臺， 可以滿足多種類型的切削任務(wù)。 機(jī)床 主要 參數(shù) 如下 ： 主軸： X－ Y－ Z— B－ C 結(jié)構(gòu)：雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu) 8 工作行程： X 軸 :600 軸 :450 軸 :450作臺面：Φ 450 轉(zhuǎn)軸范圍： +30°（ B 軸），雙向 360°（ C 軸） 主軸轉(zhuǎn)速： 20 - 20000 轉(zhuǎn) /分 主軸最大功率： 30 千瓦 刀庫容量： 30 把 /3A 圖 2轉(zhuǎn)臺五軸加工中心 00 軸聯(lián)動 高速 加工中心 與 30 數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)高速切削工藝 ， 用 話式編程語言編寫常規(guī)加工程序，在系統(tǒng)中配有三維的交互式編程環(huán)境，可以及時對代碼進(jìn)行動態(tài)仿真和刀路驗證，交互式的圖形顯示可將編程輪廓的每個加工步驟圖形化地顯示在屏幕上。在運行一個程序的同時，還能輸入或測試另一個程序。系統(tǒng)同時也支持用 式（即 G 代碼）和式的編程。 30 提供了刀具中心點管理控制、 3D 刀具補(bǔ)償功能、支持傾斜面以及圓柱表面加工等功能。 30 最多可以控制 12 個軸，也可由程序來定位主軸。 控系統(tǒng)的數(shù)控程序格式 30 數(shù)控系統(tǒng)支持 話編程格式（ H 代碼）和 程格式（ G 代碼），其中前者是 特有格式。本課題的數(shù)控程序的輸出格式選取 H 代碼格式， 數(shù)控程序通常都是以字母和數(shù)字表示其文件名，以 擴(kuò)展名，但默認(rèn)的記事本格式仍可以識別，即記事本格式也可以輸入到加工中心進(jìn)行加工。 軸加工中心的數(shù)控格式主要有以下幾個部分： （ 1）程序頭：主要包括加工中心數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的一些特定的格式和控制主軸及冷卻液的相關(guān)程序行，如圖 2示。 軸加工中心數(shù)控加工程序須以“ 件名”開頭，如圖中的第一行。第二、三行是設(shè)定毛坯的尺寸，以“ 頭。以下是調(diào)用刀具、 9 控制主軸等程序行。 圖 2軸加工中心程序頭格式 （ 2）程序主體 程序主體主要是刀心點的坐標(biāo)值，如圖 2示。 圖 2軸加工中心程序的主體 （ 3）程序尾 程序尾主要包括主軸停轉(zhuǎn)（ 冷卻液關(guān)閉（ 停止程序運行（ 以“ 件名”結(jié)束，如圖 2示。 圖 2軸加工中心程序尾格式 10 轉(zhuǎn)臺五坐標(biāo)后置處理算法 從刀位計算方法可以看出，對于五坐標(biāo)數(shù)控加工，刀位文件中刀位的給出形式為刀心坐標(biāo)和刀軸矢量，在后置處 理過程中，需要將它們轉(zhuǎn)換為機(jī)床的運動坐標(biāo)。對于不同類型運動關(guān)系的數(shù)控機(jī)床，其運動方式不一致，故其后置處理算法也各不相同。 一般來說，五坐標(biāo)聯(lián)動是指數(shù)控機(jī)床的 X、 Y、 Z 三個移動坐標(biāo)和繞 X、 Y、 Z 軸旋轉(zhuǎn)的的三個轉(zhuǎn)動坐標(biāo) A、 B、 C 中的任意五個坐標(biāo)的線性插補(bǔ)運動，如圖 2示。雙轉(zhuǎn)臺五坐標(biāo)機(jī)床運動的運動是由 X、 Y、 Z、 B、 C 這五個自由度方向上的運動組成的，其中 B、 C 軸的旋轉(zhuǎn)運動都是通過機(jī)床的工作臺旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，故稱為雙轉(zhuǎn)臺。如圖 2件可繞坐 標(biāo)軸 Y 擺動 B 角；工件可繞坐標(biāo)軸 Z 轉(zhuǎn)動 C 角；工作臺回轉(zhuǎn)與 Z 軸一致；機(jī)床運動坐標(biāo)系為YZ， d?，刀心0 ?0 0 0,,C C Cx y z；刀軸矢量 a（單位矢量）在工件坐標(biāo)系中為 ? ?,,x y za a a[31]。 圖 2床運動坐標(biāo) 圖 2坐標(biāo)加 工刀軸矢量轉(zhuǎn)動關(guān)系 本文結(jié)合 雙轉(zhuǎn)臺五坐標(biāo)加工中心的特點來介紹 X、 Y、 Z、B、 C 這五個坐標(biāo)運動的機(jī)床后置處理算法。由于帶 B、 C 軸的五軸機(jī)床特點之一便是：其刀軸既可以繞 Z 軸逆時針轉(zhuǎn)到（ +X）（ +Z）平面上，也可以繞 Z 軸順時針轉(zhuǎn)到（ +Z）平面上，如圖 2示。所以這種運動關(guān)系如果處理不當(dāng)，容易導(dǎo)致“ Y 坐標(biāo)負(fù)向超程問題”的出現(xiàn)。所謂 Y 坐標(biāo)的負(fù)向超程是指 Y 坐標(biāo)的負(fù)向運動（指刀具相對于工作臺的運動）超越了工作臺臺面的限制極限值 ? ?負(fù)向超程問題的出現(xiàn)容易導(dǎo)致刀具與工作臺面的干涉及報廢零件等不良后果。所以在做后置處理算法分析時，將兩種轉(zhuǎn)動關(guān)系分開討論有助于解決 Y 坐標(biāo)的負(fù)向超程問題。下面分別給出這兩種不同轉(zhuǎn)動關(guān)系下的兩種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算公式： 11 a）刀軸矢量繞 Z 軸順時針轉(zhuǎn)動 b）刀軸矢量繞 Z 軸逆時針轉(zhuǎn)動 圖 2坐標(biāo)加工刀軸矢量繞 Z 軸的兩種轉(zhuǎn)動關(guān)系 令刀軸矢量 a 為自由矢量，首先將刀軸的起點移到工件坐標(biāo)系的原點，然后將刀軸矢量繞 Z 軸順時針轉(zhuǎn)到（ +X）（ +Z）平面上，再將刀軸矢量 繞 Y 軸順時針轉(zhuǎn)到與 Z 坐標(biāo)方向一致。 （ 1）在求解的第一步中，將刀軸矢量繞 Z 軸順時針轉(zhuǎn)到（ +X）（ +Z）平面上 22r c t a n ( a > 0 )9 0 ( a = 0 ) 1 8 0 a r c t a n ( a 0 )9 0 ( a = 0 ) 1 8 0 a r c t a n ( a < 0 )?? ????? ? ??? ?? ? ? ? ???（ 2 0 a r c t a n 0r c t a n 0r c t a n ?? ? ? ? ?????????? ??????? 0 a r c t a n 0??????????? ??????? ? ? ? ???????（ 2 （當(dāng) 0時，令 a r c ta n 9 0?） 0 0 0000 0 0c o s c o s c o s s i n s i n s i ns i n c o ss i n c o s s i n s i n c o s c o CX x B C y B C z B d BY x C y CZ x B C y B C z B d B? ? ? ? ?????? ? ? ? ??（ 2 從式 2 2以看出，兩種計算方法求得的 Y 值正好相反。 軸加工中心后置處理的研究 用 立機(jī)床特性數(shù)據(jù)文件 置機(jī)床參數(shù) 13 啟動 建五軸后處理文件（圖 3在新建對話框中從 選擇雙轉(zhuǎn)臺五軸（ 5銑床類型，控制系統(tǒng)選擇后系統(tǒng)顯示 性頁面，通過該頁面設(shè)定參數(shù)以符合機(jī)床參數(shù)的要求。 在 面的左面結(jié)構(gòu)窗口中單擊 點，分別設(shè)置機(jī)床參數(shù)。 點的機(jī)床參數(shù)，如圖 3示。 圖 3立新的后處理 圖 3定機(jī)床行程極限 參數(shù)設(shè)置是重點。第四旋轉(zhuǎn)軸參數(shù)的設(shè)置，需要在旋轉(zhuǎn)軸配置（ ，設(shè)置兩根旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)主體、旋轉(zhuǎn)平面和代號。軸加工中心的第四軸代號為 B，第五軸代號為 C，旋轉(zhuǎn)主體為工作臺，旋轉(zhuǎn)平面分別為 面和 面，如圖 3示。 下面，需要設(shè)置旋轉(zhuǎn)精度（ 最大旋轉(zhuǎn)速度（ 樞軸距離（ 軸旋轉(zhuǎn)方向（ 軸方向（ 旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動范圍（ 旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)中心相對于機(jī)床原點的位置（ 參數(shù) [32]。 樞軸距離是兩根旋轉(zhuǎn)軸線之間的距離。軸旋轉(zhuǎn)方 向定義是否采用右手螺旋法則，是則設(shè)置為正轉(zhuǎn)（ 否設(shè)置為反轉(zhuǎn)（ 軸方向（ 義工作臺轉(zhuǎn)動的方向，可以用下面兩種方法 [33]： 絕對位置法（ 代數(shù)值表示工作臺的角度位置。位 14 置角度增大時工作臺順時針旋轉(zhuǎn)，減小時逆時針旋轉(zhuǎn)。相對位置法（ 絕對值表示工作臺的角度位置，代數(shù)符號僅僅表明工作臺到達(dá)該位置的旋轉(zhuǎn)方向，正號為順時針旋轉(zhuǎn)，負(fù)號為逆時針旋轉(zhuǎn)。 第 四旋轉(zhuǎn)軸參數(shù)的設(shè)置，如圖 3示。機(jī)床參數(shù)設(shè)定結(jié)束后，單擊 鈕，顯示出雙轉(zhuǎn)臺五軸銑床簡圖（圖 3 圖 3義機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸配置 圖 3設(shè)定第四旋轉(zhuǎn)軸參數(shù) 圖 3轉(zhuǎn)臺五軸銑床簡圖 置程序的格式 一個 序分成五個序列，即程序開始、程序結(jié)束、操作開始、操作 結(jié)束和刀軌路徑事件。序列由一系列有序的事件組成。在序列的對話框中有一些標(biāo)記（ 在標(biāo)記下面可以添加一系列程序段（ 以決定所輸出 序的內(nèi)容和組成。 ? 程序開始序列（ 定義程序開始時需要輸出的程序行，一個 序只有一個程序開始事件，如圖 3 15 ? 操作開始序列（ 采用 X 軟件數(shù)控編程時，把每一道加工工序稱為一項 “操作 ”。操作開始序列定義了從 操作開始到第一個切削運動之間的事件，包括自動換刀（ 手動換刀（ 接近運動（ 初始運動（ 進(jìn)刀運動（ 首次切削（ ，如圖 3示。 圖 3 程序開始序列 圖 3 操作開始序列 ? 刀具路徑事件（ 刀具路徑事件包括 床控制事件）、 工運動）和 循環(huán)）三項內(nèi)容。機(jī)床控制事件主要定義如進(jìn)給、換刀、冷卻液、公英制等事件的格式 [34]，如圖 3示。加工運動定義后處理如何處理刀位軌跡源文件中的 圖 3示。當(dāng)進(jìn)給速度大于 0 或大于最大進(jìn)給速度時，系統(tǒng)采用 速移動）來處理；當(dāng)進(jìn)給速度不為 0 或小于最大進(jìn)給速度時，系統(tǒng)采用 性移動）來處理；當(dāng)出現(xiàn)圓弧插補(bǔ)或圓弧運動事件時，系統(tǒng)采用 弧運動）來處理。鉆循環(huán)定義當(dāng)進(jìn)行孔加工循環(huán)時，系統(tǒng)如何處理這類事件，并定義輸出格式。 ? 操作結(jié)束序列（ 操作結(jié)尾定義從最后退刀運動到操作結(jié)束之前的事件。在每個操作結(jié)尾處出現(xiàn)的程序行應(yīng)放在這里，如果只出現(xiàn)一次應(yīng)放在程序結(jié)尾位置。 操作尾添加 消 消 軸停轉(zhuǎn)）， 卻液關(guān)閉）， L 91（抬刀）， L 0 F B、 C 回零） ,如圖 3 16 圖 3 圖 3 加工運動設(shè)置 ? 程序結(jié)束序列（ 程序結(jié)尾定義程序結(jié)束時需要輸出的程序行，一個 圖 3 圖 3操作結(jié)束序列 圖 3程序結(jié)束序列 17 置程序段格式 在 需要設(shè)置 工程序段格式。 ? 準(zhǔn)備功能代碼 它是使機(jī)床準(zhǔn)備好某種工作方式的指令，如命令機(jī)床走直線或圓弧運動、固定循環(huán)運動、 刀具補(bǔ)償、指定坐標(biāo)平面或坐標(biāo)偏置等。 30 數(shù)控系統(tǒng)除 準(zhǔn)格式外，還有自定義格式，例如用 L、 C C 別代替 因此，定義準(zhǔn)備功能代碼時要根據(jù)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的具體規(guī)定。當(dāng)它具備有兩種或更多格式時，在一個 工程序中，它只允許使用一種格式。 ? 輔助功能代碼 它是控制機(jī)床某一輔助動作的指令，如主軸開、停，冷卻液開、關(guān)等。 30 常用的輔助功能代碼，除 準(zhǔn)規(guī)定的之外，還有許多是自定 義的，例如， 小量潤滑液和吹塵三項功能，而 開潤滑脂、 指令，在 準(zhǔn)中沒有定義。 在 ，設(shè)置 M 代碼與 G 代碼的操作方法類似。 ? 定義功能代碼格式 除了 G、 M 代碼之外， 30 數(shù)控系統(tǒng)還規(guī)定了其它功能代碼的格式。這里改變 X、 Y、 Z 的數(shù)據(jù)格式為 變 D 的數(shù)據(jù)格式為 把刀補(bǔ)最大值改為999。如圖 3示。 圖 3功能代碼格式定義 ? 定義功能代碼順序 為了檢查程序方便，需要規(guī)定功能代碼排列順序。 排列順序?qū)⒇瀼赜谏傻?工程序中，在整個后處理過程中都有效。調(diào)整后的代碼順序如圖 3示。 18 圖 3功能代碼順序定義 ? 據(jù)格式定義 在 據(jù)定義項中首先選擇程序行（ ，選擇直線運動事件 添加字（ 項中選擇第四軸下的 B 自定義表達(dá)式，將字拖到程序行中字 表達(dá)式定義中輸入“ $)”代表第四軸旋轉(zhuǎn)角度值，設(shè)置 大值 最小值 +30°。同樣的方式也可以將第五軸代碼 C 添加到 B 后面。設(shè)定程序起始序號從 1 開始，增量為 1。 置輸出文件 刀位文件經(jīng)過后置處理，可以用車間工藝文件和 工程序的形式輸出，后綴名分別為 者包括 序中使用的刀具、操作和加工方法清單等 [35]。通過在圖 3示的窗口中進(jìn)行勾選，可以確定車間工藝文件和 工程序的內(nèi)容。 a) b) 圖 3設(shè)置輸出文件選項窗口 19 出輔助功能指令 30 數(shù)控系統(tǒng)除了 準(zhǔn)輔助功能（如 ）以外，還具備很多特有的輔助功能。例如，輔助功能 以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸的短路徑行程， 以在傾斜軸定位時保持刀尖位置不變。但是 件提供的后置處理無法在 序中輸出這些輔助功能代碼，因此需要在 參數(shù)中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置來實現(xiàn)輸出。 后置處理可以在 序中輸出輔助功能指令，但是這些功能的實現(xiàn)依賴與相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)。例如，運行一段包含 助功能代碼的 序，如果數(shù)控系統(tǒng)不具備該功能，就無法實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸的短路徑行程。 30數(shù)控系統(tǒng)的輔助功能分成模態(tài)輔助功能和非模態(tài)輔助功能兩類。前者是一組可相互注銷的輔助功能，一旦被執(zhí)行則一直有效，直至被同一組輔助功能注銷為止；后者只在當(dāng)前程 序段有效，程序段結(jié)束時則被注銷 [36]。 態(tài)輔助功能指令的應(yīng)用 令 控系統(tǒng)的 令是模態(tài)功能指令，是特殊的可變軸指令，使用這兩種指令時，機(jī)床 動計算旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時的偏置誤差，并進(jìn)行有效補(bǔ)償，從而既降低了編程和后置處理工作的難度，也提高了 軸加工編程的安全性。 （ 1） 用傾斜軸自動補(bǔ)償機(jī)床幾何特征 [37] 刀具移到工件程序中的給定位置。若程序中傾斜軸位置改變，則后置處理器應(yīng)計算線性軸的有效補(bǔ)償值， 并插入到定位程序塊中。 在五軸加工過程中 ,由于機(jī)床各旋轉(zhuǎn)軸之間存在偏置 ， 或加工原點的定義不在轉(zhuǎn)盤中心 ， 此時當(dāng) 序中存在旋轉(zhuǎn)軸的變化 ， 勢必引起直線軸真實位置的變化 。 作用就是在編程時不考慮偏置值 ， 而是讓機(jī)床去自動計算此偏置值引起的直線軸的偏移 。 如圖 3示 ， 當(dāng)?shù)毒咻S旋轉(zhuǎn)角度 ,為使刀尖仍保持在工件的同一點上 ,機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心點須移動 20 圖 3能圖 圖 3 能圖 （ 2） 用 傾斜軸定位時保持刀尖位置 [37] 具中心點管理 )功能支持在多種可選操作模式下用傾斜軸定位功能保持刀尖位置。傳統(tǒng)意義上的后置處理軟件，必須輸入刀軸的轉(zhuǎn)心距 (刀軸擺動式 )或轉(zhuǎn)臺兩軸線 (轉(zhuǎn)臺擺動式 )的位置關(guān)系，由后置處理程序來完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，這樣的后置處理生成的加工程序適用范圍可能就是一臺設(shè)備和特定的工件坐標(biāo)系與刀具的組合。隨著控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的控制系統(tǒng)廠家在其高端產(chǎn)品中都加入了上述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的功能，如 令。 打開 件的坐標(biāo)原點可以任意設(shè)置，由控制系統(tǒng)計算工件坐標(biāo)和各轉(zhuǎn)軸軸線的關(guān)系，加工準(zhǔn)備更為方便，還可以在程序中保證刀尖的進(jìn)給速度恒定。 如圖 3示 ， 在加工過程中 ， 隨著旋轉(zhuǎn)軸的角度變化 ， 序中的直線軸坐標(biāo)值為當(dāng)前坐標(biāo)系下未進(jìn)行坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的真實值 ，旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)值為當(dāng)前坐標(biāo)系計算所得的角度值 。 對于后置處理軟件來說，可以略去上述的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的計算，后置處理軟件的開發(fā)難度降低，生成的加工程序在同類型設(shè)備中具有相對更大的通用性。 需要注意的是，五軸加工時應(yīng)在換刀前取消 129)，各擺軸復(fù)位，換刀后打開 （ 3） 種指令的算法推導(dǎo)與坐標(biāo)值對比 由于 令可以由機(jī)床自動計算偏置補(bǔ)償，所以在當(dāng)加工坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)中心與機(jī)床坐標(biāo)系中心不重合時，偏置由機(jī)床 動進(jìn)行計算。設(shè)工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系在 X、 Y、 Z 軸三個方向上的偏置距離分別為：dX、dY、轉(zhuǎn)軸 B、 Z 平面上的偏置距離為 算機(jī)床的運動坐 標(biāo)系 X、 Y、 Z 值，即： ① 將工件坐標(biāo)系換矩陣為： 11 0 0 00 1 0 00 0 1 01d d Z???????② 工件繞 Z 軸旋轉(zhuǎn) ，變換矩陣為： 21 2c o s s i n 0 0s i n c o s 0 00 0 1 00 0 0 1??????③ 將工件坐標(biāo)系平移 補(bǔ)償偏置距離，變換矩陣為： 31 0 0 00 1 0 00 0 1 001Td x d z???????④ 工件繞 Y 軸旋轉(zhuǎn) ，變換矩陣為： 4c o s 0 s i n 00 1 0 0s i n 0 c o s 00 0 0 1B????????⑤ 將工件坐標(biāo)系平移 - 22s ? 和 - 22c o ? 的補(bǔ)償偏置距離，變換矩陣為： 52 2 2 21 0 0 00 1 0 00 0 1 0s i n 0 c o s 1Td x d z B d x d z B?????? ? ? ???則： ? ? ? ?0 0 0 1 2 3 4 511C C Z x y z T T T T T?? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?00002222c o s s i n c o s s i ns i nc o s s i nc o s s i n s i n c o sc o sC d d C dC d C dC d d C dX x X C Y Y C d x B z Z d z Bd x d z BY y Y C x X CZ x X C Y Y C d x B z Z d z Bd x d z B? ??? ? ? ? ? ? ? ????? ????? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ? ? ??????????（ 3 下面通過 對簡單 零件 加工的代碼進(jìn)行對比來 說明 程的區(qū)別 ， 加工位置是 球冠柱體零件 上部半圓上的 七個 點 ，如圖 3示 ， 加工原點到 定位底面 距離為 100為說明方便 ， 標(biāo)原點 設(shè)置 在 C 軸旋轉(zhuǎn) 中心 ， 加工示意圖如 圖 3示。 22 圖 3具路徑及驅(qū)動點的位置標(biāo)識 圖 3工示意圖 X 編程輸出的刀位源文件坐標(biāo)點如下 ： 編程 ， 如上說明 ， 機(jī)床自動計算偏置距離 ， 則 序的坐標(biāo)值為繞加工坐標(biāo)系來旋轉(zhuǎn) L 0 0 128 下編程 ， 就是 程 ， 所以 序最為簡單 ， 標(biāo)值就是上面刀位源文件中 的 坐標(biāo)值 。 L 0 0 應(yīng)用 以使旋轉(zhuǎn)軸以較短路徑移動 [38]。在旋轉(zhuǎn)軸定位時，如果沒有使用 當(dāng)定位旋轉(zhuǎn)軸顯示的角度小于 360 時， 統(tǒng)只考慮名義位置和實際位置之差，不會選擇較短路徑，如表 3－ 1 所示。如果使用 征，當(dāng)定位旋轉(zhuǎn)軸顯示的角度小于 360 時， 用 能沿最短路徑移動旋轉(zhuǎn)軸，如表 3示。 程序段開始處生效，要取消 入 23 表 3轉(zhuǎn)軸的移動（不使用 表 3旋轉(zhuǎn)軸的移動（使用 實際位置 名義位置 移動 實際位置 名義位置 移動 350 10 350 10 +20 10 340 +330 10 340 模態(tài)輔助功能指令的輸出 令一般出現(xiàn)在機(jī)床開始加工的所有運動之前，即當(dāng)加載在操作序列的開始位置。因為當(dāng)機(jī)床加工結(jié)束時， 止程序運行指令無法對 行模式復(fù)位，所以必須在程序或者操作結(jié)束之前利用 用復(fù)位指令對相應(yīng)的 式進(jìn)行復(fù)位，否則會造成一定的安全隱患。 由于 129 是一種較為先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)中才帶有的指令功能，所以在通用的后處理編輯器中一般沒有現(xiàn)成的代碼模塊，需要用戶根據(jù)需求自行創(chuàng)建該代碼行。在創(chuàng)建該代碼時先在指定 的位置引入一條空的指令行，然后在創(chuàng)建欄中建立一條用戶自定義M 代碼指令自定義代碼行，在 格中寫入 129 完成創(chuàng)建，該指令格式為據(jù)輸出格式為數(shù)字型，輸出最大為三位的正整數(shù)。創(chuàng)建過程如圖 3示，添加如圖 3示。 前面提到的 征，用于 旋轉(zhuǎn)軸以較短