1591-五軸加工中心的數(shù)控編程后置處理研究（只有說明書）

1591-五軸加工中心的數(shù)控編程后置處理研究（只有說明書）,加工,中心,數(shù)控,編程,后置,處理,研究,鉆研,只有,說明書,仿單 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目五軸加工中心的數(shù)控編程后置處理研究專 業(yè) 名 稱 ： 機(jī)械設(shè)計與制造及其自動化班 級 學(xué) 號： 068105306學(xué) 生 姓 名： 陳瑞良指 導(dǎo) 教 師 ： 于斐填 表 日 期 2010 年 3 月 5 日2一、選題的依據(jù)及意義：后置處理技術(shù)是隨著數(shù)控技術(shù)、CAD/CAM技術(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CAD/CAM軟件取代了手工編程，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（post-processing ） [2]。后置處理程序?qū)?CAM系統(tǒng)通過機(jī)床的CNC系統(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CAD/CAM 一體化技術(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CAD/CAM技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點。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)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 [3]，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 [4]。雖然國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ANSI)和電子工業(yè)協(xié)會(EIA)對刀位源文件、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 [5]，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 [6]，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 [7]，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，以保障數(shù)控加工的安全、可靠 [8]。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。實踐表明，直接利用通用后置處理器生成的NC代碼一般都與用戶使用的數(shù)控機(jī)床和系統(tǒng)的要求不符，導(dǎo)致數(shù)控加工過程不能安全、可靠地進(jìn)行 [9]。專用后置處理器與相應(yīng)的數(shù)控機(jī)床和系統(tǒng)完全匹配，能3充分發(fā)揮數(shù)控加工能力。MIKRON UCP600 是瑞士產(chǎn)的高速五軸立式加工中心，它配置了 STEP－TEC 高速電主軸（主軸最高轉(zhuǎn)速為 20000 轉(zhuǎn)/分） ，可以在最佳的切削條件下，對從淬硬鋼到塑料的材料進(jìn)行加工。高速切削相對傳統(tǒng)加工有以下特點：一是提高生產(chǎn)效率。高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規(guī)切削加工提高 5～10 倍，單位時間材料切除率可提高 3～6 倍；二是降低切削力。由于高速切削采用極淺的切削深度和窄的切削寬度，因此切削力較小，與常規(guī)切削相比，切削力至少可降低 30％。這對于加工剛性較差的零件來說可減少加工變形，使一些薄壁類精細(xì)工件的切削加工成為可能；三是提高加工質(zhì)量。因為高速旋轉(zhuǎn)時刀具切削的激勵頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會造成工藝系統(tǒng)的受迫振動，保證了較好的加工狀態(tài)。由于切削深度、切削寬度和切削力都很小，使得刀具、工件變形小，保證了尺寸的精確性，實現(xiàn)了高精度、低粗糙度加工；四是加工能耗低。由于單位功率的金屬切除率高、能耗低、工件的在制時間短，從而提高了能源和設(shè)備的利用率；五是簡化加工工藝流程。常規(guī)切削加工不能加工淬火后的材料，淬火變形必須進(jìn)行人工修整或通過放電加工解決。高速切削則可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可完全省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來的表面硬化問題，減少或免除了人工光整加工 [10]。針對 MIKRON UCP600 五軸加工中心和 Heidenhain ITNC530 數(shù)控系統(tǒng) [11]，通過UG/ Post Builder 需逐一完成機(jī)床類型及技術(shù)參數(shù)定制、旋轉(zhuǎn)軸超限時的處理、數(shù)控系統(tǒng)定制、程序和刀軌參數(shù)的設(shè)置、NC 數(shù)據(jù)的定義和后置處理文件列表等具體內(nèi)容，最后獲得符合 MIKRON UCP600 五軸加工中心的后置處理器。五軸加工中心是加工復(fù)雜零件的現(xiàn)代化設(shè)備，由于五軸加工的復(fù)雜性，后置處理器的開發(fā)越來越復(fù)雜，近年來考慮到機(jī)床結(jié)構(gòu)和便于排屑等因素又出現(xiàn)了一些帶傾斜轉(zhuǎn)臺或者傾斜擺主軸頭的特殊結(jié)構(gòu)的五軸加工中心，這都對后置處理器的開發(fā)提出了新的要求，后置處理問題解決不好，輕則不能發(fā)揮加工設(shè)備的新功能和加工效率上的優(yōu)勢，造成大材小用，重則由于程序問題造成生產(chǎn)事故。因此本課題針對MIKON五軸加工中心開發(fā)后置處理程序具有重要的現(xiàn)實意義和工程應(yīng)用價值。二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）：2.1后置處理技術(shù)研究現(xiàn)狀關(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CAD/CAM軟件都帶有通用后置處理器 [12]。如UG提供一個通用后置處4理器－UG/ Post Builder，可以圖形方式創(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 [13]。而MPFAN.PST是MasterCAM內(nèi)置的一個通用后置處理器，該處理器完全針對應(yīng)用很廣泛的日本FANUC數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，采用開放式功能型數(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，在MPFAN.PST基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，從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MasterCAM進(jìn)行自動編程的用戶一般都采用默認(rèn)的MPFAN.PST通用后置處理器去生成NC文件，然后再對該NC文件進(jìn)行人工修改，使改動后的NC文件符合機(jī)床要求 [14]。加拿大ICAM公司的 CAM－POST可以覆蓋國內(nèi)外流行的90％以上的CAD/CAM軟件和NC系統(tǒng)，它可以讀取所覆蓋的CAD/CAM軟件所生成的刀具路徑文件，定制所覆蓋的NC系統(tǒng)的專用后置處理器。同樣英國 Delcam公司的產(chǎn)品PowerMILL和以色列的CAD/CAM軟件Cimatron等也提供各自的通用后置處理器 [15] [16] [17]。在國內(nèi)來說，比較成熟和普及的自動編程CAD/CAM系統(tǒng)要數(shù)北京航空航天大學(xué)開發(fā)的CAXA－ME（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 [18]。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Sodick 類型機(jī)床的數(shù)控代碼時，如果零件中涉及到孔的加工，將不能生成相應(yīng)的程序代碼 [19]。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BNF語言描述及相應(yīng)的解釋算法，并在HUSTCADM系統(tǒng)中實現(xiàn)，但對于多軸數(shù)控加工的后置處理還是不能通用 [20]。程筱勝等人對南京航空航天大學(xué)的超人CAD/CAM系統(tǒng)的通用后置處理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，開發(fā)了具有交互式圖形系統(tǒng)的通用后置處理程序，盡管該后置處理系統(tǒng)具有很好的可靠性和較強(qiáng)的通用性，但超人CAD/CAM 系統(tǒng)和 HUSTCADM系統(tǒng)都沒能走向商品化。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 [21]。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5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CIMS（Computer Intergration Manufacturing System）實驗室的一臺MAHO五軸聯(lián)動加工中心為研究對象，采用MasterCAM作為開發(fā)平臺，實現(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 [22]。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3.4m 立式車床數(shù)控改造項目中（采用的數(shù)控系統(tǒng)是國產(chǎn)的華中－I型數(shù)控系統(tǒng)，該系統(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HZ.PST，并將其集成到CAXA 軟件的CAM模塊中，實際加工效果良好。武漢工業(yè)學(xué)院陳文革和尹芳根據(jù)XH716A立式加工中心（SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的編程原理和通信接口的要求，對MasterCAM默認(rèn)的后置處理程序MPFAN.PST 進(jìn)行二次開發(fā)得到了其專用后置處理器，能完全滿足數(shù)控編程加工的生產(chǎn)需要 [23]。廣東富士康模具公司的鄧德軍根據(jù)MV－610加工中心配置德國西門子SINUMERIK810D數(shù)控系統(tǒng)的編程特點，選擇 Cimatron為二次開發(fā)平臺，成功地為MV－610加工中心開發(fā)了專用后置處理器。韓建軍對ANVIL5000軟件進(jìn)行開發(fā)，用C語言編寫了后置處理程序，用于一個回轉(zhuǎn)軸、三個移動軸的SAGEM數(shù)控加工中心的后置處理 [24]。王啟富等人用 Turbo C開發(fā)CATIA專用的NC后置處理軟件 [25]。祝益軍針對C40U五軸加工中心，在 C＋＋環(huán)境下開發(fā)了后置處理軟件[26]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳輝等人基于UG／Post，開發(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 [27]。2.2 后置處理技術(shù)發(fā)展趨勢（1）面向通用化專用后置處理系統(tǒng)將機(jī)床特性直接編入后置處理程序中，只能適應(yīng)于一種或一個系列機(jī)床，對于不同的數(shù)控裝置和數(shù)控機(jī)床還必須要有不同的專用后置處理程序。而一般的通用后置處理系統(tǒng)將后置處理程序功能通用化，能針對不同類型的數(shù)控系統(tǒng)對刀位原文件進(jìn)行后置處理，輸出數(shù)控程序。而且在一般情況下，通用后置處理系統(tǒng)只要求輸入標(biāo)準(zhǔn)格式的刀位原文件，再結(jié)合6數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件或機(jī)床特性文件，就可以輸出符合該數(shù)控系統(tǒng)指令集及格式的數(shù)控程序。除了以上優(yōu)點外,通用后置處理程序還采用開放結(jié)構(gòu)，以數(shù)據(jù)庫文件方式，由用戶自行定義機(jī)床運動結(jié)構(gòu)和控制指令格式，擴(kuò)充應(yīng)用系統(tǒng)，使其適合于各種機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)，具有通用性, 因此通用后置處理器是后置處理技術(shù)發(fā)展的方向。(2)面向高速加工高速數(shù)控加工，是一種以高主軸轉(zhuǎn)速、快速進(jìn)給、較小的切削深度和間距為加工特征的高效率、高精度數(shù)控加工方式，它不僅對機(jī)床結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)提出了新的要求，對于加工工藝的規(guī)劃、工藝參數(shù)的設(shè)置和加工約束的設(shè)置也提出了新的要求。普通數(shù)控加工中，CAM系統(tǒng)主要采用小的直線和圓弧作為刀具移動路徑，生成的數(shù)控程序量大，運算時間長。高速數(shù)控加工中采用NURBS插補刀軌，通過控制點、節(jié)點矢量和權(quán)三個變量來表達(dá)自由曲線，對復(fù)雜曲面加工的程序量可減少1／2以上，加工時間縮短1／3以上，加工精度更高。CAM 系統(tǒng)生成NURBS插補程序的方法有：一CAD數(shù)據(jù)加上刀具補償，產(chǎn)生巨量微小直線數(shù)據(jù)，經(jīng)后置處理轉(zhuǎn)換為NURBS插補程序；二CAD數(shù)據(jù)加上刀具補償，直接產(chǎn)生NURBS曲線經(jīng)后置處理輸出；三將已產(chǎn)生的巨量微小直線經(jīng)后置處理生成NC程序，通過轉(zhuǎn)換軟件，變換為 NURBS插補程序。用第二種方法不存在將線性刀軌轉(zhuǎn)換成NURBS刀軌的方法誤差，精度特別高，但實現(xiàn)難度大。（3）校核與處理非線性運動誤差CAD/CAM系統(tǒng)中大多采用對走刀軌跡進(jìn)行弧弦逼近，刀具運動的包絡(luò)面與加工表面之間存在逼近誤差，根據(jù)誤差的大小決定走刀步長和加工帶寬度。尤其在多軸聯(lián)動加工時，由于旋轉(zhuǎn)運動的影響，機(jī)床各坐標(biāo)線性插補的合成運動使得實際刀位運動偏離編程直線，產(chǎn)生非線性運動誤差。由于該誤差的大小與機(jī)床運動結(jié)構(gòu)有關(guān)，在通用化的前置處理中難以處理。因此，在后置處理中應(yīng)根據(jù)具體機(jī)床結(jié)構(gòu)對非線性運動誤差進(jìn)行校驗，若誤差超出允許范圍，需對相應(yīng)的刀位點作修正處理。（4）發(fā)展到STEP －NC數(shù)據(jù)模型CAM系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng)，與CAD 系統(tǒng)之間沒有統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。CAD 的數(shù)據(jù)信息通過標(biāo)準(zhǔn)接口的方式傳遞CAM 系統(tǒng)，即使是在一體化的集成CAD ／CAM 系統(tǒng)中，信息的共享也只是單向的和單一的。1997年歐共體提出了STEP—NC概念，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn) STEP擴(kuò)展至CNC 領(lǐng)域，重新定義了CAD ／CAM 與CNC 之間的接口，它要求CNC 系統(tǒng)直接使用符合STEP 標(biāo)準(zhǔn)的CAD 三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型(包括幾何數(shù)據(jù)、設(shè)計和制造特征)，加上工藝的信息和刀具信息。直接產(chǎn)生加工程序來控制機(jī)床，7不存在單獨的刀具路徑文件，廢棄了G代碼和M代碼，從而不再需要后置處理系統(tǒng)。目前STEP—NC是世界工業(yè)化國家研究的熱點，其中較具代表性的研究項目有歐洲的STEP—NC項目、美國的 Super Modal項目、日本的Digital Master項目等。但相應(yīng)的現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)和CAM 系統(tǒng)都需更新或廢棄，目前這不是短期內(nèi)可以實現(xiàn)的事。三、研究內(nèi)容及實驗方案： 3.1 研究內(nèi)容（1）通過 UG 后置處理器設(shè)置機(jī)床參數(shù)、NC 加工程序格式和輸出文件格式，生成MIKRON 五軸加工中心的特性數(shù)據(jù)文件。(2)利用 UG 后置處理器,實現(xiàn)模態(tài)輔助功能指令 M126、M128 的輸出和非模態(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 TCL 語言為開發(fā)語言,實現(xiàn)在生成 NC 程序的同時輸出總加工時間、每道工序的加工時間和刀具信息。(4)專用后置處理程序與 UG 集成。3.2 實驗方案(1）了解 Heidenhain ITNC530 數(shù)控系統(tǒng)和 UG／Post Builder 和 MIKRON 五軸加工中心的機(jī)床結(jié)構(gòu)(2) 基于 UG／Post Builder 開發(fā) MIKRON 后置處理程序,生成 MIKRON 五軸加工中心的特性數(shù)據(jù)文件.(3) 根據(jù)實際加工過程和加工結(jié)果，修正理論并總結(jié)方法。四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度4.1 目標(biāo)針對復(fù)雜曲面零件，基于現(xiàn)有的 CAD/CAM 系統(tǒng)和 CNC 系統(tǒng)，研究其自動編程技術(shù)、走刀路徑規(guī)劃、后置處理技術(shù)。4.2 主要特色（1）實現(xiàn)了在通用后置處理基礎(chǔ)上快速有效地開發(fā)數(shù)控機(jī)床的專用后置處理器，解決了用高級計算機(jī)語言從頭編寫專用后置處理器的繁瑣過程。（2）運用UG/PostBuilder開發(fā)的專用后置處理器進(jìn)行后置處理，生成的數(shù)控加工程序無需手工修改就可以直接輸入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行產(chǎn)品加工，從而解決了通用后置處理器產(chǎn)生的數(shù)控程序需人工進(jìn)行二次修改的繁瑣過程。（3）充分發(fā)揮了UG集成系統(tǒng)軟件的CAM功能，從而使加工中心的強(qiáng)大功能得到8了充分的發(fā)揮。（4）有效地解決了CAD/CAM一體化技術(shù)的瓶頸難題，為CAD/CAM 一體化技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。4.3 工作進(jìn)度1. 開題報告、查閱資料、外文翻譯（6000 字符) 3.1－3.19 3 周2. 研究 Heidenhain iTNC530 數(shù)控系統(tǒng)和 UG/Post Builder 3.22－4.9 3 周3. 生成 MIKRON 五軸加工中心的特性數(shù)據(jù)文件 4.12－4.23 2 周4. 輸出模態(tài)和非模態(tài)輔助功能指令 4.26－5.14 3 周5. 輸出總加工時間、每道工序的加工時間和刀具信息 5.17－5.28 2 周6.專用后置處理程序與 UG 集成 5.31－6.4 1 周7. 撰寫畢業(yè)論文 6.7－6.25 3 周 8. 答辯準(zhǔn)備及畢業(yè)答辯 6.28－7.2 1 周五、參考文獻(xiàn)[1] 周濟(jì),周艷紅,數(shù)控加工技術(shù),北京:國防工業(yè)出版社,2002[2] 劉雄偉,數(shù)控加工理論與編程技術(shù),北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002[3] Pathtrace 公司北京辦事處,尋求完美的后置處理程序,CAD/CAM 與制造業(yè)信息化,2003,(4):99-100[4] 王衛(wèi)兵,UG NX 數(shù)控編程實用教程,北京:清華大學(xué)出報社,2004[5] 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