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五軸 加工 中心 數控 編程 后置 處理 研究 五軸加工中心 數控編程后置處理研究

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畢業設計（論文）開題報告 題目 五軸加工中心的數控編程后置處理研究 專 業 名 稱 ： 機械設計與制造及其自動化 班 級 學 號 ： 學 生 姓 名 ： 指 導 教 師 ： 填 表 日 期 年 3 月 5 日 2 一、 選題的依據及意義 ： 后置處理技術是隨著數控技術、 早的數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 具有編程速度快、精度高、穩 定性好、更改方便和易于管理等特點，但是 自動編程經過刀具軌跡計算產生的刀位數據文件 不能被機床識別 ，需要設法把刀位數據文件轉換成 數控指令代碼 ，通過通信的方式輸入數控機床的數控系統，才能進行零件的數控加工 1。因此，要把 前置處理產生的刀位數據文件、加工工藝參數與特定的機床特性文件、定義文件相結合，生成指定數控加工設備能夠識別的數控加工程序，該過程 稱為后置處理 （ 2。 后置處理程序將 著高檔數控加工中心、特殊結構數控機床的不 斷出現，為其配置和開發合適的后置處理器愈顯重要，這對提高數控編程效率、擴大 前后置處理技術已經成為 后置處理系統分為通用后置處理系統和專用后置處理系統。通用后置處理系統是今后發展的方向，但在目前無論是國外還是國內真正能夠做到完全通用后置處理系統幾乎沒有 3，因為通用后置處理是以標準刀位數據、通用的數控指令為前提進行考慮的 4。雖然國際標準化組織 (美國國家標準協會 (電子工業協會 (刀位源文件、后置處理語句和數控指令都有相應的標準，但各數控系統生產廠商采用不盡相同的標準，數控系統的指令格式多樣，由于競爭需要還會采用一些非標準的內容 5，有些數控系統的擴展功能己經超出了前置處理刀位數據的規定格式，如樣條曲線、漸開線等，而目前的通用后置處理系統還只是考慮直線和圓弧 6，多數采用離散直線來逼近工件輪廓，零件形狀越復雜，數控程序量越大 7，而且多軸加工時還要考慮 非線性運動誤差校驗、進給速度的校核、特定數控系統數控加工程序的生成等問題，以保障數控加工的安全、可靠 8。 隨著產品 加工精度及復雜程度的提高，使得數控系統和數控機床技術不斷發展變化，造成通用后置處理器越來越難以適應這種現狀。實踐表明，直接利用通用后置處理器生成的 致數控加工過程 3 不能安全、可靠地進行 9。 專用后置處理器與相應的數控機床和系統完全匹配，能充分發揮數控加工能力。 瑞士產的高速五軸立式加工中心，它 配置 了 速電主軸（主軸最高 轉速為 20000 轉 /分 ） ，可以在最佳的切削條件下，對從淬硬鋼到塑料的 材料進行加工。 高速切削相對傳 統加工有以下特點：一是提高生產效率。高速切削加工允許使用較大的進給率，比常規切削加工提高 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，使一些薄壁類精細工件的切削加工成為可能；三是提高加工質量。因為高速旋轉時刀具切削的激勵頻率遠離工藝系統的固有頻率，不會造成工藝系統的受迫振動，保證了較好的加工狀態。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備的利用率；五是簡化加工工藝流程。常規切削加工不能加工淬火后的材料，淬火變形必須進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 軸加工中心和 控系統 11，通過 逐一完成機床類型及技術參數定制、旋轉軸超限時的處理、數控系統定制、程序和刀軌參數的設置、 據的定義和 后置處理文件列表 等具體內容，最后獲得符合 軸加工中心 的后置處理器。 五軸加工中心是加工復雜零件的現代化設備，由于五軸加工的復雜性，后置處理器的開發越來越復雜，近年來考慮到機床結構和便于排屑等因素又出現了一些帶傾斜轉臺或者傾斜擺主軸頭的特殊結構的五軸加工中心，這都對后置處理器的開發提出了新的要求，后置處理問題解決不好，輕則不能發揮加工設備的新功能和加工效率 上的優勢，造成大材小用，重則由于程序問題造成生產事故。因此本課題針對 二、國內外研究概況及發展趨勢（含文獻綜述）： 置處理技術研究現狀 關于通用后置處理器的開發和應用，國外已經非常成熟和普及，當前所有的圖形交 4 互式自動編程 12。如 以圖形方式創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換成為一系列數控機床能夠直接讀取和執行的數控程序 13。而 處理器完全針對應用很廣泛的日本 用開放式功能型數據庫技術設計，允許用戶根據特定數控機床和數控系統的具體情況，在 而定制出適合該特定數控機床系統的專用后置處理器。使用 后再對該 改 動后的 14。加拿大 0以上的 可以讀取所覆蓋的 制所覆蓋的 樣英國 15 16 17。 在國內來說，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，可以提供常見的數控系統后置處理格式，而且用戶還可以自定義專用數控系統的后置處理格式 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 果零件中涉及到孔的加工，將不能生成相應的程序代碼 19。華中理工大學的張利波等人提出了一種基于配置文件的開放式數控編程通用后置處理模型，定義了配置文件的語法規則，給出了配置文件的 在 對于多軸數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的 超人 發了具有交互式圖形系統的通用后置處理程序，盡管該后置處理系統具有很好的可靠性和較強的通用性，但超人京航空航天大學的曾愛華等人，以通用化、結構化、模塊化的基本設計思想對通用后置處理系統作了總體的分析，對系統結構和程序實現作了具體描述，并為系統的通用化、實用化和商品化提供了必要的條件，但是該系統只能滿足一般的兩軸半和三軸數控銑加工自動編程的需要 21。正因為如此，專用后處理器開發已成為數控自動編程 的一個急需解決的熱點問題之一。 5 專用后置處理器開發和應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控系統的專用性、特殊性和互不兼容性等特點使得開發總工作量巨大，導致專用后置器開發相對薄弱。國外對專用后置處理器開發和應用相當重視，加拿大滑鐵盧大學機械系就以其 實驗室的一臺 用 現了專用后置處理器的開發，已在該加工中心得到了驗證 22。 國內像信息產業部第 39所曹永新和任林杰就曾在武漢重型機械廠 用的數控系統是國產的華中 系統最大的優勢就是經濟，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），專門為此數控系統和車床設計開發了其專用后置處理器 將其集成到 際加工效果良好。武漢工業學院陳文革和尹芳根據 02構、控制系統的編程原理和通信接口的要求，對程序 完全滿足數控編程加工的生產需要 23。廣東富士康模具公司的鄧德軍根據 610加工中心配置德國西門子 擇 功地為 610加工中心開發了專用后置處理器。 韓建軍對 于一個回轉軸、三個移動軸的 24。 王啟富等人用 開發 5。祝益 軍針對 C 環境下開發了后置處理軟件 26。 哈爾濱工業大學的陳輝等人基于 發了并聯機床后置處理器，用于六軸或七軸并聯機床的后置處理 27。 置處理技術發展趨勢 （ 1）面向通用化 專用 后置處理系統將機床特性直接編入后置處理程序中，只能適應于一種或一個系列機床，對于不同的數控裝置和數控機床 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 統將后置處理程序功能 通用化，能針對不同類型的數控系統對刀位原文件進行后置處理，輸出數控程序。 而且在 一般情況下，通用后置處理系統 只 要求輸入標準格式的刀位原文件， 再 結合數控系統數據文件或機床特性文件， 就可以輸出 符合該數控系統指令集及格式的數控程序。 除了以上優點外 ,通用后置處理程序 還 采用開放結 6 構，以數據庫文件方式，由用戶自行定義機床運動結構和控制指令格式，擴充應用系統，使其適合于各種機床和數控系統，具有通用性 , 因此通用后置處理器是后置處理技術發展的方向 。 (2)面向高速加工 高速數控加工，是一種以高主軸轉速、快速進給、較小的切削深度和間距為加工特征的高效率、高精度數控加工方式，它不僅對機床結構和數控系統提出 了新的要求，對于加工工藝的規劃、工藝參數的設置和加工約束的設置也提出了新的要求。 普通數控加工中， 成的數控程序量大，運算時間長。高速數控加工中采用 過控制點、節點矢量和權三個變量來表達自由曲線，對復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。 統生成 生巨量微小直線數據，經后置處理轉換為 接產生 將已產生的巨量微小直線經后置處理生成 過轉換軟件，變換為 第二種方法不存在將線性刀軌轉換成 度特別高，但實現難度大。 （ 3）校核與處理非線性運動誤差 具運動的包絡面與加工表面之間存在逼近誤差，根據誤差的大小決定走刀步長和加工帶寬度。尤其在多軸聯動加工時，由于旋轉運動的影響，機床各坐標線性插補的合成運動使得實際刀位運動偏離編程直線，產生非線性運動誤差。由于該誤差的大小與機床運 動結構有關，在通用化的前置處理中難以處理。因此，在后置處理中應根據具體機床結構對非線性運動誤差進行校驗，若誤差超出允許范圍，需對相應的刀位點作修正處理。 （ 4）發展到 統之間沒有統一的產品數據模型。 數據信息通過標準接口的方式傳遞 統，即使是在一體化的集成 統中，信息的共享也只是單向的和單一的。 1997年歐共體提出了 產品數據轉換標準 新定義了 要求 包括幾何數據、設計和制造特征 )，加上工藝的信息和刀具信息。直接產生加工程序來控制機床，不存在單獨的刀具路徑文件，廢棄了 代碼，從而不再需要后置處理系統。目前 中 7 較具代表性的研究項目有歐洲的 國的 本的 相應的現有數控系統和 統都需更新或廢棄，目前這不是短期內可以實現的事。 三、研究內容及 實驗方案： 究內容 （ 1）通過 置處理器設置機床參數、 工程序格式和輸出文件格式，生成 (2)利用 置處理器 ,實現模態輔助功能指令 輸出和非模態輔助功能指令循環 32 的輸出 。 (3)通過用戶自定義功能 ,以 言為開發語言 ,實現在生成 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 成 。 驗方案 (1）了解 控系統 和 軸加工中心的機床結構 (2) 基于 發 置處理程序 ,生成 軸加工中心的特性數據文件 . (3) 根據實際加工過程和加工結果，修正理論并總結方法。 四、目標、主要特色及工作進度 標 針對復雜曲面零件，基于現有的 統和 統，研究其自動編程技術、走刀路徑規劃、后置處理技術 。 要特色 （ 1）實現了在通用后置處理基礎上快速有效地開發數控機床的專用后置處理器，解決了用高級計算機語言從頭編寫專用后置處理器的繁瑣過 程。 （ 2）運用 成的數控加工程序無需手工修改就可以直接輸入數控機床進行產品加工，從而解決了通用后置處理器產生的數控程序需人 工進行二次修改的繁瑣過程。 （ 3）充分發揮了 而使加工中心的強大功能得到了充分的發揮。 8 （ 4）有效地解決了 體化技術的推廣應用奠定了基礎。 作進度 1. 開題報告、查閱資料、外文翻譯（ 6000 字符 ) 3 周 2. 研究 控系統和 3 周 3. 生成 軸加工中心的特性數據文件 2 周 4. 輸出模態和非模態輔助功能指令 3 周 5. 輸出總加工時間、每道工序的加工時間和刀具信息 2 周 G 集成 1 周 7. 撰寫畢業論文 3 周 8. 答辯準備及畢業答辯 1 周 五、參考文獻 1 周濟 ,周艷紅 ,數控加工技術 ,北京 :國防工業出版社 ,2002 2 劉雄偉 ,數控加工理論與編程技術 ,北京 :機械工業出版社 ,2002 3 司 北 京 辦 事 處 , 尋 求 完 美 的 后 置 處 理 程 序 , 制 造 業 信 息化 ,2003,(4):994 王衛兵 ,X 數控編程實用教程 ,北京 :清華大學出報社 ,2004 5 李佳 ,朱心雄 ,通用后置處理系統介紹 ,計算機輔助設計與制造 ,1996,(6):196 楊勝群 ,X 數控加工技術 ,北京 :清華大學出版社 ,2006 7熊清平 ,張正勇等 ,統巨量 序解釋實現的方法 ,中國機械工程 ,1999,10(6):6738雷大江 ,周 茂書 ,五軸聯動數控加工后置處理器的定制 ,工程物理研究院科技年報 ,2004,(1):1269 梁訓塇 ,我國機床工業已跨入世界行列第一方陣 ,組合機床與自動化加工技術 ,2003,(8):1101992,41(2):63711 s 12 實用數控加工 技術委員會 ,實用數控加工技術 ,北京 :兵器工業出版社 ,1995 13 安杰 ,鄒昱章 ,北京 :清華大學出版社 ,2002 14 王衛兵 ,北京 :清華大學出版社 ,2004 15 AE of 999,39(1):3316 of 001,115(3):28417 a of 9 997,13(9):65818 楊國平 ,000教程 ,北京 :機械工業出版社 ,2001 19 鐘見琳 ,陳秀梅等 ,機械設計與制造 ,2002,(2):8820 張利波 ,周濟 ,開方式數控編程通用后置處理器 ,機械與電子 ,1996, (4): 321 曾愛華 ,數控加工系統中通用后置處理系統的研究與實現 ,計算機輔助設計與制造，1996,(1):2622 茍琪等編著 ,北京 :機械工業出版社， 2003 23 陳文革 ,尹芳 ,基于 005,(3):3624 韓建軍 ,圖形軟件 其后置處理程序設計 ,天津理工學院學報 ,1999,15(2):9425 王啟富，袁輝， C 后置處理的開發與應用， 制造業信息化， 2003, (11):8826 祝益軍 ,五軸加工中心 昌河科技 ,2004,(3):1527 陳輝 ,王知行等 ,基于 哈爾濱理工大學學報 ,2002, (5): 83南昌航空大學科技學院學士學位論文 1 論 控編程后置處理技術 數控加工技術是在數控機床上依靠 序進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。數控加工技術可有效解決復雜、精密和小批多變零件的加工問題，能夠充分適應現代化生產的需要。它是 加工執行單元，是現代自動化、柔性化及數字化生產加工技術的基礎與關鍵技術。 隨著航空、汽車、造船和模具制造等工業的發展，越來越多的復雜曲面應用于工程之中。包含復雜曲面的大型零件和模具的制造越來越離不開數控機床和數控加工技術。同時，由于對產品質量和生產效率要求的不 斷提高，對復雜曲面加工的數控機床性能和相應的數控加工技術也提出了更高的要求。五坐標聯動數控技術是數控技術中難度最大，應用范圍最廣的技術之一，它集計算機控制、高性能伺服驅動和精密加工技術于一體。目前，多采用五坐標聯動的數控加工方法來完成復雜曲面的加工。飛機和航空發動機的復雜結構件、船用螺旋槳、泵類葉輪等都是五坐標加工的典型例子。 后置處理技術是隨著數控技術、 術的發展而發展起來的。最早的數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、穩定性好、更改方便和易于管理等特點，但是 自動編程經過刀具軌跡計算產生的刀位數據文件 不能被機床識別 ，需要設法把刀位數據文件轉換成 數控指令代碼 ，通過通信的方式輸入數控機床的數控系統，才能進行零件的數控加工 1。因此，要把 前置處理產生的刀位數據文件、加工工藝參數與特定的機床特性文件、定義文件相結合，生成指定數控加工設備能夠識別的數控加工程序，該過程 稱為后置處理 （ 2。 后置處理程序將 統通過機床的 統與機床數控加工緊密結合起來。隨著高檔數控加工中心、特殊結構數 控機床的不斷出現，為其配置和開發合適的后置處理器愈顯重要，這對提高數控編程效率、擴大 體化技術的應用范圍具有重要的工程應用價值和實際意義，目前后置處理技術已經成為術領域的一個研究熱點。 控編程后處理技術研究現狀 后置處理系統分為通用后置處理系統和專用后置處理系統。通用后置處理系統一般按照具有代表性的數控系統和數控機床的編程規范及特點進行設計開發，它直接支持這類數控系統，同時它也支持用戶根據特定的數控系統編程格式對它進行二次開發。 關于通用后置處理器的開發和應用，國外已經 非常成熟和普及，當前所有的圖形交互式自動編程 3。如 以圖形方式創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換成為一系南昌航空大學科技學院學士學位論文 2 列數控機床能夠直接讀取和執行的數控程序 4。而 處理器完全針對應用很廣泛的日本 用開放式功能型數據庫技術設計，允許用戶根據特定數控機床 和數控系統的具體情況，而定制出適合該特定數控機床系統的專用后置處理器。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，可以提供常見的數控系統后置處理格式，而且用戶還可以自定義專用數控系統的后置處理格式 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，將不能生成相應的程序代碼 10。華中理工大學的張利波等人提出了一種基于配置文件的開放式數控編程通用后置處理模型，定義了配置文件的語法規則，給出了配置文件的 在 對于多軸數控加工的后置處理還是不能通用 11。北京航空航天大學的曾愛華等人，以通用化、結構化、模塊化的基本設計思想對通用后置處理系統作了總體的分析，對系統結構和程序實現作了具體描述，并為系統的通用化、實用化和商品化提供了必要的條件，但是該系統只能滿足一般的兩軸半和三軸數控銑加工自動編程的需要 12。正因為如此，專用后處理器開發已成為數控自動編 程的一個急需解決的熱點問題之一。 專用后置處理器開發和應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控系統的專用性、特殊性和互不兼容性等特點使得開發總工作量巨大，導致專用后置器開發相對薄弱。國外對專用后置處理器開發和應用相當重視，加拿大滑鐵盧大學機械系就以其 實驗室的一臺 用 現了專用后置處理器的開發，已在該加工中心得到了驗 證 13。 國內像信息產業部第 39所曹永新和任林杰就曾在武漢重型機械廠 用的數控系統是國產的華中 系統最大的優勢就是經濟，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），專門為此數控系統和車床設計開發了其專用后置處理器 將其集成到 際加工效果良好。武漢工業學院陳文革和尹芳根據 3 （ 02構、控制系統的編程原理和通信接口的要求，對程序 完全滿足數控編程加工的生產需要 14。廣東富士康模具公司的鄧德軍根據 610加工中心配置德國西門子 擇 功地為 610加工中心開發了專用后置處理器。 韓建軍對 于一個回轉軸、三個移動軸的 15。 王啟富等人用 開發 6。祝益 軍針對 C 環境下開發了后置處理軟件 17。 哈爾濱工業大學的陳輝等人基于 發了并聯機床后置處理器，用于六軸或七軸并聯機床的后置處理 18。 綜上所述：通用后置處理系統是今后發展的方向，但在目前無論是國外還是國內真正能夠做到完全通用后置處理系統幾乎沒有 19，因為通用后置處理是以標準刀位數據、通用的數控指令為前提進行考慮的 20。雖然國際標準化組織 (美國國家標準協會(電子工業協會 (刀位源文件、后置處理語句和數控指令都有相應的標準，但各數控系統生產廠商采用不盡相同的標準，數控系統的指令格式多樣，由于競爭需要還會采用一些非標準的內容 21，有些數控系統的擴展功能己經超出了前置處理刀位數據的規定格式，如樣條曲線、漸開線等，而目前的通用后置處理系統還只是考慮直線和圓弧 22，多數采用離散直線來逼近工件輪廓，零件形狀越復雜，數控程序量越大 23，而且多軸加工時還要考慮 非線性運動誤差校驗、進給速度的校核、特定數控系統數控加工程序的生成等問題，以保證數控加工安全、可靠的進行 24。隨著產品加工精度及復雜程度的提高，使得數控系統和數控機床技 術不斷發展變化，造成通用后置處理器越來越難以適應這種現狀。 目前，雖然國內很多制造企業擁有了先進的五坐標數控機床，但真正能充分發揮五坐標加工功能的還為數不多，并且多數企業在購買機床的同時，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，中國電子科技集團某電子研究所 2004 年引進的五軸數控加工中心，由于 件的后置處理問題，導致該機床一直無法進行五軸加工，只能作為普通的三軸數控機床使用。 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 控機床和數控系統的要求不符， 不能生成正確的加工程序， 導致數控加工過程不能安全、可靠地進行 ，并且通用后置處理器不能輸出機床數控系統所特有的輔助功能， 使得數控機床特性功能的利用受到影響 25。 軸加工中心配置的 控系統，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；輔南昌航空大學科技學院學士學位論文 4 助功能 以實現刀具的短路徑行程；循環 32 功能可以實現兩個路徑之間的輪廓平滑過渡（無論補償與否），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，對于五軸聯動數控加工技術的推廣，具有重要的現實意義和工程應用價值。 要研究內容 本論文基于 X 系統，針對 床和 體的工作內容包括： (1)通過 置處理器設置機床參數、 工程序格式和輸出文件格式，生成軸加工中心的特性數據文件 。 (2)利用 置處理器 ,實現模態輔助功能指令 輸出和非模態輔助功能指令循環 32 的輸出 。 (3)通過用戶自定義功能 ,以 實現在生成 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 功能強大、內容豐富，為用戶提供了集成最先進的技術和一流實踐經驗的解決方案，能夠把任何產品構想付諸于實際。 型、裝配、加工、仿真和分析等領域的操作功能。 具、電器、汽車、化工及航天領域 26。 圖形后置處理模塊 G/前應用最多的是 7。 形后置處理模塊 圖形后置處理模塊 *，機床數據文件包含對刀位源文件進行后置處理時所需的機 床數據。 時 * 采用圖形后置處理模塊 先需要將 用機床數據文件生成器建立機床數據文件，然后運行 定刀位源文件和機床數據文件，系統根據機床數據文件中的指令對刀位源文件進行后置處理，最后輸出數控加工程序 28。 G 后置處理器 以 5 加工刀路軌跡作為輸入，輸出符合機床控制系統要求的 戶可以通過 后通過 成任意復雜機床的后處理 29， 圖 2 (1)件生成器）將事件傳給 件是后置處理的一個數據集，用來控制機床的每一個動作。事件生成器提取零件的刀具路徑信息，并將 其作為事件和參數傳遞到加工輸出管理器。 (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據格式。它可以通過 (4)工輸出管理器）簡稱 內部刀軌數據加載給解釋程序，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聯的，它們結合在一起把 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 :軌數據在 置處理器由事件管理器和定義文件構成。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 6 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行處理，加工輸出管理器把帶有相關數據信息的事件傳遞到事件管理器，由事件管理器對事件進行處理，處理結果再返回到加工輸出管理器，加工輸出管理器再根據定義文件來決定要輸出的加工程序的輸 出格式并輸出，直到結束。 采用 系統會產生三個文件。一個是事件定義文件(*包含了指定機床控制系統的靜態信息和程序格式；一個是 事件處理文件 (*定義了每一個事件的處理方式，決定導軌源文件中每個事件如何處理，并決定反饋什么變量和數據給加工輸出管理器，事件處理文件結構是由 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 并可進行用戶化后處理。 圖 2G/立后處理文件的過程圖 G/要參數 使用 立后處理時， 戶界面分成 5 個大項，分別是：床參數）、 序和刀軌參數）、 N/C 據格式）、 出參數）和 處理文件預覽）。當一個大項選定后，里面還有許多小項參數需要設定。 （ 1）機床參數屬性項 在機床參數項中，選擇合適的機床類型，設置機床坐標軸行程、機床回零點位置、直線軸插補最小分辨率（控制系統可分辨的最小長度）、機床快速移動速度等。由于機查閱機床 / 控制系統手冊 U G / P o s t B u i l d e r 測試 機床類型 執行后處理 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 特殊機床 銑 、車 、車銑 、線 切 割 E r r o r 南昌航空大學科技學院學士學位論文 7 床類型不同，機床參數項的內容也會不同，甚至機床軸數不同、旋轉軸方式有差異，機床參數項的內容也不同。 （ 2）程序和刀軌參數屬性項 在程序和刀軌參數項中可以定義、修改和用戶化與數控加工程序相關的參數，機床所具有的 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示為用戶自定義命令部分 ，左側是用戶自定義程序行，用戶在右側添加代碼。 圖 2戶自定義命令部分 （ 3） N/C 數據格式定義屬性項 在 N/C 數據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（ 其它數據（ 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參數，如最大值、最小值、模態等；在格式項定義采用相應格式 的字類型是實數、整數或字符串等，一旦更改其中參數，所有采用這種格式的字地址都會更改；在其它數據項可以定義一些與程序本身無關的數據格式，如：程序行號、字間隔、行結束符號等。 （ 4）輸出參數項 輸出參數項共有兩個子參數項，分別是 表文件）和 他控制）。在輸出參數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 坐標值，第 4 軸角度，第 5 軸角度，進給和主軸轉速等信息。用戶還可以定義控制列表文件的后綴名。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 8 （ 5）后處理文件預覽 后處理文件預覽允許 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。新的內容顯示在上面的窗口中，舊的內容顯示在下面的窗口中。 軸加工中心及配置的數控系統介紹 00 軸聯動 高速 加工中心是 面向 中小型復雜零件 的 精密加工 的機型，如圖 2示。它采用最新的材料和技術，保證了多軸部件大功率高速度加工時的動態特性，并結合了米克朗高速主軸技術的成果， 00 主軸轉速范圍可從用于傳統切削的 12000r/用于高速切削各種材料的 20000r/高性能主軸配合圓形回轉 /擺動工作臺， 可以滿足多種類型的切削任務。 機床 主要 參數 如下 ： 主軸： X Y Z B C 結構：雙轉臺結構 工作行程： X 軸 :600 軸 :450 軸 :450作臺面： 450 轉軸范圍： +30（ B 軸），雙向 360（ C 軸） 主軸轉速： 20 - 20000 轉 /分 主軸最大功率： 30 千瓦 刀庫容量： 30 把 /3A 圖 2轉臺五軸加工中心 00 軸聯動 高速 加工中心 與 30 數控系統相結合實現高速切削工藝 ， 用 話式編程語言編寫常規加工程序，在系統中配有三維的交互式編程環境，可以及時對代碼進行動態仿真和刀路驗證，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。在運行一個程南昌航空大學科技學院學士學位論文 9 序的同時，還能輸入或測試另一個程序。系統同時也支持用 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。 控系統的數控程序格式 30 數控系統支持 話編程格式（ H 代碼）和 程格式（ G 代碼），其中前者是 特有格式。本課題的數控程序的輸出格式選取 H 代碼格式， 數控程序通常都是以字母和數字表示其文件名，以 擴展名，但默認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行加工。 軸加工中心的數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控系統規定的一些特定的格式和控制主軸及冷卻液的相關程序行，如圖 2示。 軸加工中心數控加工程序須以“ 件名”開頭，如圖中的第一行。第二、三行是設定毛坯的尺寸，以“ 頭。以下是調用刀具、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值，如圖 2示。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 10 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（ 冷卻液關閉（ 停止程序運行（ 以“ 件名”結束，如圖 2示。 圖 2軸加工中心程序尾格式 轉臺五坐標后置處理算法 從刀位計算方法可以看出，對于五坐標數控加工，刀位文件中刀位的給出形式為刀心坐標和刀軸矢量，在后置處 理過程中，需要將它們轉換為機床的運動坐標。對于不同類型運動關系的數控機床，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，五坐標聯動是指數控機床的 X、 Y、 Z 三個移動坐標和繞 X、 Y、 Z 軸旋轉的的三個轉動坐標 A、 B、 C 中的任意五個坐標的線性插補運動，如圖 2示。雙轉臺五坐標機床運動的運動是由 X、 Y、 Z、 B、 C 這五個自由度方向上的運動組成的，其中 B、 C 軸的旋轉運動都是通過機床的工作臺旋轉來實現，故稱為雙轉臺。如圖 2件可繞坐 標軸 Y 擺動 B 角；工件可繞坐標軸 Z 轉動 C 角；工作臺回轉與 Z 軸一致；機床運動坐標系為YZ， d，刀心0 0 0 0,C C Cx y z；刀軸矢量 a（單位矢量）在工件坐標系中為 ,x y za a a31。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 11 圖 2床運動坐標 圖 2坐標加 工刀軸矢量轉動關系 本文結合 雙轉臺五坐標加工中心的特點來介紹 X、 Y、 Z、B、 C 這五個坐標運動的機床后置處理算法。由于帶 B、 C 軸的五軸機床特點之一便是：其刀軸既可以繞 Z 軸逆時針轉到（ +X）（ +Z）平面上，也可以繞 Z 軸順時針轉到（ +Z）平面上，如圖 2示。所以這種運動關系如果處理不當，容易導致“ Y 坐標負向超程問題”的出現。所謂 Y 坐標的負向超程是指 Y 坐標的負向運動（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 負向超程問題的出現容易導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，將兩種轉動關系分開討論有助于解決 Y 坐標的負向超程問題。下面分別給出這兩種不同轉動關系下的兩種坐標轉換計算公式： a）刀軸矢量繞 Z 軸順時針轉動 b）刀軸矢量繞 Z 軸逆時針轉動 圖 2坐標加工刀軸矢量繞 Z 軸的兩種轉動關系 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系的原點，然后將刀軸矢量繞 Z 軸順時針轉到（ +X）（ +Z）平面上，再將刀軸矢量 繞 Y 軸順時針轉到與 Z 坐標方向一致。 （ 1）在求解的第一步中，將刀軸矢量繞 Z 軸順時針轉到（ +X）（ +Z）平面上 南昌航空大學科技學院學士學位論文 12 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 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 立機床特性數據文件 置機床參數 啟動 建五軸后處理文件（圖 3在新建對話框中從 選擇雙轉臺五軸（ 5銑床類型，控制系統選擇后系統顯示 性頁面，通過該頁面設定參數以符合機床參數的要求。 在 面的左面結構窗口中單擊 點，分別設置機床參數。 點的機床參數，如圖 3示。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 14 圖 3立新的后處理 圖 3定機床行程極限 參數設置是重點。第四旋轉軸參數的設置，需要在旋轉軸配置（ ，設置兩根旋轉軸的旋轉主體、旋轉平面和代號。軸加工中心的第四軸代號為 B，第五軸代號為 C，旋轉主體為工作臺，旋轉平面分別為 面和 面，如圖 3示。 下面，需要設置旋轉精度（ 最大旋轉速度（ 樞軸距離（ 軸旋轉方向（ 軸方向（ 旋轉軸轉動范圍（ 旋轉軸旋轉中心相對于機床原點的位置（ 參數 32。 樞軸距離是兩根旋轉軸線之間的距離。軸旋轉方 向定義是否采用右手螺旋法則，是則設置為正轉（ 否設置為反轉（ 軸方向（ 義工作臺轉動的方向，可以用下面兩種方法 33： 絕對位置法（ 代數值表示工作臺的角度位置。位置角度增大時工作臺順時針旋轉，減小時逆時針旋轉。相對位置法（ 絕對值表示工作臺的角度位置，代數符號僅僅表明工作臺到達該位置的旋轉方向，正號為順時針旋轉，負號為逆時針旋轉。 第 四旋轉軸參數的設置，如圖 3示。機床參數設定結束后，單擊 鈕，顯示出雙轉臺五軸銑床簡圖（圖 3 南昌航空大學科技學院學士學位論文 15 圖 3義機床旋轉軸配置 圖 3設定第四旋轉軸參數 圖 3轉臺五軸銑床簡圖 置程序的格式 一個 序分成五個序列，即程序開始、程序結束、操作開始、操作 結束和刀軌路徑事件。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記（ 在標記下面可以添加一系列程序段（ 以決定所輸出 序的內容和組成。 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 操作開始序列（ 采用 X 軟件數控編程時，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（ 進刀運動（ 首次切削（ ，如圖 3示。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 16 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）三項內容。機床控制事件主要定義如進給、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。當進給速度大于 0 或大于最大進給速度時，系統采用 速移動）來處理；當進給速度不為 0 或小于最大進給速度時，系統采用 性移動）來處理；當出現圓弧插補或圓弧運動事件時，系統采用 弧運動）來處理。鉆循環定義當進行孔加工循環時，系統如何處理這類事件，并定義輸出格式。 操作結束序列（ 操作結尾定義從最后退刀運動到操作結束之前的事件。在每個操作結尾處出現的程序行應放在這里，如果只出現一次應放在程序結尾位置。 操作尾添加 消 消 軸停轉）， 卻液關閉）， L 91（抬刀）， L 0 F B、 C 回零） ,如圖 3 南昌航空大學科技學院學士學位論文 17 圖 3 圖 3 加工運動設置 程序結束序列（ 程序結尾定義程序結束時需要輸出的程序行，一個 圖 3 圖 3操作結束序列 圖 3程序結束序列 置程序段格式 在 需要設置 工程序段格式。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 18 準備功能代碼 它是使機床準備好某種工作方式的指令，如命令機床走直線或圓弧運動、固定循環運動、 刀具補償、指定坐標平面或坐標偏置等。 30 數控系統除 準格式外，還有自定義格式，例如用 L、 C C 別代替 因此，定義準備功能代碼時要根據機床數控系統的具體規定。當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 它是控制機床某一輔助動作的指令，如主軸開、停，冷卻液開、關等。 30 常用的輔助功能代碼，除 準規定的之外，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 準中沒有定義。 在 ，設置 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 數控系統還規定了其它功能代碼的格式。這里改變 X、 Y、 Z 的數據格式為 變 D 的數據格式為 把刀補最大值改為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，需要規定功能代碼排列順序。 排列順序將貫徹于生成的 工程序中，在整個后處理過程中都有效。調整后的代碼順序如圖 3示。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 19 圖 3功能代碼順序定義 據格式定義 在 據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 自定義表達式，將字拖到程序行中字 表達式定義中輸入“ $)”代表第四軸旋轉角度值，設置 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示的窗口中進行勾選，可以確定車間工藝文件和 工程序的內容。 a) b) 圖 3設置輸出文件選項窗口 南昌航空大學科技學院學士學位論文 20 出輔助功能指令 30 數控系統除了 準輔助功能（如 ）以外，還具備很多特有的輔助功能。例如，輔助功能 以實現旋轉軸的短路徑行程， 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 參數中進行相應的設置來實現輸出。 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依賴與相應的數控系統。例如，運行一段包含 助功能代碼的 序，如果數控系統不具備該功能，就無法實現旋轉軸的短路徑行程。 30數控系統的輔助功能分成模態輔助功能和非模態輔助功能兩類。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；后者只在當前程 序段有效，程序段結束時則被注銷 36。 態輔助功能指令的應用 令 控系統的 令是模態功能指令，是特殊的可變軸指令，使用這兩種指令時，機床 動計算旋轉軸旋轉時的偏置誤差，并進行有效補償，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） 用傾斜軸自動補償機床幾何特征 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，則后置處理器應計算線性軸的有效補償值， 并插入到定位程序塊中。 在五軸加工過程中 ,由于機床各旋轉軸之間存在偏置 ， 或加工原點的定義不在轉盤中心 ， 此時當 序中存在旋轉軸的變化 ， 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 ， 而是讓機床去自動計算此偏置值引起的直線軸的偏移 。 如圖 3示 ， 當刀