1591-五軸加工中心的數控編程后置處理研究（只有說明書）

1591-五軸加工中心的數控編程后置處理研究（只有說明書）,加工,中心,數控,編程,后置,處理,研究,鉆研,只有,說明書,仿單 南昌航空大學科技學院學士學位論文1本設計已經通過答辯，如果需要圖紙請聯系QQ 251133408 另專業(yè)團隊代做畢業(yè)設計，質量速度有保證。1.緒 論1.1 數控編程后置處理技術數控加工技術是在數控機床上依靠 NC 程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 CAD/CAM 的加工執(zhí)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(yè)的發(fā)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(fā)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、CAD/CAM 技術的發(fā)展而發(fā)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 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(tǒng)，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（post-processing ） [2]。 后置處理程序將 CAM 系統(tǒng)通過機床的 CNC 系統(tǒng)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(fā)合適的后置處理器愈顯重要，這對提高數控編程效率、擴大 CAD/CAM 一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 CAD/CAM 技術領域的一個研究熱點。1.2 數控編程后處理技術研究現狀后置處理系統(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控系統(tǒng)和數控機床的編程規(guī)范及特點進行設計開發(fā)，它直接支持這類數控系統(tǒng)，同時它也支持用戶根據特定的數控系統(tǒng)編程格式對它進行二次開發(fā)。南昌航空大學科技學院學士學位論文2關于通用后置處理器的開發(fā)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CAD/CAM軟件都帶有通用后置處理器 [3]。如UG提供一個通用后置處理器－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換成為一系列數控機床能夠直接讀取和執(zhí)行的數控程序 [4]。而MPFAN.PST是MasterCAM內置的一個通用后置處理器，該處理器完全針對應用很廣泛的日本FANUC數控系統(tǒng)開發(fā)，采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(tǒng)的具體情況，在MPFAN.PST基礎上進行二次開發(fā)，從而定制出適合該特定數控機床系統(tǒng)的專用后置處理器。使用MasterCAM進行自動編程的用戶一般都采用默認的MPFAN.PST通用后置處理器去生成NC文件，然后再對該NC文件進行人工修改，使改動后的NC文件符合機床要求 [5]。加拿大ICAM公司的CAM－POST可以覆蓋國內外流行的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 [6] [7] [8]。在國內來說，比較成熟和普及的自動編程CAD/CAM系統(tǒng)要數北京航空航天大學開發(fā)的CAXA－ME（制造工程師）軟件，它采用通用后置處理器，可以提供常見的數控系統(tǒng)后置處理格式，而且用戶還可以自定義專用數控系統(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Sodick 類型機床的數控代碼時，如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(guī)則，給出了配置文件的BNF語言描述及相應的解釋算法，并在HUSTCADM系統(tǒng)中實現，但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(tǒng)作了總體的分析，對系統(tǒng)結構和程序實現作了具體描述，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(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)和應用相當重視，加拿大滑鐵盧大學機械系就以其CIMS（Computer Intergration Manufacturing System）實驗室的一臺MAHO五軸聯動加工中心為研究對象，采用MasterCAM作為開發(fā)平臺，實現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]。南昌航空大學科技學院學士學位論文3國內像信息產業(yè)部第39所曹永新和任林杰就曾在武漢重型機械廠3.4m 立式車床數控改造項目中（采用的數控系統(tǒng)是國產的華中－I型數控系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大的優(yōu)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(tǒng)和車床設計開發(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)學院陳文革和尹芳根據XH716A立式加工中心（SINUMERIK 802D數控系統(tǒng)）結構、控制系統(tǒng)的編程原理和通信接口的要求，對MasterCAM默認的后置處理程序MPFAN.PST 進行二次開發(fā)得到了其專用后置處理器，能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MV－610加工中心配置德國西門子SINUMERIK810D數控系統(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軟件進行開發(fā)，用C語言編寫了后置處理程序，用于一個回轉軸、三個移動軸的SAGEM數控加工中心的后置處理 [15]。王啟富等人用 Turbo C開發(fā)CATIA專用的NC后置處理軟件 [16]。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[17]。哈爾濱工業(yè)大學的陳輝等人基于UG／Post，開發(fā)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(tǒng)是今后發(fā)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(tǒng)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(ISO)、美國國家標準協會(ANSI) 和電子工業(yè)協會(EIA)對刀位源文件、后置處理語句和數控指令都有相應的標準，但各數控系統(tǒng)生產廠商采用不盡相同的標準，數控系統(tǒng)的指令格式多樣，由于競爭需要還會采用一些非標準的內容 [21]，有些數控系統(tǒng)的擴展功能己經超出了前置處理刀位數據的規(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(tǒng)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(tǒng)和數控機床技術不斷發(fā)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(yè)擁有了先進的五坐標數控機床，但真正能充分發(fā)揮五坐標加工功能的還為數不多，并且多數企業(yè)在購買機床的同時，沒有對 CAD/CAM軟件引起足夠的重視，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 CAD/CAM 軟件的后置處理問題，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 NC 代碼一般都與用戶使用的數控機南昌航空大學科技學院學士學位論文4床和數控系統(tǒng)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(tǒng)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]。MIKRON UCP600 Vario 五軸加工中心配置的 HEIDENHAIN iTNC530 數控系統(tǒng)，具有特有的輔助功能。例如，輔助功能 M128 可以在傾斜軸定位時保持刀尖位置不變；輔助功能 M126 可以實現刀具的短路徑行程；循環(huán) 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 UG通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。1.3 主要研究內容本論文基于 UG NX 系統(tǒng)，針對 MIKRON UCP600 Vario 機床和 Heidenhain iTNC530 數控系統(tǒng)的后置處理技術進行研究。具體的工作內容包括：(1)通過 UG 后置處理器設置機床參數、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據文件。(2)利用 UG 后置處理器,實現模態(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。第二章 UG 后置處理器介紹2.1 UG 提供的后置處理方法Unigraphics NX是美國EDS公司推出的面向制造行業(yè)的CAD/CAE/CAM一體的高端軟件。它功能強大、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。UG NX涵蓋了工業(yè)設計的造型、裝配、加工、仿真和分析等領域的操作功能。UG NX軟件廣泛應用于通用機械、模具、電器、汽車、化工及航天領域 [26]。UG提供了兩種后置處理方法:圖形后置處理模塊GPM (Graphics Postprocessor Module)和UG 后置處理器 UG/Post Builder。目前應用最多的是UG/Post Builder [27]。2.1.1 圖形后置處理模塊 GPM用圖形后置處理模塊GPM對刀位源文件進行后置處理需要機床數據文件(*.MDF )，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。GPM和*.MDF 文件相互依賴，GPM必須根據 *.MDF文件中的數據來設置其開關量，同時 *.MDF文件也只能用于GPM 進行后置處理。采用圖形后置處理模塊GPM進行后置處理，首先需要將UG的刀具路徑輸出生成刀南昌航空大學科技學院學士學位論文5具位置源文件，并用機床數據文件生成器建立機床數據文件，然后運行GPM，指定刀位源文件和機床數據文件，系統(tǒng)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]。2.1.2 UG 后置處理器 UG/Post BuilderUG提供了一個優(yōu)秀的后處理工具— UG/Post Builder ，它以UG CAM中生成的零件加工刀路軌跡作為輸入，輸出符合機床控制系統(tǒng)要求的NC代碼。用戶可以通過UG/Post Builder建立和機床控制系統(tǒng)相關的事件處理文件和事件定義文件，然后通過UG整合在一起，完成任意復雜機床的后處理 [29]，圖2-1為UG后處理的流程圖。UG/Post Builder包括以下幾部分:(1)Event Generator（事件生成器）－將事件傳給Post Builder。事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)Event Handle（事件處理文件.tcl）－這個文件是用Tcl （Tool command language）語言寫成，定義了每一個事件的處理方式。它可以通過Post Builder建立。(3)Definition File（事件定義文件 .def）－定義事件處理后輸出的數據格式。它可以通過Post Builder建立。(4)Manufacturing Output Manager（加工輸出管理器）－簡稱MOM，是Post Builder后置處理器的核心。Post Builder用它來啟動后處理，將內部刀軌數據加載給解釋程序，并打開.tcl和.def文件。(5)Output File（輸出文件）－Post Builder輸出的NC程序。(6)Post User Interface File（后處理用戶界面文件.pui）－通過它用戶可利用Post Builder來修改事件處理文件和事件定義文件。圖2-1 后處理流程圖南昌航空大學科技學院學士學位論文6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UG刀軌源文件處理成機床可以接受的文件 [30]。采用 UG/Post Builder 建立后處理文件的過程，如圖 2-2 所示。后置處理必須具備兩個要素:UG刀軌數據和后置處理器文件，刀軌數據在UG CAM中自動生成；后置處理器由事件管理器和定義文件構成。UG/Post Builder進行后置處理的過程為: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UG/Post Builder建立后處理，系統(tǒng)會產生三個文件。一個是事件定義文件(*.def)，包含了指定機床控制系統(tǒng)的靜態(tài)信息和程序格式；一個是事件處理文件(*.tcl)，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Tcl（Tool command language）語言編寫而成的；還有一個是后處理用戶界面文件(*.pui)，通過它用戶可利用Post Builder來修改事件處理文件和事件定義文件，并可進行用戶化后處理。圖 2-2 UG/Post Builder 建立后處理文件的過程圖2.2 UG/Post Builder 主要參數使用 Post Builder 建立后處理時，Post Builder 用戶界面分成 5 個大項，分別是：Machine Tool（機床參數）、 Program & Tool Path（程序和刀軌參數）、N/C Data 查 閱 機 床 /控 制 系 統(tǒng) 手 冊 UG/Post Builder 測 試 機 床 類型 執(zhí) 行 后 處 理 生 成 /編 輯 Tcl文 件 生 成 /編 輯 def文 件 測 試 UG/Post不 能 滿 足 要 求 時 Ero OK 特 殊 機 床 銑 、 車 、 車銑 、 線 切 割 Ero OK 南昌航空大學科技學院學士學位論文7Definition（NC 數據格式）、Output Setting（輸出參數）和 Post Files Preview（后處理文件預覽）。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(tǒng)可分辨的最小長度） 、機床快速移動速度等。由于機床類型不同，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（Program Start Sequence） 、操作頭（Operation Start Sequence） 、刀軌（Tool Path） 、操作尾（Operation End Sequence）和程序尾（Program End Sequence） 。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 2-3 所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 2-3 用戶自定義命令部分（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（BLOCK ）、字（WORD）、格式（FORMAT）和其它數據（Other Data Elements）。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(tài)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南昌航空大學科技學院學士學位論文8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 Listing File（列表文件）和 Other Options（其他控制） 。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。（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。2.3 MIKRON 五軸加工中心及配置的數控系統(tǒng)介紹MIKRON UCP 600 Vario 五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 2-4 所示。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(tài)特性，并結合了米克朗高速主軸技術的成果，MIKRON UCP 600 Vario 的主軸轉速范圍可從用于傳統(tǒng)切削的 12000r/min 到用于高速切削各種材料的20000r/min。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:600mm　Y 軸:450 mm　Z 軸:450mm工作臺面：Φ450 mm旋轉軸范圍：-115° ～ +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/HSK 63A南昌航空大學科技學院學士學位論文9圖 2-4 MIKRON UCP600 Vario 雙轉臺五軸加工中心MIKRON UCP 600 Vario 五軸聯動高速加工中心與 Heidenhain iTNC 530 數控系統(tǒng)相結合實現高速切削工藝， iTNC530 采用 Heidenhain 對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 ISO 格式（即 G 代碼）和 DNC 模式的編程。Heidenhain iTNC 530 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。Heidenhain iTNC 530 最多可以控制 12 個軸，也可由程序來定位主軸。2.4 Heidenhain iTNC530 數控系統(tǒng)的數控程序格式Heidenhain iTNC 530 數控系統(tǒng)支持 Heidenhain 對話編程格式（H 代碼）和 ISO 編程格式（G 代碼） ，其中前者是 Heidenhain 的特有格式。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 .H 為擴展名，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。MIKRON 五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(tǒng)規(guī)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 2-5 所示。MIKRON 五軸加工中心數控加工程序須以“BEGIN PGM 文件名”開頭，如圖中的第一行。第二、三行是設定毛坯的尺寸，以“BLK FORM”開頭。以下是調用刀具、控制主軸等程序行。圖 2-5 MIKRON 五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 2-6 所示。南昌航空大學科技學院學士學位論文10圖 2-6 MIKRON 五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（M5） 、冷卻液關閉（M9） 、停止程序運行（M2） ，以“END PGM 文件名”結束，如圖 2-7 所示。圖 2-7 MIKRON 五軸加工中心程序尾格式2.5 雙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 2-8 所示。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 2-9 所示工件坐標系為 ；工件可繞坐標軸 Y 擺動 B 角；工件可繞坐標軸 Z 轉wO動 C 角；工作臺回轉與 Z 軸一致；機床運動坐標系為 ， ，刀心 在wOXZwrd?0C南昌航空大學科技學院學士學位論文11工件坐標系中的位置為 ；刀軸矢量 a（單位矢量）在工件坐標系中為??00,Cxyz[31]。??,xyza圖 2-8 機床運動坐標 圖 2-9 五坐標加工刀軸矢量轉動關系本文結合 MIKRION UCP600vario 型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（-X ） （+Z）平面上，如圖 2-10 所示。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??mini0?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 2-10 五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。南昌航空大學科技學院學士學位論文12（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（2-1）2z2zarctn (a>0)90 =18rt ()90 =0 18rt (<)xyzxyzBa????????（2-4）南昌航空大學科技學院學士學位論文13（2-5）xxa0180arctn a0arctn y yxy yxyxC????????????180 yy yxaC??? ????? ????????（當 時，令 ）xarctn90yx??（2-6）0000000ososisiniiccosCCCXBBzdBYZy?????????從式 2-3、式 2-6 可以看出，兩種計算方法求得的 Y 值正好相反。3.MIKRON 五軸加工中心后置處理的研究3.1 利用 Post Builder 建立機床特性數據文件3.1.1 設置機床參數啟動 UG/Post Builder 新建五軸后處理文件（圖 3-1） ，在新建對話框中從 Library中選擇雙轉臺五軸（5-Axis with Dual Rotary Tables）銑床類型，控制系統(tǒng)選擇Heidenhain_conversational，然后系統(tǒng)顯示 Machine Tool 屬性頁面，通過該頁面設定參數以符合機床參數的要求。在 Machine Tool 頁面的左面結構窗口中單擊 General Parameters、Fourth Axis 和Fifth Axis 節(jié)點，分別設置機床參數。General Parameters 節(jié)點的機床參數，如圖 3-2 所示。南昌航空大學科技學院學士學位論文14圖 3-1 建立新的后處理 圖 3-2 設定機床行程極限Fourth Axis 和 Fifth Axis 的參數設置是重點。第四旋轉軸參數的設置，需要在旋轉軸配置（Rotary Axis Configuration）中，設置兩根旋轉軸的旋轉主體、旋轉平面和代號。MIKRON 五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 ZX 平面和 XY 平面，如圖 3-3 所示。下面，需要設置旋轉精度（Rotary Motion Resolution） 、最大旋轉速度（Max Feed Rate） 、樞軸距離（Pivot Distance） 、軸旋轉方向（ Axis Rotation） 、軸方向（Axis Rotation） 、旋轉軸轉動范圍（Rotary Axis Limits） 、旋轉軸旋轉中心相對于機床原點的位置（Machine Zero to Rotary Axis Center）等參數 [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（Nomal） ，否設置為反轉（Reverse ） 。軸方向（Axis Direction）定義工作臺轉動的方向，可以用下面兩種方法 [33]：絕對位置法（Magnitude Determines Direction）用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（Sign Determines Direction）用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 3-4 所示。機床參數設定結束后，單擊 Display Machine Tool 按鈕，顯示出雙轉臺五軸銑床簡圖（圖 3-5） 。南昌航空大學科技學院學士學位論文15圖 3-3 定義機床旋轉軸配置 圖 3-4 設定第四旋轉軸參數圖 3-5 雙轉臺五軸銑床簡圖3.1.2 設置程序的格式Post Builder 將一個 NC 程序分成五個序列，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（Markers） ，在標記下面可以添加一系列程序段（Block） ，以決定所輸出 NC 程序的內容和組成。? 程序開始序列（ Program Start Sequence）定義程序開始時需要輸出的程序行，一個 NC 程序只有一個程序開始事件，如圖3-6 所示。? 操作開始序列（ Operation Start Sequence）采用 UG NX 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（Automatic Tool Change） ，手動換刀（Manual Tool Change） ，接近運動（Approach Move） ，初始運動（Initial Move） ，進刀運動（ Engage Move） ，首次切削（ First Cut）等，如圖 3-7 所示。南昌航空大學科技學院學士學位論文16圖 3-6 程序開始序列 圖 3-7 操作開始序列? 刀具路徑事件（ Tool Path Event）刀具路徑事件包括 Machine Control（機床控制事件） 、Motion（加工運動）和Canned Cycles（鉆循環(huán)）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 3-8 所示。加工運動定義后處理如何處理刀位軌跡源文件中的 GOTO 語句，如圖 3-9 所示。當進給速度大于 0 或大于最大進給速度時，系統(tǒng)采用 Rapid Move（快速移動）來處理；當進給速度不為 0 或小于最大進給速度時，系統(tǒng)采用 Linear Move（線性移動）來處理；當出現圓弧插補或圓弧運動事件時，系統(tǒng)采用 Circle Move（圓弧運動）來處理。鉆循環(huán)定義當進行孔加工循環(huán)時，系統(tǒng)如何處理這類事件，并定義輸出格式。? 操作結束序列（ Operation End Seqnence）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 M129（取消M128） ，M127（取消 M126） ，M05（主軸停轉） ，M09（冷卻液關閉） ，L Z1000 F MAX M91（抬刀） ，L B0 C0 F MAX（B、C 回零） ,如圖 3-10。南昌航空大學科技學院學士學位論文17圖3-8 Post Builder中機床控制事件 圖3-9 加工運動設置? 程序結束序列（Program End Sequence）程序結尾定義程序結束時需要輸出的程序行，一個NC程序只有一個程序結束事件。如圖3-11 所示。圖3-10 操作結束序列 圖3-11 程序結束序列南昌航空大學科技學院學士學位論文183.1.3 設置程序段格式在 Post Build 還需要設置 NC 加工程序段格式。? 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(huán)運動、刀具補償、指定坐標平面或坐標偏置等。Heidenhain iTNC 530 數控系統(tǒng)除ISO 標準格式外，還有自定義格式，例如用 L、C DR－、C DR＋分別代替G01、G02、G03。因此，定義準備功能代碼時要根據機床數控系統(tǒng)的具體規(guī)定。當它具備有兩種或更多格式時，在一個 NC 加工程序中，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。Heidenhain iTNC 530 常用的輔助功能代碼，除 ISO 標準規(guī)定的之外，還有許多是自定義的，例如，M07 有打開冷卻液、最小量潤滑液和吹塵三項功能，而 M18 打開潤滑脂、M126、M128 等指令，在 ISO 標準中沒有定義。在 Post Builder 中，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，Heidenhain iTNC 530 數控系統(tǒng)還規(guī)定了其它功能代碼的格式。這里改變 X、Y、Z 的數據格式為 6.3，改變 D 的數據格式為 3.0，并把刀補最大值改為 999。如圖 3-12 所示。圖 3-12 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。排列順序將貫徹于生成的 NC加工程序中，在整個后處理過程中都有效。調整后的代碼順序如圖 3-13 所示。 南昌航空大學科技學院學士學位論文19圖 3-13 功能代碼順序定義? NC 數據格式定義在 NC 數據定義項中首先選擇程序行（BLOCK）項，選擇直線運動事件linear_move，在添加字（Add Word）選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 Z 后面，在表達式定義中輸入“$mom_out_angle_pos(0)”代表第四軸旋轉角度值，設置 B 為模態(tài)，最大值-115°和最小值 +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。3.1.4 設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 NC 加工程序的形式輸出，后綴名分別為.LPT 和.PTP。前者包括 NC 程序中使用的刀具、操作和加工方法清單等 [35]。通過在圖 3-14 所示的窗口中進行勾選，可以確定車間工藝文件和 NC 加工程序的內容。南昌航空大學科技學院學士學位論文20a) b)圖 3-14 設置輸出文件選項窗口3.2 輸出輔助功能指令Heidenhain iTNC 530 數控系統(tǒng)除了 ISO 標準輔助功能（如 M00、M03 、M04 等）以外，還具備很多特有的輔助功能。例如，輔助功能 M126 可以實現旋轉軸的短路徑行程，M128 可以在傾斜軸定位時保持刀尖位置不變。但是 UG 軟件提供的后置處理無法在 NC 程序中輸出這些輔助功能代碼，因此需要在 Program 子參數中進行相應的設置來實現輸出。后置處理可以在 NC 程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(tǒng)。例如，運行一段包含 M126 輔助功能代碼的 NC 程序，如果數控系統(tǒng)不具備該功能，就無法實現旋轉軸的短路徑行程。Heidenhain iTNC 530數控系統(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；后者只在當前程序段有效，程序段結束時則被注銷 [36]。3.2.1 模態(tài)輔助功能指令的應用1.M114 和 M128 指令Heidenhain iTNC530 數控系統(tǒng)的 M114 和 M128 指令是模態(tài)功能指令，是特殊的可變軸指令，使用這兩種指令時，機床 TNC 自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 NC 多軸加工編程的安全性。（1）M114—用傾斜軸自動補償機床幾何特征 [37]TNC 將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 NC 程序中存在旋轉軸的變化，勢必引起直線軸真實位置的變化。M114 的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 3-15 所示，當刀具軸旋轉角度 dB 后,為使刀尖仍保持在工件的同一點上,機床旋轉中心點須移動 dx 和 dz。南昌航空大學科技學院學士學位論文21圖 3-15 M114 功能圖 圖 3-16 M128 功能圖（2）M128—用傾斜軸定位時保持刀尖位置 [37]TCPM(Tool Center Point Management 刀具中心點管理 )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，必須輸入刀軸的轉心距(刀軸擺動式)或轉臺兩軸線(轉臺擺動式)的位置關系，由后置處理程序來完成坐標轉換，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備和特定的工件坐標系與刀具的組合。隨著控制系統(tǒng)技術的發(fā)展，越來越多的控制系統(tǒng)廠家在其高端產品中都加入了上述坐標轉換的功能，如 Heidenhain 的 M128 指令。打開 M128，工件的坐標原點可以任意設置，由控制系統(tǒng)計算工件坐標和各轉軸軸線的關系，加工準備更為方便，還可以在程序中保證刀尖的進給速度恒定。如圖 3-16 所示，在加工過程中，隨著旋轉軸的角度變化，NC 程序中的直線軸坐標值為當前坐標系下未進行坐標系旋轉的真實值，旋轉軸坐標值為當前坐標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轉換的計算，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備中具有相對更大的通用性。需要注意的是，五軸加工時應在換刀前取消TCPM(M129)，各擺軸復位，換刀后打開M128 。（3） M114 與 M128 兩種指令的算法推導與坐標值對比由于 M114 和 M128 指令可以由機床自動計算偏置補償，所以在當加工坐標系的旋南昌航空大學科技學院學士學位論文22轉中心與機床坐標系中心不重合時，偏置由機床 TNC 自動進行計算。設工件坐標系與機床坐標系在 X、Y、Z 軸三個方向上的偏置距離分別為： 、 、 ；回轉軸dXYdZB、C 之間的 XZ 平面上的偏置距離為 dx 和 dz。計算機床的運動坐標系 X、Y、Z 值，即：①將工件坐標系 平移到機床坐標系 ，變換矩陣為：wOrOYZ101ddTXY???????②工件繞 Z 軸旋轉-C 角，變換矩陣為： 2cosin0i01C????????③將工件坐標系平移 dx 和 dz 的補償偏置距離，變換矩陣為：310Tdxz??????④工件繞 Y 軸旋轉-B 角，變換矩陣為： 4cosin01ics0B????????⑤將工件坐標系平移- 和- 的補償偏置距離，變換矩2sdxz?2odxzB?陣為： 52 21001sincosTdxzBdxzB? ?? ??????? ?則： ????0012345CCXYZyT?（3-1）????????0 00 00 022cosinsin sinicossnsicos CddCddCdC CdzZzBxzYyxXZxYxBzZzBzB?? ?????????? ????? ???下面通過對簡單零件加工的代碼進行對比來說明 M114 和 M128 編程的區(qū)別，加工位置是球冠柱體零件上部半圓上的七個點，如圖 3-17 所示，加工原點到定位底面距離南昌航空大學科技學院學士學位論文23為 100mm，為說明方便，XY 坐標原點設置在 C 軸旋轉中心，加工示意圖如圖 3-18 所示。圖 3-17 刀具路徑及驅動點的位置標識 圖 3-18 加工示意圖UG NX 編程輸出的刀位源文件坐標點如下：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 下編程，如上說明，M114 為機床自動計算偏置距離，則 NC 程序的坐標值為繞加工坐標系來旋轉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 下編程，就是 APT 編程，所以 NC 程序最為簡單，XYZ 坐標值就是上面刀位源文件中的坐標值。L X50.0000 Y0.0000 Z0.0000 B-90 C-180L X43.3013 Y0.0000 Z25.0000 B-60 C-180南昌航空大學科技學院學士學位論文24L 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-902.旋轉軸以較短路徑移動（M126）應用 M126 可以使旋轉軸以較短路徑移動 [38]。在旋轉軸定位時，如果沒有使用M126 特征，當定位旋轉軸顯示的角度小于 360 時， TNC 系統(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 M126 特征，當定位旋轉軸顯示的角度小于 360 時，TNC 將用 M126 功能沿最短路徑移動旋轉軸，如表 3-2 所示。M126 在程序段開始處生效，要取消 M126，輸入 M127。表 3-1 旋轉軸的移動（不使用 M126） 表 3-2 旋轉軸的移動（使用 M126）實際位置 名義位置 移動 實際位置 名義位置 移動350 10 -340 350 10 +2010 340 +330 10 340 -303.2.2 模態(tài)輔助功能指令的輸出M128 指令一般出現在機床開始加工的所有運動之前，即當加載在操作序列的開始位置。因為當機床加工結束時，M02 停止程序運行指令無法對 M128 進行模式復位，所以必須在程序或者操作結束之前利用 M129 專用復位指令對相應的 M128 模式進行復位，否則會造成一定的安全隱患。由于 M128/M129 是一種較為先進的數控系統(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成的代碼模塊，需要用戶根據需求自行創(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 EXPRESSION 空格中寫入 129 完成創(chuàng)建，該指令格式為 DIGIT_3，數據輸出格式為數字型，輸出最大為三位的正整數。創(chuàng)建過程如圖3-19 所示， M129 的添加如圖 3-20 所示。前面提到的 M126 特征，用于旋轉軸以較短路徑移動，輸入 M127 可以取消M126。其代碼的創(chuàng)建過程與 M128/M129 相同。圖 3-21 為程序開始項的定義。南昌航空大學科技學院學士學位論文25圖 3-19 M129 代碼的創(chuàng)建格式 圖 3-20 M129 的添加3.2.3 非模態(tài)輔助功能指令的應用與輸出應用循環(huán) 32，TNC 會自動地使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（如圖 3-21） 。必要時，TNC 會自動降低編程的進給速率，這樣既可以提高表面質量，而且機床也可以得到保護。循環(huán)32是由DEF激活的，這意味著它只要在零件程序中一經定義就生效?？梢栽俅味x循環(huán)32并在公差值之后用NO ENT（不輸入）確認對話提問。復位將導致再次啟動預設公差。如果用循環(huán)32傳輸程序，其中只有循環(huán)參數公差值T，則TNC將在必要時用0給其它兩個參數賦值。后處理中需要加入以下的程序段：CYCL DEF 32.0 TOLERANCECYCL DEF 32.1 T 0.05CYCL DEF 32.2 TA 0.8圖3-21 循環(huán)32功能圖南昌航空大學科技學院學士學位論文26公差（循環(huán) 32）需要用戶根據需求自行創(chuàng)建該代碼行，首先將 Add Block 添加到Initial Move 標記中，在彈出的 Text Entry 對話框中的 Text 文本框中先后輸入 CYCL DEF 32.0 TOLERANCE、CYCL DEF 32.1 T 0.05、CYCL DEF 32.2 TA 0.8，如圖 3-22所示。Initial Move定義如圖3-23所示。圖3-22 輸入Text內容 圖3-23 Initial Move定義3.3 實現用戶自定義功能在后置處理中，除了輸出輔助功能代碼外，還可以編寫一些子程序，輸出用戶需要的輔助信息。例如：在NC程序中，可以輸出每道工序所用刀具的信息，輸出每道工序的加工時間和總加工時間，避免繁瑣的手工計算。子程序是由 Tcl 語言的編寫而成的， Tcl（tool command language）語言是一個交互式解釋性計算機語言。它幾乎在所有的平臺上都可以解釋運行，具有強大的功能。由于自定義功能完全由用戶編輯，所以一般通過文本狀態(tài)下修改 TCL 文件實現，部分程序能需要在 DEF 文件中定義變量格式。用戶自定義功能通過后置處理實現，所輸出的內容屬于 NC 中輔助信息部分，數控系統(tǒng)不運行。3.3.1 輸出每道工序的加工時間加工時間是機床加工中的一個重要的參數，是加工效率的體現。對于加工時間，事件處理器已定義變量 mom_machine_time，此變量表示總加工時間，包括切削時間，等待時間，輔助加工時間（如換刀等） 。由于要求得到每道工序的加工時間，所以需要定義另外一個變量 mom_accumulated_time，表示不包括當前工序的加工時間，初始值設定為 0。另外，將每道工序的加工時間變量定義為mom_op_time，它等于$mom_machine_time 與$accumulated_time 之差。用 TCL 語言表南昌航空大學科技學院學士學位論文27達為：Set mom_op_time [expr $mom_machine_time-$