數(shù)控加工后置處理技術(shù)DOC8

1、數(shù)控加工后置處理技術(shù)本文分析了數(shù)控加工后置處理技術(shù)的特征、面臨的問題和當(dāng)前的發(fā)展趨勢，介紹了應(yīng)用通用后置處理器開發(fā)定制專用后置處理器的實(shí)踐。 數(shù)控編程是CAM 的重要組成部分。它包括加工刀具路徑文件的生成和機(jī)床數(shù)控代碼指令集的生成。加工刀具路徑文件可利用CAD/CAM 軟件，根據(jù)加工對象的結(jié)構(gòu)特征、加工環(huán)境特征(其中包括機(jī)床-夾具-刀具-工件所組成的具體工序加工系統(tǒng)的特征)以及加工工藝設(shè)計(jì)的具體特征來生成描述加工過程的刀具路徑文件。通過后置處理器讀取由CAM 系統(tǒng)生成的刀具路徑文件，從中提取相關(guān)的加工信息，并根據(jù)指定數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及NC 程序格式要求進(jìn)行分析、判斷和處理，最終生成數(shù)控機(jī)床所能直

2、接識別的NC 程序，就是數(shù)控加工的后置處理數(shù)控加工后置處理是CAD/CAM 集成系統(tǒng)非常重要的組成部分，它直接影響CAD/CAM 軟件的使用效果及零件的加工質(zhì)量。目前國內(nèi)許多CAD/CAM 軟件用戶對軟件的應(yīng)用只停留在CAD 模塊上，對CAM 模塊的應(yīng)用效率不高，其中一個非常關(guān)鍵的原因就是沒有配備專用的后置處理器，或只配備了通用后置處理器而沒有根據(jù)數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)進(jìn)行必要的二次開發(fā)，由此生成的代碼還需人工做大量的修改，嚴(yán)重影響了CAM 模塊的應(yīng)用效果。 目前，從技術(shù)上講，由于CAD/CAM 系統(tǒng)硬件和軟件的發(fā)展，對加工對象、加工系統(tǒng)建立三維模型、運(yùn)用圖形交互的方法實(shí)現(xiàn)刀具路徑的生成、加工過程仿真和

3、干涉碰撞檢查已經(jīng)是可行的。北京市機(jī)電研究院在工程實(shí)踐中已付諸實(shí)施，并取得了良好效果。而要使生成的刀具路徑文件轉(zhuǎn)換成數(shù)控NC 程序，驅(qū)動和控制機(jī)床實(shí)施加工，還必須以相應(yīng)的后置處理器開發(fā)為條件。 對于使用多種CAD/CAM 系統(tǒng)，配備多種機(jī)床各種類型數(shù)控系統(tǒng)的情況就更為復(fù)雜，這是因?yàn)楹笾锰幚砻媾R如下紛繁的情況： 一、刀具路徑文件格式的多樣性刀具路徑文件采用APT 語言格式，這種語言接近于英語自然語言，它描述當(dāng)前的機(jī)床狀態(tài)及刀尖的運(yùn)動軌跡。它的內(nèi)容和格式不受機(jī)床結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)類型的影響。 但不同的CAD/CAM 軟件生成的刀具路徑文件的格式均有所不同,如：“調(diào)用n 號刀具，長度補(bǔ)償選用a 寄存器中的

4、值”，表示這一功能的指令在不同的CAM 系統(tǒng)表述格式不同。例如幾種CAD/CAM 系統(tǒng)的表述格式如表1 所示。 表1 CAD/CAM系統(tǒng)的表述格式CAD/CAM系統(tǒng) 表述格式 UG-II LOAD/TOOL, n, ADJUST, a SDRC Master LOADTL/n, l, h Pro ENGINEER LOADTL/n, OSETNO, a CV CADDS LOAD/TOOL, n, OSETNO, a二、NC 程序格式的多樣性NC 程序由一系列程序段組成，通常每一程序段包含了加工操作的一個單步命令。程序段通常是由N、G、X、Y、Z、F、S、T、M地址字和相應(yīng)的數(shù)字值組成的。 1

5、. ISO-1056-1975 標(biāo)準(zhǔn)對其中的部分準(zhǔn)備代碼功能、輔助功能代碼的功能作了統(tǒng)一的規(guī)定，如：G00 快速點(diǎn)位運(yùn)動、G01 直線插補(bǔ)、G02 順時針圓弧插補(bǔ)、G03 逆時針圓弧插補(bǔ)、G04 駐留。但還有大量的未作統(tǒng)一規(guī)定的不指定代碼，其中不指定的G代碼由數(shù)控系統(tǒng)廠家根據(jù)需要自行制定其代碼功能，如表2 所示。 表 2 根據(jù)需要自行制定的G代碼功能G碼 FANUC-15MA系統(tǒng) TOSNUC 800-M G10 數(shù)據(jù)設(shè)置 撤銷坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 G11 取消數(shù)據(jù)設(shè)置模式 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 G15 取消極坐標(biāo)命令 G16 極坐標(biāo)命令M87 A.P.C door right open A.P.C右側(cè)門打開 M88

6、 A.P.C door left open A.P.C左側(cè)門打開 M87 A.P.C door close A.P.C門關(guān)閉表 3 東芝數(shù)控系統(tǒng)自行定義的G 碼功能G碼 TOSNUC 800-M ISO G20 參考點(diǎn)返回檢查 英制 G21 第2、3、4參考點(diǎn)返回檢查 公制 G44 取消長度補(bǔ)償 刀具偏置-負(fù) G93 局部坐標(biāo)設(shè)定 時間倒數(shù)進(jìn)給率2. 未做統(tǒng)一規(guī)定的M代碼由數(shù)控機(jī)床制造廠根據(jù)其機(jī)床所具有的附屬設(shè)備功能制定其代碼功能。如日本日立精機(jī)公司制造的柔性加工單元HG500，帶有16 個托盤(PPL)，托盤可自動交換，實(shí)現(xiàn)無人加工。為了控制托盤自動進(jìn)入主機(jī)，它用M87M89 代碼控制A.P

7、.C門的開關(guān)： 3. 有些數(shù)控系統(tǒng)對部分G 代碼的功能并不嚴(yán)守ISO-1056 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，而是自行定義，如表3 所示。 4. 個別數(shù)控系統(tǒng)的NC 程序采用了比較特殊的代碼格式，如HEIDENHAIN TNC 426系統(tǒng)，右補(bǔ)償直線插補(bǔ)語句格式： FL X 10 Y 10 RL，對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)代碼 ：G01 G42 X10Y10。三、技術(shù)需求的多樣性隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的進(jìn)展，現(xiàn)在的后置處理技術(shù)已不能停留在僅僅是對刀具路徑文件的代碼轉(zhuǎn)換，而是增加了從具體的加工需求特征、具體的數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的特征出發(fā)，賦予后置處理器以更多的功能要求。 高速數(shù)控加工的出現(xiàn)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

8、于加工工藝的策劃、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。于是有的廠商開發(fā)了專門支持高速加工的后置處理器。這種后置處理器對于配備有高速加工控制器的機(jī)床，可借助該后置處理器所配置的專家系統(tǒng)工具，描述自己的高速加工需求特征，后置處理器可生成相應(yīng)的代碼，激活/撤消相應(yīng)的高速加工操作指令，可根據(jù)使用需求進(jìn)行仿真。對于未配備高速加工控制器的機(jī)床，該后置處理器還能設(shè)定進(jìn)給速度變化的最大允許增量，根據(jù)允許慣性力設(shè)定允許的最大加/減速，設(shè)定加速時間常數(shù)和回路增益時間常數(shù)，設(shè)定速度超調(diào)數(shù)據(jù)等。 又如各種數(shù)控系統(tǒng)在曲面加工時，所用的曲面擬合模型不盡相同，有的用Nurbs 擬合模型，有的用Bezier 擬合

9、模型，有的用Polymial 擬合模型，還有的用Spline 擬合模型，后置處理器就面臨支持相應(yīng)的多種曲面擬合模型的問題。 在工程實(shí)踐中，當(dāng)遇到相似加工對象的相似加工需求時，常?？梢杂靡延械男兄行У腘C 加工程序進(jìn)行修改后使用。然而如何確保修改結(jié)果的正確性則是個問題，不能都放到機(jī)床上去調(diào)試，這在單件加工時尤為重要。此外，現(xiàn)有的許多CAD/CAM 系統(tǒng)的加工仿真只是以所生成的刀具路徑文件為基礎(chǔ)進(jìn)行加工仿真和干涉檢查，這顯然是不夠的。因此，以NC 代碼指令集及其相應(yīng)參數(shù)設(shè)置為信息源的仿真(包括邏輯仿真和過程仿真)就顯得十分重要。因此,一個完善的后置處理器應(yīng)具備以下功能： 1、接口功能：后置處理器

10、能自動地識別、讀取不同的CAD/CAM 軟件所生成的刀具路徑文件。 2、NC 程序生成功能：數(shù)控機(jī)床具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、自動換刀、夾具偏置、冷卻等一系列的功能，功能的實(shí)現(xiàn)是通過一系列的代碼組合實(shí)現(xiàn)的。代碼的結(jié)構(gòu)、順序由數(shù)控機(jī)床規(guī)定的NC 格式?jīng)Q定。當(dāng)前世界上一些著名的后置處理器公司開發(fā)出通用后置處理器，它提供一種功能數(shù)據(jù)庫模型，用戶根據(jù)數(shù)控機(jī)床的具體情況回答它所提出的問題，通過問題回答生成用戶指定的數(shù)控機(jī)床的專用后置處理器。用戶只需要具有機(jī)床操作知識和NC編程知識，就能編出滿意的專用后置處理器。當(dāng)所提供的數(shù)據(jù)庫不能滿足用戶的要求時，它提供的開發(fā)器允許用戶進(jìn)行修改和編譯。因此可以按照數(shù)控機(jī)床

11、的功能建立一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫，每個功能如何實(shí)現(xiàn)，由用戶根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)、使用的數(shù)控系統(tǒng)指定控制的代碼及代碼結(jié)構(gòu)。 3、專家系統(tǒng)功能：后置處理器不只是對刀具路徑文件進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換，還要能加入一定的工藝知識。如高速加工的處理、加工絲杠時切削參數(shù)的選擇等。 4、反向仿真功能：以NC 代碼指令集及其相應(yīng)參數(shù)設(shè)置為信息源的仿真。它包括兩部分： NC 程序的主體結(jié)構(gòu)檢查和NC 程序語法結(jié)構(gòu)檢查；數(shù)控加工過程仿真。以NC 程序?yàn)榛A(chǔ)，模擬仿真加工過程，判斷運(yùn)動軌跡的正確性及加工參數(shù)的合理性。 不同結(jié)構(gòu)的機(jī)床、不同的數(shù)控系統(tǒng)、不同的編程習(xí)慣，其NC 程序的結(jié)構(gòu)和格式千差萬別。因此，反向仿真難度非常大。目前，尚未有較

12、成熟的商品性軟件。 綜上所述，要使所生成的數(shù)控程序不經(jīng)手工修改，直接應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床加工，則必須針對每一臺數(shù)控機(jī)床定制專用的后置處理器。這就要求開發(fā)人員熟悉所用的CAM 系統(tǒng)及所生成的刀具路徑文件的格式、熟悉所用數(shù)控機(jī)床及其數(shù)控系統(tǒng)代碼功能及其表述格式，而這一工作是智力密集和勞動密集兼而有之的過程。當(dāng)面臨的CAM 系統(tǒng)眾多，機(jī)床及其數(shù)控系統(tǒng)眾多的情況下，從頭開發(fā)專用后置處理器的工作就顯得相當(dāng)繁重。因此，近年來出現(xiàn)了以開發(fā)通用后置處理器為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)控代碼導(dǎo)向等相關(guān)技術(shù)定制數(shù)控機(jī)床專用后置處理器的做法，用通用后置處理器解決共性問題，用定制后置處理器解決個性問題。實(shí)踐表明，這是一種有效的方法。該院應(yīng)

13、用這一方法從1996 年起，陸續(xù)開發(fā)定制了包括龍門式五面加工中心、龍門式立式加工中心、臥式柔性加工單元、立式加工中心、數(shù)控車床、車削中心等多種類型機(jī)床的十種專用后置處理器，數(shù)控系統(tǒng)包括FANUC、TOSNUC、MITSUBISH、A2100、A850、MAZAK 等，覆蓋了該院的產(chǎn)品和使用的數(shù)控設(shè)備，并在工程應(yīng)用中取得了良好的效果。其中，對三軸帶回轉(zhuǎn)工作臺的臥式加工中心、五面加工中心的專用后置處理器的開發(fā)，建立了該類結(jié)構(gòu)機(jī)床的后置處理結(jié)構(gòu)模型，積累了開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)。 以下簡要介紹該院應(yīng)用通用后置處理器定制開發(fā)用于HC800/FANUC-15MA 的專用后處理器的方法： · 使用的定制開發(fā)

14、軟件 Pro/E的NCPOST 模塊。該模塊為加拿大ICAM 技術(shù)公司生產(chǎn)的ICAM 通用后置處理開發(fā)器。 · 使用的CAM 軟件 Pro/E 的CAM 模塊。應(yīng)用Pro/E 的CAM 模塊，設(shè)計(jì)加工環(huán)境，進(jìn)行模擬加工仿真，生成刀具路徑文件。 · NC程序應(yīng)用對象 臥式加工中心HC800。該機(jī)床為日本日立精機(jī)公司制造生產(chǎn)，配備X、Y、Z三條直線軸，一個回轉(zhuǎn)工作臺，一個容量為120 把刀的鏈狀刀庫，六個交換托盤；控制系統(tǒng)為FANUC-15MA 主要用于箱體類零件的加工。1. 首先了解機(jī)床的結(jié)構(gòu)、機(jī)床配備的附屬設(shè)備、機(jī)床具備的功能及功能實(shí)現(xiàn)的方式(手動還是自動)。 2. 機(jī)床配

15、備的數(shù)控系統(tǒng)，熟悉該系統(tǒng)的NC 編程包括功能代碼的組成、含義，是否有不同于ISO-1056-1975 標(biāo)準(zhǔn)的代碼格式。 3. 應(yīng)用通用后置處理器導(dǎo)向模板，根據(jù)以上掌握的知識，逐條回答模板提出的問題，定制專用后置處理器。通用后置處理器根據(jù)外界輸入的信息，調(diào)用其內(nèi)部數(shù)據(jù)庫模型，經(jīng)判斷、排列、組合后，生成用戶要求的專用后置處理器。 應(yīng)用按此方法定制的HC800/FANUC-15MA 專用后置處理器處理刀具路徑文件，生成的NC 程序約80%可用，還有20%需作進(jìn)一步開發(fā)。 4. 當(dāng)通用后置處理器提供的數(shù)據(jù)模型不能全部滿足用戶的要求，或者用戶需要優(yōu)化處理NC 程序時，則應(yīng)用開發(fā)軟件修改數(shù)據(jù)庫模型。這就需

16、要開發(fā)人員掌握CAM 模塊的使用方法，掌握刀具路徑文件的格式，并具備軟件開發(fā)和加工工藝方面的經(jīng)驗(yàn)。本專用后置處理器應(yīng)用的機(jī)床為配備一個回轉(zhuǎn)工作臺的三軸臥式加工中心，工作臺回轉(zhuǎn)不能參與切削運(yùn)動。機(jī)床配備六個交換托盤，可實(shí)現(xiàn)托盤的自動交換。刀庫為鏈狀結(jié)構(gòu)，容量為120 把刀的，在加工的同時可預(yù)選下一把刀具。在Pro/E 的CAM 模塊和NCPOST 模塊中均無此類機(jī)床的數(shù)據(jù)庫模型。為完善該專用后置處理器，使其自動生成的NC 程序不再需要人工做修改，可對CAM 模塊的加工環(huán)境參數(shù)進(jìn)行特定的設(shè)置，并用NCPOST 模塊的開發(fā)語言進(jìn)行宏程序編制，建立此類機(jī)床的數(shù)據(jù)模型。為優(yōu)化生成的NC 程序，用宏程序修

17、改通用后置處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出結(jié)構(gòu)。如：NC 程序中用到的所有工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的數(shù)值關(guān)系，可在NC 程序開頭自動設(shè)置，數(shù)控機(jī)床可直接辯識，不需手工輸入；工作臺回轉(zhuǎn)前，主軸頭退回最遠(yuǎn)；換刀前輸出刀具名稱等。 經(jīng)過上述工作所定制的專用后置處理器生成的NC 程序已用于該院的主導(dǎo)產(chǎn)品VMC750B30101 主軸箱體的加工，加工出的零件全部滿足圖紙要求。此外，他們在Pro/E的CAD/CAM 集成軟件環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn)“反向仿真功能”。 目前商品化的通用后置處理器，加拿大ICAM 公司的CAM-POST 軟件具有典型性。該軟件可以覆蓋國內(nèi)外流行的90%以上的CAD/CAM 軟件和90%以上的NC 系

18、統(tǒng)，功能較強(qiáng)。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，它主要分為如下兩部分： 1. QUEST:數(shù)據(jù)庫模板系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)庫模板中包含各種類型的機(jī)床及控制系統(tǒng)可能遇到的問題及解決的方法。用戶根據(jù)需要，回答問題，得到專用的數(shù)據(jù)庫。當(dāng)數(shù)據(jù)庫模板不能滿足用戶的要求時，可用Post-processor Development 編制宏程序，進(jìn)行二次開發(fā)。 2. GENER：應(yīng)用QUEST 產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫，把由CAM 系統(tǒng)產(chǎn)生的刀具路徑文件轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床所能直接識別的NC 程序。 ICAM 公司新推出的CAM-POSTV-12 具有高速加工所要求的處理功能，能支持Bezier、NURBS、Polynomial 和Spline 四種曲面擬和模型，在QUEST 中設(shè)置了專家系統(tǒng)工具等，使軟件的功能又大有擴(kuò)展。 近年來，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)飛躍發(fā)展，使微機(jī)的性能價格比不斷提高。目前世界上許多知名的CAD/CAM 軟件公司已著手開發(fā)了基