五軸加工中心的數(shù)控編程后置處理研究畢業(yè)論文.doc

南昌航空大學科技學院學士學位論文11.緒論1.1數(shù)控編程后置處理技術(shù)數(shù)控加工技術(shù)是在數(shù)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(shù)控加工技術(shù)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(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。它是CAD/CAM的加工執(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(shù)控機床和數(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，對復雜曲面加工的數(shù)控機床性能和相應的數(shù)控加工技術(shù)也提出了更高的要求。五坐標聯(lián)動數(shù)控技術(shù)是數(shù)控技術(shù)中難度最大，應用范圍最廣的技術(shù)之一，它集計算機控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體。目前，多采用五坐標聯(lián)動的數(shù)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(jié)構(gòu)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(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)控機床的數(shù)控系統(tǒng)，才能進行零件的數(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)AM系統(tǒng)通過機床的CNC系統(tǒng)與機床數(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、擴大CAD/CAM一體化技術(shù)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(shù)已經(jīng)成為CAD/CAM技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點。1.2數(shù)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)控機床的編程規(guī)范及特點進行設(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)編程格式對它進行二次開發(fā)。關(guān)于通用后置處理器的開發(fā)和應用，國外已經(jīng)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/PostBuilder，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)換成為一系南昌航空大學科技學院學士學位論文2列數(shù)控機床能夠直接讀取和執(zhí)行的數(shù)控程序4。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)控機床和數(shù)控系統(tǒng)的具體情況，在MPFAN.PST基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，從而定制出適合該特定數(shù)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CAMPOST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678。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)北京航空航天大學開發(fā)的CAXAME（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Sodick類型機床的數(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(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11。北京航空航天大學的曾愛華等人，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（ComputerIntergrationManufacturingSystem）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，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)學院陳文革和尹芳根據(jù)XH716A立式加工中心南昌航空大學科技學院學士學位論文3（SINUMERIK802D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(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)MV610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MV610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(zhuǎn)軸、三個移動軸的SAGEM數(shù)控加工中心的后置處理15。王啟富等人用TurboC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UGPost，開發(fā)了并聯(lián)機床后置處理器，用于六軸或七軸并聯(lián)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(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準刀位數(shù)據(jù)、通用的數(shù)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(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)控指令都有相應的標準，但各數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商采用不盡相同的標準，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準的內(nèi)容21，有些數(shù)控系統(tǒng)的擴展功能己經(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、可靠的進行24。隨著產(chǎn)品加工精度及復雜程度的提高，使得數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床技術(shù)不斷發(fā)展變化，造成通用后置處理器越來越難以適應這種現(xiàn)狀。目前，雖然國內(nèi)很多制造企業(yè)擁有了先進的五坐標數(shù)控機床，但真正能充分發(fā)揮五坐標加工功能的還為數(shù)不多，并且多數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)的要求不符，不能生成正確的加工程序，導致數(shù)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(shù)控系統(tǒng)所特有的輔助功能，使得數(shù)控機床特性功能的利用受到影響25。MIKRONUCP600Vario五軸加工中心配置的HEIDENHAINiTNC530數(shù)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；輔南昌航空大學科技學院學士學位論文4助功能M126可以實現(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(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)實意義和工程應用價值。1.3主要研究內(nèi)容本論文基于UGNX系統(tǒng)，針對MIKRONUCP600Vario機床和HeidenhainiTNC530數(shù)控系統(tǒng)的后置處理技術(shù)進行研究。具體的工作內(nèi)容包括：(1)通過UG后置處理器設(shè)置機床參數(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。第二章UG后置處理器介紹2.1UG提供的后置處理方法UnigraphicsNX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(nèi)容豐富，為用戶提供了集成最先進的技術(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。UGNX涵蓋了工業(yè)設(shè)計的造型、裝配、加工、仿真和分析等領(lǐng)域的操作功能。UGNX軟件廣泛應用于通用機械、模具、電器、汽車、化工及航天領(lǐng)域26。UG提供了兩種后置處理方法:圖形后置處理模塊GPM(GraphicsPostprocessorModule)和UG后置處理器UG/PostBuilder。目前應用最多的是UG/PostBuilder27。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(shù)據(jù)文件(*.MDF)，機床數(shù)據(jù)文件包含對刀位源文件進行后置處理時所需的機床數(shù)據(jù)。GPM和*.MDF文件相互依賴，GPM必須根