(新)CATIANC后置處理軟件的開發(fā)與應(yīng)用_

1、CATIANC后置處理軟件的開發(fā)與應(yīng)用一、前言隨著國內(nèi)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的逐漸增多和數(shù)控編程軟件功能的不斷完善，許多廠家都采用數(shù)控加工技術(shù)來加工一些復(fù)雜零件，大大提高了生產(chǎn)效率及加工精度。企業(yè)往往購進(jìn)結(jié)構(gòu)各異、不同國家生產(chǎn)的各類四、五坐標(biāo)加工中心及數(shù)控機(jī)床，并使用了多種國內(nèi)、外數(shù)控軟件。昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司為滿足直升機(jī)研制以及與國外合作生產(chǎn)項(xiàng)目的需要，縮短與當(dāng)今世界先進(jìn)機(jī)械加工水平的差距，提高公司的機(jī)械加工能力，從西班牙ZAYER公司引進(jìn)了一臺型號為KPU3000的五坐標(biāo)加工中心。為了盡早使它進(jìn)入正常應(yīng)用階段，發(fā)揮它的效益，必須盡快解決CATIA五軸NC后置處理軟件開發(fā)這個關(guān)鍵問題。由

2、于公司沒有購置CATIA軟件通用后置處理模塊，我們專門成立了CATIA五軸NC后置處理軟件攻關(guān)小組。經(jīng)過努力，成功地利用C語言開發(fā)出了針對KPU3000數(shù)控機(jī)床的五坐標(biāo)NC后置處理軟件，為公司以后引進(jìn)更多的五軸，甚至六軸數(shù)控加工中心打下了良好的基礎(chǔ)。下面簡要介紹一下該軟件的開發(fā)思路和方法。二、NC后置處理軟件的4種編制方式根據(jù)我們了解，NC后置處理軟件的編制一般有以下4種方式：(1)利用高級語言將刀位記錄轉(zhuǎn)換成數(shù)控指令代碼，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是靈活性高，缺點(diǎn)是工作量大，程序編制困難。(2)軟件商提供一個交互式后處理書寫器(PostWriter),用來確定一些具體參數(shù)，用戶回答后，就形成了針對具體機(jī)

3、床的后處理軟件。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是簡單方便，缺點(diǎn)是形成的數(shù)控文件靈活性差，難以令用戶隨心所欲。(3)軟件廠家為各種控制系統(tǒng)和不同布局的機(jī)床編制專用后處理程序，優(yōu)點(diǎn)是無需用戶自己開發(fā)，缺點(diǎn)是購新機(jī)床時，需補(bǔ)充訂購該機(jī)床的專用后處理程序。軟件廠家提供一個軟件編制工具包，它提供一套語法規(guī)則，由用戶編制針對具體機(jī)床的專用后處理程序，特點(diǎn)是既靈活又簡便，不過用戶需要額外掌握一種語言，一般提供一個通用的Post軟件包，做后置處理操作時，Post負(fù)責(zé)調(diào)入機(jī)床文件及刀位文件，并根據(jù)刀位文件語句，由Post去調(diào)用機(jī)床文件中相應(yīng)的宏(子程序),該宏將刀位記錄轉(zhuǎn)換成相應(yīng)機(jī)床的指令格式并進(jìn)行必要的計(jì)算。我們主要是采用第

4、一種開發(fā)方法，即自己利用C語言開發(fā)CATIA軟件專用的NC后置處理軟件。三、刀位軌跡與機(jī)床坐標(biāo)、回轉(zhuǎn)角度的關(guān)系用數(shù)控軟件進(jìn)行編程時，按規(guī)定均視工件不同由刀具運(yùn)動來完成加工動作，這樣可得到一個不針對具體機(jī)床的中性刀位文件。實(shí)際上，機(jī)床運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)方式各異，有的運(yùn)動由工作臺實(shí)現(xiàn)，有的則由刀具運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)。在三個直線坐標(biāo)（X、Y、Z）運(yùn)動情況下，編程員一般不用關(guān)心是工作臺運(yùn)動，還是刀具運(yùn)動，因?yàn)闄C(jī)床廠家均按國際標(biāo)準(zhǔn)（右手規(guī)則）來定義機(jī)床的坐標(biāo)系及其運(yùn)動方向。在有回轉(zhuǎn)坐標(biāo)的情況下，情況要復(fù)雜得多：有刀具擺動的，有工作臺回轉(zhuǎn)的，有采用直角銃頭的，還有立臥主軸交替加工的等等，這就要求后處理程序針對不同情形進(jìn)行

5、不同的計(jì)算。在多軸加工時，數(shù)控軟件生成的刀位文件中既包含刀具刀尖點(diǎn)的坐標(biāo)值（X、Y、Z）,也包含刀軸方位的方向矢量（dx、dy、dz）,這時后置處理程序需要將刀位文件中刀位軌跡坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)床坐標(biāo)及相應(yīng)的回轉(zhuǎn)角度。四、五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)角計(jì)算Table/Table:兩個回轉(zhuǎn)軸均為工作臺，第四軸轉(zhuǎn)動會影響第5軸的方位；(2)Table/Head:一個轉(zhuǎn)軸為工作臺，另一個為主軸頭，兩者互為獨(dú)立；(3)Head/Head:兩個回轉(zhuǎn)軸均為主軸頭，第4軸轉(zhuǎn)動會影響第5軸的方位。對于前兩種情況，一般是選擇兩個互相垂直的坐標(biāo)軸作為回轉(zhuǎn)軸，兩個回轉(zhuǎn)角的計(jì)算及后處理中的坐標(biāo)變換較為簡單。KPU3000五坐標(biāo)數(shù)控加

6、工中心是屬于第3種情況，也就是兩個回轉(zhuǎn)軸均為主軸，具體情況如圖1所示。B角的回轉(zhuǎn)范圍是：-100°+100°C角的回轉(zhuǎn)范圍是：-1851+185°。圖1KPU3000五坐標(biāo)數(shù)控加工中心主軸及轉(zhuǎn)角五、軟件編制思路1 .機(jī)床擺角算法分析為了正確實(shí)現(xiàn)NC后置處理程序的轉(zhuǎn)換，必須了解B、C角的正負(fù)方向。KPU3000數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系及其運(yùn)動方向符合國際標(biāo)準(zhǔn)(右手規(guī)則)。根據(jù)右手規(guī)則，利用三角函數(shù)的算法，我們就可以根據(jù)各個刀具刀尖點(diǎn)的方向矢量所指向的象限來確定該點(diǎn)的B、C轉(zhuǎn)角了。還要注意的是，當(dāng)方向矢量指向坐標(biāo)軸時，要對B、C角特別處理。根據(jù)分析，KPU3000五軸數(shù)控機(jī)床

7、任何一個點(diǎn)的坐標(biāo)都不是唯一的，任意一點(diǎn)的B角都可以取正值，也可以取負(fù)值。為了防止B角發(fā)生跳變，我們在程序的開始就給用戶一個選擇。在一個NC后置處理過程中，B角在正與負(fù)之間只能選擇一種，下面的算法也是基于這個條件之上的。2 .擺角B取正值的情況擺角B取正值的情況如圖2所示。圖2擺角B取正值(1)C角的計(jì)算方法首先根據(jù)當(dāng)前刀軸方位的方向矢量情況，確定要處理的刀具刀尖點(diǎn)處在哪個象限，同時根據(jù)前一個被處理刀具刀尖點(diǎn)所處的象限不同，確定不同的C角的算法。1)當(dāng)dx>0且dy>0時，表示當(dāng)前被處理刀具刀尖點(diǎn)位于第一象限，止匕時C角的算法為：c=asin(dy/sqrt(dy*dy+dx*dx)

8、/3.1415926*180;2)當(dāng)dx<0且dy>0,表示當(dāng)前被處理刀具刀尖點(diǎn)位于第二象限，此時C角的算法要分兩種情況：根據(jù)前一個被處理刀具刀尖點(diǎn)所處的象限不同而采取兩種不同的算法。當(dāng)前一個刀具刀尖點(diǎn)在第一或第二象限，即前一個點(diǎn)的C擺角為正時，C角的算法為：c=180-asin(dy/sqrt(dy*dy+dx*dx)/3.1415926*180;當(dāng)前一個刀具刀尖點(diǎn)在第三或第四象限，即前一個點(diǎn)的C擺角為負(fù)時，先計(jì)算C角：c=asin(dy/sqrt(dy*dy+dx*dx)/3.1415926*180,然后判斷C角的情況：如果c>5,則表示C角超出了機(jī)床的最大轉(zhuǎn)角范圍，程序

9、終止退出；如果c<5或c=5,則c=-180-c;3)當(dāng)dx<0且dy<0,表示當(dāng)前被處理刀具刀尖點(diǎn)位于第三象限，此時C角的算法要分兩種情況：根據(jù)前一個被處理刀具刀尖點(diǎn)所處的象限不同而采取兩種不同的算法。當(dāng)前一個點(diǎn)在第三或第四象限時，即前一個點(diǎn)的C擺角角為負(fù)值或0時，C角的算法為：c=-(180-asin(-dy/sqrt(dy*dy+dx*dx)/3.1415926*180);當(dāng)前一個點(diǎn)在第一或第二象限時，即前一個點(diǎn)的C角為正值時，先計(jì)算C角：c=asin(-dy/sqrt(dy*dy+dx*dx)/3.1415926*180,然后判斷C角的情況：如果c>5,則表示C

10、角超出了機(jī)床的最大轉(zhuǎn)角范圍，程序終止退出；如果c<5或c=5,則c=180+c;4)當(dāng)dx>0且dy<0,表示當(dāng)前被處理刀具刀尖點(diǎn)位于第四象限，止匕時c角的算法為：c=-asin(-dy/sqrt(dx*dx+dy*dy)/3.1415926*180;5)如果dx=0且dy=0,則C角保持不變；6)如果dx>=0且dy=0,則c=0;7)如果dx=0且dy>0,則c=90;8)如果dx<0且dy=0,分兩種情況：如果上一個刀具刀尖點(diǎn)位于第一或第二象限，則c=180;如果上一個刀具刀尖點(diǎn)在第三或第四象限，則c=-180;9)如果dx=0且dy<0,貝Uc

11、=-90;(2)B角的計(jì)算方法根據(jù)被處理刀軸方位的方向矢量的不同，B角的算法分為以下三種情況：1)如果dz>0,表示B角在090°之間，B角的算法為：b=acos(dz/sqrt(dz*dz+dy*dy+dx*dx)/3.1415926*180;2)如果dz=0且(dx!=0|dy!=0),貝UB角為90;3)如果dz<0,表示B角的值超過了90°,此時，首先計(jì)算b=asin(-dz/sqrt(dz*dz+dy*dy+dx*dx)/3.1415926*180,然后判斷：如果b>10,表示B角的值超過了機(jī)床的極限值100°,則程序終止退出，否則，b

12、=90+b。3.擺角B取負(fù)值的情況二、1)C角的計(jì)算方法首先根據(jù)當(dāng)前刀軸方位的方向矢量情況，確定要處理的刀具刀尖點(diǎn)處在哪個象限，同時根據(jù)前一個被處理刀具刀尖點(diǎn)所處的象限不同，確定不同的C角的算法。1)當(dāng)dx>0且dy>0時，表示當(dāng)前被處理刀具刀尖點(diǎn)位于第一象限，此時C角的算法要分兩種情況，根據(jù)前一個被處理刀具刀尖點(diǎn)所處的象限不同而采取兩種不同的算法。當(dāng)前一個點(diǎn)位于第一或第二象限，即前一個點(diǎn)的C角為負(fù)值或0時，C角的算法為：c=-(180-asin(dy/sqrt(dy*dy+dx*dx)/3.1415926*180;當(dāng)前一個點(diǎn)在第三或第四象限，即前一個點(diǎn)的C角為正值時，先計(jì)算C角：

13、c=asin(dy/sqrt(dy*dy+dx*dx)/3.1415926*180,然后根據(jù)c的值來判斷，如果c>5,表明C角超出了機(jī)床的最大轉(zhuǎn)角范圍，程序終止退出；如果c<5或c=5,則c=180+c;2)當(dāng)dx<0且dy>0,表示當(dāng)前被處理刀具刀尖點(diǎn)位于第二象限，則C角的算法為：c=-asin(dy/sqrt(dy*dy+dx*dx)/3.1415926*180;3)當(dāng)dx<0且dy<0,表示當(dāng)前被處理刀具刀尖點(diǎn)位于第三象限，則C角的算法為：c=asin(-dy/sqrt(dy*dy+dx*dx)/3.1415926*180;4)當(dāng)dx>0且dy&

14、lt;0,表示當(dāng)前被處理刀具刀尖點(diǎn)位于第四象限，此時要根據(jù)前一個被處理刀具刀尖點(diǎn)的位置不同而采取不同的算法：如果前一個刀具刀尖點(diǎn)在第三或第四象限，即前一個刀具刀尖點(diǎn)的C角為正值時，C角的算法為：c=180-asin(-dy/sqrt(dy*dy+dx*dx)/3.1415926*180;如果前一個刀具刀尖點(diǎn)在第一或第二象限，即前一個刀具刀尖點(diǎn)的C角為負(fù)值，先計(jì)算C角：c=asin(-dy/sqrt(dy*dy+dx*dx)/3.1415926*180,在判斷C的情況：如果c>5,則表示C角超出了機(jī)床的最大轉(zhuǎn)角范圍，程序終止退出；否則如果c<5或c=5,則c=-180-c;5)如果d

15、x=0且dy=0,則C角保持不變；6)如果dx>=0且dy=0,要根據(jù)上一個刀具刀尖點(diǎn)的情況來決定C角的算法，如果上一個點(diǎn)在第三或第四象限，則c=180;如果上一個點(diǎn)在第一或第二象限，則c=-180;7)如果dx=0且dy>0,貝Uc=-90;8)如果dx<0且dy=0,貝Uc=0;9)如果dx=0且dy<0,貝Uc=-90。(2)B角的計(jì)算方法根據(jù)被處理刀具刀尖點(diǎn)的法矢量的不同，B角的算法分為以下三種情況：1)如果dz>0,表示B角在-90°0之間，B角的算法為:b=-acos(dz/sqrt(dz*dz+dy*dy+dx*dx)/3.1415926*

16、1802)如果dz=0且(dx!=0|dy!=0),貝Ub=-90;3)如果dz<0,表示B角的值超過了-90°,首先計(jì)算：b=asin(-dz/sqrt(dz*dz+dy*dy+dx*dx)/3.1415926*180,然后判斷b的情況：如果b>10,表示B角超過了機(jī)床的極限值100°,程序終止退出，否則，b=-90-bo3.關(guān)于算法的幾點(diǎn)說明在編制帶B和C擺角的NC后置處理軟件時，需要特別要注意的是：擺角B取正值或取負(fù)值將會影響C角度的算法。當(dāng)B角取正值時，C擺角從正X軸的位置開始算起；當(dāng)B角取負(fù)值時，C擺角從負(fù)X軸的位置開始計(jì)算，而且B角的符號取值不同，也會影響C角的正負(fù)符號。具體可參照上述算法，否則計(jì)算出的B角和C角也將是錯誤的，這點(diǎn)要特別小心處理。4.五軸NC后置處軟件的簡單程序示意圖我