吳玉厚，劉 巖，陸 峰，肖 楠，趙德宏，姚和川

（1.沈陽建筑大學 交通與機械工程學院，沈陽 110168；2.大連理工大學 機械工程學院，大連 116024；3.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110168）

0 引言

后置處理是連接計算機輔助制造（CAM）與數(shù)字化加工制造的紐帶，尤其是在自動化編程技術在多軸加工中的應用日趨廣泛的今天，后置處理更是成為數(shù)字化制造過程中不可或缺的重要組成部分，如果搭建的不好，不僅會影響加工質(zhì)量和效率，還會引發(fā)重大生產(chǎn)事故；由于自動化編程所生成的加工刀具路徑是不能被數(shù)控機床所識別的，需要將刀位文件中的刀心坐標和刀軸矢量等信息利用適合特定機床的后置處理算法及程序進行轉(zhuǎn)換，使其能夠生成被特定機床所能識別的數(shù)控加工程序，這種刀位信息的處理過程就是我們通常所說的后置處理；除了對刀位文件中的刀心坐標和刀軸矢量進行特定轉(zhuǎn)換，優(yōu)秀的后置處理程序還應該使加工設備的功能優(yōu)勢得到最大的發(fā)揮，減少現(xiàn)場操作時間（最好生成的數(shù)控程序能直接輸入數(shù)控系統(tǒng)中進行零件的加工而不需要任何輔助性操作），提高加工質(zhì)量和效率等特點，例如：空間位置與誤差補償，刀具長度補償，運動性能的平穩(wěn)性與可靠性以及能夠針對不同來源的刀位文件進行處理等功能。

針對通用結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床，利用通用后置處理軟件可以進行搭建，但是隨著數(shù)控加工裝備的結(jié)構(gòu)復雜化、運動形式多樣化、多功能復合集成化等趨勢，針對類似的專用化數(shù)控機床，其后置處理程序還是需要進行專門的定制，商用CAM通用后置處理有時是無能為力的。

本文主要是針對自主研發(fā)的HTM50200異型石材多功能數(shù)控車銑復合加工中心的專用后置處理算法及其程序進行研究，并利用此專用后置處理對三維雕塑（彌勒佛）的刀位文件進行處理，對其處理結(jié)果進行仿真和加工，通過對理論模型與實際模型的對比檢測分析，驗證了該后置處理算法及程序的正確性和可行性。

1 HTM50200異型石材車銑加工中心結(jié)構(gòu)特性

HTM50200異型石材車銑加工中心采用動龍門結(jié)構(gòu)，如圖1所示；具有八軸雙五聯(lián)動加工能力，能實現(xiàn)對復雜異型石材制品的加工；根據(jù)加工中心的聯(lián)動軸數(shù)可以將加工中心分為四個模塊，主要包括：三軸加工模塊、四軸加工模塊（立式四軸和臥式四軸）、五軸加工模塊（立式五軸與臥式五軸）以及車削模塊，其中：車削模塊與金屬車削是有區(qū)別的，金屬車削是通過工件以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，刀具固定在刀架上，通過刀架在平面中對工件的外部輪廓進行兩坐標聯(lián)動插補運動，最終將工件的輪廓加工出來；而在異型石材回轉(zhuǎn)體車削中，由于石材的切削工藝與金屬切削工藝的不同，刀具是采用繞刀具軸旋轉(zhuǎn)的金剛石鋸片，而在XOZ平面中對異型石材回轉(zhuǎn)件的輪廓進行兩坐標插補運動時，刀具與工件分別以一定的轉(zhuǎn)速進行相對轉(zhuǎn)動（其中，工件轉(zhuǎn)速/刀具轉(zhuǎn)速<1，且因石材材質(zhì)不同，工件與刀具的轉(zhuǎn)速比也不一樣）來實現(xiàn)對石材制件的加工，各功能模塊的組成，如圖2所示。

圖1 HTM50200異型石材數(shù)控加工中心結(jié)構(gòu)

圖2 HTM50200各功能模塊組成

2 HTM50200專用后置處理算法

本文以五軸加工模塊中的臥式五軸為例，給出HTM50200臥式五軸加工模塊專用后置處理算法；通過對復雜石材制品利用CAD/CAM軟件進行五軸加工路徑編程，生成刀位文件并對刀位文件中所包含的位置坐標和刀軸矢量坐標按照特定的算法進行坐標信息轉(zhuǎn)化；根據(jù)臥式五軸加工模塊的結(jié)構(gòu)和運動特性，工件坐標系、刀具坐標系與機床坐標系的各個坐標軸是平行的，設工件坐標系原點Ow在機床坐標系中的位置坐標設為（xm, ym,zm），擺長為L，刀具偏置為Toset，工件坐標系中任意位置坐標為），刀軸矢量為），求解工件坐標系中的刀尖點坐標在刀具繞刀心點旋轉(zhuǎn)角度B，工件繞C軸旋轉(zhuǎn)角度C之后的刀心點在機床坐標系中的坐標），其中的值根據(jù)加工中心各功能模塊的實際裝配情況進行確定。

2.1 旋轉(zhuǎn)角度的計算

圖3 旋轉(zhuǎn)角度計算示意圖

圖4 旋轉(zhuǎn)角度計算空間位置規(guī)定

算法實現(xiàn)過程：假如刀軸矢量處于第二象限中，且刀具路徑的初始旋轉(zhuǎn)方向為順時針（實際臥式工作臺旋轉(zhuǎn)方向為逆時針），即：ΔC＜0，規(guī)定處于第二象限中的初始刀軸矢量轉(zhuǎn)換成機床角度坐標為負值；路徑繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)，當路徑旋轉(zhuǎn)到第一象限時，對刀具路徑進行標記，標記的主要目的是當?shù)遁S矢量處于第一象限時，如果其再次旋轉(zhuǎn)至第二象限，就輸出負值，即：規(guī)定C角輸出值為 - q ，當?shù)遁S矢量處于第三象限時，如果繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至第二象限，則規(guī)定C角輸出正值，其他情況以此類推；

B角的計算如下：

2.2 線性坐標的計算

根據(jù)臥式五軸加工模塊的結(jié)構(gòu)和運動特性，在工件坐標系中的刀心點坐標經(jīng)過臥式工作臺和刀具分別繞其各自的旋轉(zhuǎn)中心（工作臺繞其軸線、刀具繞其刀心點）旋轉(zhuǎn)之后，工件坐標系中任意刀心點在機床坐標系下的機床坐標的轉(zhuǎn)換過程如下。

圖5 線性坐標變換計算

2）在刀具坐標系中，刀具擺動中心繞OtXt旋轉(zhuǎn)B角，坐標變換矩陣為：

3）將刀具擺動中心轉(zhuǎn)換到工件坐標系中刀心點坐標的坐標變換矩陣為：

4）將工件坐標系中的坐標轉(zhuǎn)換到機床坐標系中的坐標變換矩陣為：

根據(jù)矢量關系，得到經(jīng)過工作臺與刀具繞旋轉(zhuǎn)中心進行旋轉(zhuǎn)變換后的機床坐標系中的坐標與工件坐標系中坐標的轉(zhuǎn)換向量關系式為：

對上述表達式進行展開化簡可得實際加工中機床坐標系中的坐標：

3 HTM50200異型石材數(shù)控加工中心后置處理功能及框架結(jié)構(gòu)

HTM50200異型石材數(shù)控加工中心后置處理功能主要包括：1）處理不同來源的CLSF文件功能；2）后置處理參數(shù)設置；3）后置處理算法判斷功能；4）刀長補償功能；5）RTCP功能；6）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能；7）非線性誤差處理校核與處理功能；8）進給速度校核與處理功能；9）數(shù)據(jù)顯示與存儲功能；10）其他功能；其中后置處理判斷功能是根據(jù)刀位信息中刀軸矢量所在象限判斷采用哪一種角度規(guī)劃算法，后置處理參數(shù)設置是根據(jù)加工中心的實際情況進行原點偏置設置，刀具偏置設置，刀具磨損量設置等，目的是為了能夠使處理出來的數(shù)控加工程序在輸入加工中心后不需要進行額外的操作，減少操作員的工作量，提高加工效率，保證加工質(zhì)量；加工中心專用后置處理的框架結(jié)構(gòu)，如圖6所示。后置處理過程采用對刀位文件中的每一段刀位信息進行讀取，然后根據(jù)具體的算法進行坐標轉(zhuǎn)換、標識輔助指令信息處理、格式轉(zhuǎn)換等，直到讀取刀位文件信息結(jié)束，將數(shù)控程序進行顯示并存儲在數(shù)控程序庫中；采用C++面向?qū)ο蟮木幊碳夹g編制HTM50200專用后置處理程序，實現(xiàn)CAD/CAM軟件編寫出來的刀位文件與HTM50200異型石材數(shù)控加工中心及數(shù)控程序之間的無縫連接與轉(zhuǎn)換。

另外，采用面向?qū)ο缶幊碳夹g使得對HTM50200專用后處理程序中的功能完善非常有利，同時，對于具有其他機械結(jié)構(gòu)的機床改變算法就可很好的適應之。

圖6 HTM50200后置處理流程圖

4 HTM50200專用后置處理算法實例驗證

通過使用CAD/CAM軟件對立體雕塑（彌勒佛）進行刀具路徑編程，生成刀位文件（CLSF），并通過上述專用后置處理程序進行處理，獲得適合HTM50200數(shù)控加工中心的數(shù)控程序如表1所示，并通過專用仿真軟件進行計算機虛擬仿真驗證，其仿真結(jié)果滿足理論要求，沒有碰撞和過切等現(xiàn)象發(fā)生，如圖7所示，同時又針對處理出來的數(shù)控加工程序，利用HTM50200異型石材數(shù)控加工中心進行試驗切削，并對理論模型與實際模型進行對比檢測分析如表2所示，得出試驗切削效果與仿真結(jié)果一致，達到了加工的預期目標，加工質(zhì)量良好，如圖8所示。

5 結(jié)論

1）針對HTM50200異型石材數(shù)控加工中心，根據(jù)其各個功能模塊的機械結(jié)構(gòu)及其運動關系，研究其后置處理算法，為后續(xù)的專用后置處理程序的編制作了理論基礎；2）通過對過象限及旋轉(zhuǎn)角度輸出不確定性問題進行研究，提出采用五象限制法對旋轉(zhuǎn)角度進行合理規(guī)劃，解決了旋轉(zhuǎn)角度值的輸出不確定性問題；3）采用C++面向?qū)ο蟮木幊碳夹g，編寫HTM50200異型石材數(shù)控加工中心專用后置處理程序，并利用其對標準的APT刀位文件（CLSF）進行處理，獲得符合HTM50200數(shù)控加工中心控制系統(tǒng)要求的數(shù)控加工程序，通過對NC程序進行計算機虛擬仿真驗證、試驗切削驗證及對理論模型與實際模型的對比檢測分析，結(jié)果表明此后置處理算法是有效可行的，樣件加工質(zhì)量滿足加工要求。

表1 來源于CAD/CAM軟件的CLSF文件與經(jīng)過專用后置處理程序的數(shù)控程序

表2 理論模型與實際模型對比檢測數(shù)據(jù)分析表（部分分析數(shù)據(jù)）

圖7 彌勒佛理論模型與仿真模型

圖8 彌勒佛實際加工樣件

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