尹冠群， 周 吉， 程 松

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海200070）

隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，五軸和高速加工必將成為主流。后置處理是數(shù)控加工中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，主要任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）／計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）軟件生成的加工刀位語(yǔ)言格式文件APT轉(zhuǎn)換成特定機(jī)床可接受的數(shù)控代碼文件（NC）[1]7。CAM 部分主要都由5個(gè)基本模塊組成：交互工藝參數(shù)輸入模塊、刀位軌跡計(jì)算模塊、刀位軌跡編輯模塊、三維加工動(dòng)態(tài)仿真模塊和后置處理（Post Processing）模塊，其中后置處理模塊是CAD／CAM系統(tǒng)的一個(gè)重要部分。五軸后處理的目的就是把CAM生成的點(diǎn)坐標(biāo)及刀軸矢量轉(zhuǎn)換為機(jī)床坐標(biāo)系的X，Y，Z，A，C這5個(gè)軸坐標(biāo)。后置處理的過(guò)程實(shí)際上是一種解釋執(zhí)行，即讀出刀位文件中的一個(gè)完整記錄，然后分析該記錄，根據(jù)記錄類型確定是進(jìn)行坐標(biāo)變換還是進(jìn)行文件代碼轉(zhuǎn)換，前一種變化在五軸加工中很常用。后置程序是將這些性能和特色反映到CAM系統(tǒng)的工具。從信息技術(shù)的角度來(lái)看，后置程序確實(shí)對(duì)CAM系統(tǒng)輸出的刀具軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。存在的問(wèn)題是：沒有根據(jù)五軸加工機(jī)床的特點(diǎn)進(jìn)行必要的二次開發(fā)，由此生成的代碼還需要人工做大量的修改，嚴(yán)重影響了CAM模塊的應(yīng)用效果。

目前，后置處理技術(shù)的發(fā)展方向[2]：① 面向通用化；② 面向高速加工；③ 校核與處理非線性運(yùn)動(dòng)誤差；④ 發(fā)展到基于制造特征進(jìn)行編程的STEPNC數(shù)據(jù)模型，要求計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床（Computer Numerical Control，CNC）系統(tǒng)直接使用符合產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP）的CAD三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型（包括幾何數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)和制造特征），加上工藝的信息和刀具信息，直接產(chǎn)生加工程序來(lái)控制機(jī)床。

尋求更加高效、易于理解和操作、描述性更強(qiáng)的后置處理程序是五軸數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展的重要因素。后置處理最重要的是良好的適應(yīng)性，當(dāng)前的高水平智能數(shù)控系統(tǒng)擁有很多自動(dòng)化的子程序，都能被模板調(diào)用。這使數(shù)控程序簡(jiǎn)短易懂、易于快速仿真驗(yàn)證、高效運(yùn)行。模板還可幫助程序員跟蹤檢查G代碼和M代碼的調(diào)用情況。后置處理的任務(wù)主要有機(jī)床運(yùn)動(dòng)變換、非線性運(yùn)動(dòng)誤差校驗(yàn)、進(jìn)給速度校驗(yàn)、數(shù)控加工程序生成等。不同的數(shù)控機(jī)床或加工中心，對(duì)于相同的加工，其代碼格式也各不相同，要求CAM軟件能夠提供不同機(jī)床的后置處理[2－3]。

1 軟件簡(jiǎn)介

1.1 Cimatron后置處理功能

自從Cimatron（思美創(chuàng)）公司1982年創(chuàng)建以來(lái)，Cimatron中的后置處理器在處理編程后置方面已經(jīng)有了20多年歷史，在CAM中得到了廣泛的應(yīng)用，它的作用是將編程信息轉(zhuǎn)化成適合機(jī)床的程序代碼。其界面簡(jiǎn)潔，易于理解，功能強(qiáng)大，使用也方便。

Cimatron系統(tǒng)提供了后置處理程序可選用通用處理器二代（General Purpose Processor 2，GPP2）和IMSPost（美國(guó)IMS公司為廣大用戶提供的基于宏匯編的后處理程序編輯器）兩種后置處理方式，生成數(shù)控機(jī)床可識(shí)別加工的程序代碼文件。GPP2具有豐富的定制功能，能生成任意形式的后置處理文件，從而可更好地提供支持高速加工、多軸加工的后置處理，用戶需要的后處理程序都可以通過(guò)執(zhí)行GPP2后生成。后置處理的主要內(nèi)容是定義編程方式、數(shù)據(jù)格式、機(jī)床配置代碼、機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù)、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和固定循環(huán)等[4]。

利用IMSPost后處理可以非常方便地對(duì)相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。IMSPost提供了如Fanuc（發(fā)那科）、Siemens（西門子）、Deckel Maho（吉特邁）、Heidenhain（海德漢）、Centurion（森特恩）等數(shù)控系統(tǒng)的后置處理程序，同時(shí)充分利用其提供的宏程序功能，可根據(jù)需要定制自己的數(shù)控系統(tǒng)。用戶宏程序由一些變量和控制語(yǔ)句語(yǔ)法組成，可以完成用戶需求和特定數(shù)控系統(tǒng)的功能。Cimatron系統(tǒng)的IMSPost后置處理工作模式可表述如下。

（1）可以讓用戶建造自己的機(jī)床（主要應(yīng)用于多軸機(jī)床的后置處理）。用數(shù)字參數(shù)來(lái)控制機(jī)床的構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)自由度，并以空間造型和對(duì)話框的形式顯示，同時(shí)將機(jī)床各組件的裝配結(jié)構(gòu)用樹狀列表，方便使用人員填寫和修改。在填寫各組件的運(yùn)動(dòng)形式、行程等后，就可以在短時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)機(jī)床的定義。用戶還可以讓建立的機(jī)床進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)，以檢查結(jié)果的正確性。

（2）可以定義符合機(jī)床的程序代碼，如程序的開頭和結(jié)尾的形式、直線或圓弧運(yùn)動(dòng)等。

（3）可定義控制器。用來(lái)定義各個(gè)代碼的數(shù)值形式及順序等。IMSPost簡(jiǎn)單易懂，每種命令都以圖片或?qū)υ捒虻男问斤@示出來(lái)，讓編程人員上手容易，方便學(xué)習(xí)和程序代碼的定制。IMSPost不僅使對(duì)通用數(shù)控機(jī)床后置程序的編寫更容易，而且由于可以把機(jī)床和程序代碼聯(lián)系起來(lái)，使得它能處理任何特殊的機(jī)床和代碼。

（4）具有代碼優(yōu)化的功能。用戶可以指定優(yōu)化精度，后置處理器則在精度范圍內(nèi)把G代碼用更精練的直線差補(bǔ)或用圓弧差補(bǔ)替代大量的短直線差補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，從而減少數(shù)據(jù)傳輸量，提高加工質(zhì)量。

1.2 UG后置處理功能

UG軟件是Siemens PLM Software公司的軟件，它提供了自己特有的后置處理工具圖形后處理模塊（Graphics Postprocessor Module，GPM），用戶通過(guò)運(yùn)行一個(gè)生成數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件的交互式對(duì)話程序，依次回答其中的問(wèn)題，便能生成一個(gè)所需數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件（Machine Data File，MDF）。通用后置處理程序不能直接控制數(shù)控機(jī)床，用戶必須進(jìn)行適當(dāng)修改，另外，UG后置處理不能適應(yīng)不同數(shù)控系統(tǒng)的多坐標(biāo)數(shù)控加工。專用后置處理程序的開發(fā)必須在充分掌握數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)信息、控制系統(tǒng)和機(jī)床編程規(guī)則等方面的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行[1]6。UG Post Builder（UG 后置處理器）提供了開放式的后置處理自定義功能，采取問(wèn)答的方式幫助用戶定義特殊的后置處理功能，使用戶能非常方便地完成復(fù)雜的后置處理自定義過(guò)程[5]。

DMU70 V型五軸數(shù)控機(jī)床，垂直軸是Y軸，旋轉(zhuǎn)軸是A軸和B軸，數(shù)控系統(tǒng)為Siemens。本文針對(duì)DMU70 V型五軸數(shù)控機(jī)床，利用CAD／CAM進(jìn)行零件的五軸加工后置處理，將理論設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)中有著重要的作用。

2 5坐標(biāo)后置處理數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

圖1和圖2分別為五軸加工中心刀軸矢量轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系和幾何關(guān)系圖。通過(guò)矩陣代數(shù)的旋轉(zhuǎn)變換，三維旋轉(zhuǎn)變換指空間立體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度θ（分別為A，B，C）。θ的正負(fù)按右手法則確定：右手大拇指指向旋轉(zhuǎn)軸的正向，其余4個(gè)手指的指向即為θ 的正向[6]。

圖1 五軸加工刀軸矢量轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系

圖2 五軸加工中心刀軸矢量轉(zhuǎn)動(dòng)幾何關(guān)系圖

（1）繞X軸旋轉(zhuǎn)A角

3 后置處理構(gòu)建及處理

在通用三軸后置處理器的基礎(chǔ)上，將角度計(jì)算和新刀位點(diǎn)的計(jì)算通過(guò)Cimatron和UG的后置處理程序加入到通用三軸后置處理器中，快速開發(fā)了該機(jī)床的五軸專用后置處理器，并開啟第4軸B和第5軸C角度的輸出。

3.1 Cimatron IMSPost后置處理

Cimatron所有工步的刀具軌跡生成后，通過(guò)專用的后置處理程序，轉(zhuǎn)為機(jī)床的加工代碼，能對(duì)未加工區(qū)域自動(dòng)識(shí)別和清根處理。

Cimatron系統(tǒng)采用了IMSPost。IMSPost是基于宏匯編的后處理程序編輯器，可支持各種CAD／CAM軟件生成的刀位文件的后置處理，并提供了多種后置處理文件庫(kù)，可支持更廣泛的數(shù)控機(jī)床。同時(shí)，它也提供了豐富的定制功能，可生成任意形式的后置處理文件，從而更好地提供支持高速加工、多軸加工的后置處理。在IMSPost對(duì)話框中選擇相應(yīng)的控制器、機(jī)床類型，設(shè)定相關(guān)參數(shù)的值，定義輸出文件的格式、輸出文件的位置，對(duì)刀位數(shù)據(jù)進(jìn)行后置處理。用戶可以根據(jù)自己的需要，通過(guò)修改事件解釋器文件和定義文件，定制自己的后置處理器。IMSPost后置處理的流程圖如圖3所示。

圖3 IMSPost后置處理流程圖

采用雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，Cimatron后置處理使用IMSPost后置編譯器。后置處理構(gòu)建方法：新建→選擇Siemens849.lib→Input（輸入）和Output（輸出）選擇 Metric（材料）→機(jī)床類型選擇5－axis C on B（五軸，C軸在B 軸之上）→根據(jù)機(jī)床實(shí)際情況設(shè)置各軸的正負(fù)限位→Referencel Z（Z向參考）設(shè)置值為B軸旋轉(zhuǎn)中心到工件原點(diǎn)的值，后面的設(shè)置都采用默認(rèn)設(shè)置。

采用Cimatron軟件編制后置處理程序文件的關(guān)鍵在于：CAM加工坐標(biāo)系與數(shù)控機(jī)床的實(shí)踐加工坐標(biāo)系要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，同時(shí)，在CAM坐標(biāo)系中相當(dāng)于機(jī)床程序的回轉(zhuǎn)體的直徑坐標(biāo)值要進(jìn)行關(guān)系運(yùn)算。新編譯的后置處理文件（＊.EXF）在Cimatron上調(diào)試編譯通過(guò)（生成＊.DEX）后，刀路文件通過(guò)該文件進(jìn)行處理即產(chǎn)生適合機(jī)床加工的數(shù)控銑削程序。

3.2 UG Post Builder后置處理

UG后置處理器的原理如圖4所示。其后置處理程序制作的關(guān)鍵是按照機(jī)床結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)規(guī)則定制機(jī)床數(shù)據(jù)文件：＊.tcl（事件處理文件），＊.def（事件定義文件），＊.pui（后處理用戶界面文件）。其中，pui文件用于利用圖形化 UG Post Builder構(gòu)造器，在其構(gòu)件后置處理器，方便用戶操作[7]。UG Post Builder進(jìn)行后置處理的過(guò)程為：由事件生成器讀取刀具軌跡信息，并將刀具軌跡信息整理成事件和變量后傳遞到加工輸出管理器進(jìn)行處理，加工輸出管理器把帶有相關(guān)數(shù)據(jù)信息的事件傳遞到事件管理器（＊.tcl），處理結(jié)果再返回到加工輸出管理器，由加工輸出管理器根據(jù)＊.def來(lái)決定加工程序的輸出格式，并輸出加工程序，直到結(jié)束。

圖4 UG Post Builder后置處理原理

UG后置處理程序開發(fā)包括：設(shè)定機(jī)床參數(shù)，程序和刀軌參數(shù)設(shè)置，Custom Command子參數(shù)設(shè)置和5坐標(biāo)后置處理器與UG集成。UG后置處理必須具備兩個(gè)要素：刀具軌跡數(shù)據(jù)和后置處理器。刀具軌跡數(shù)據(jù)在UG CAM中自動(dòng)生成，UG后置處理器由事件管理器和事件定義文件構(gòu)成。UG Post Builder提供一系列事件解釋器和定義文件的模板，可用于其他數(shù)控機(jī)床，事件解釋器是用TCL語(yǔ)言編寫的，定義文件主要包括3種信息：Format（格式）、Address（地址）和程序段模板BLOCK＿TEMOLATE。其中，Address為控制機(jī)床的變量，F(xiàn)ormat為地址的數(shù)據(jù)格式，BLOCK＿TEMOLATE為一系列描述地址如何組合的宏模板。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 IMSPost加工步驟

使用IMSPost后置處理程序來(lái)生成數(shù)字化控制（Numerical Control，NC）加工程序的具體步驟如下：

（1）選擇刀具路徑，即高亮選擇 WCUT＝1（自定義程序名）程序，并通過(guò)檢視刀具路徑，確認(rèn)程序正確。

（2）單擊后置處理POST程序，即選擇POST選項(xiàng)，單擊中鍵進(jìn)入后處理操作。

（3）確認(rèn)開始后處理，即單擊YES確認(rèn)后處理。

（4）選擇后處理方式。

（5）確認(rèn)原點(diǎn)，即按默認(rèn)值，X＝0，Y＝0，Z＝0。

（6）設(shè)置后處理參數(shù)，即設(shè)置程序號(hào)、刀補(bǔ)號(hào)、換刀程序、子程序使用、程行編號(hào)等參數(shù)。

（7）在后置處理對(duì)話框中輸入刀位數(shù)據(jù)文件名和輸出的NC程序文件名。

（8）選擇GO，生成該工序數(shù)控加工程序，完成后處理，系統(tǒng)將產(chǎn)生一個(gè)后綴名為.NC的文本文件。

（9）檢視NC程序文件，使用記事本或?qū)懽职宓任谋揪庉嬡浖蜷_后處理產(chǎn)生的文件，可以對(duì)程序進(jìn)行檢查，并作局部的修改。如將程序頭部分更換成符合機(jī)床控制器標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)句，或者按照企業(yè)中的規(guī)范對(duì)程序頭進(jìn)行部分調(diào)整。

4.2 使用UG Post Builder后置處理程序步驟

（1）設(shè)置機(jī)床參數(shù)。配備Siemens數(shù)控系統(tǒng)，一般參數(shù)General Parameters、第4軸Fourth Axis、第5軸Fifth Axis窗口編輯設(shè)置圓弧刀軌輸出、直線軸行程極限、機(jī)床零點(diǎn)、直線插補(bǔ)最小分辨率、機(jī)床快速移動(dòng)速度、初始軸坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)軸等相關(guān)機(jī)床參數(shù)。

（2）設(shè)置程序和刀桿參數(shù)。在程序和刀桿（Program ＆Tool path）窗口中定義、修改和用戶化所有機(jī)床動(dòng)作事件的處理方式。

（3）NC數(shù)據(jù)格式設(shè)置。在NC數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置（NC Data Definitions）窗口中，定義NC數(shù)據(jù)格式、使用的G和M字地址以及使用的FORMAT格式。完成上述設(shè)置后，生成定義文件.def、事件處理文件.tcl和參數(shù)文件.pui。

由IMSPost和Post Builder兩者后置處理器輸出的NC數(shù)控加工程序應(yīng)用于DMU70V五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，驗(yàn)證了兩者后置處理程序的正確性。加工過(guò)程中沒有運(yùn)動(dòng)干涉，加工的零件經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)后其尺寸精度等滿足工程要求。如圖5所示為刀位處理圖。

圖5 曲面工件刀位處理

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的后置處理問(wèn)題進(jìn)行研究，分別采用Cimatrion IMSPost和UG Post Builder兩種后置處理器。通過(guò)在DMU70V型五軸數(shù)控機(jī)床銑削，實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)了兩者在加工刀路處理方面不同的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于五軸加工機(jī)床，此兩種后置處理器能夠進(jìn)行資源整合，可以達(dá)到最恰當(dāng)?shù)氖褂煤吞幚斫Y(jié)果。

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