異型石材車(chē)銑復(fù)合加工中心專(zhuān)用后置處理算法及程序研究

吳玉厚，劉 巖，陸 峰，肖 楠，趙德宏，姚和川

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168；2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，大連 116024；3.沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，沈陽(yáng) 110168）

0 引言

后置處理是連接計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）與數(shù)字化加工制造的紐帶，尤其是在自動(dòng)化編程技術(shù)在多軸加工中的應(yīng)用日趨廣泛的今天，后置處理更是成為數(shù)字化制造過(guò)程中不可或缺的重要組成部分，如果搭建的不好，不僅會(huì)影響加工質(zhì)量和效率，還會(huì)引發(fā)重大生產(chǎn)事故；由于自動(dòng)化編程所生成的加工刀具路徑是不能被數(shù)控機(jī)床所識(shí)別的，需要將刀位文件中的刀心坐標(biāo)和刀軸矢量等信息利用適合特定機(jī)床的后置處理算法及程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其能夠生成被特定機(jī)床所能識(shí)別的數(shù)控加工程序，這種刀位信息的處理過(guò)程就是我們通常所說(shuō)的后置處理；除了對(duì)刀位文件中的刀心坐標(biāo)和刀軸矢量進(jìn)行特定轉(zhuǎn)換，優(yōu)秀的后置處理程序還應(yīng)該使加工設(shè)備的功能優(yōu)勢(shì)得到最大的發(fā)揮，減少現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)間（最好生成的數(shù)控程序能直接輸入數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)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(diǎn)，例如：空間位置與誤差補(bǔ)償，刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償，運(yùn)動(dòng)性能的平穩(wěn)性與可靠性以及能夠針對(duì)不同來(lái)源的刀位文件進(jìn)行處理等功能。

針對(duì)通用結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床，利用通用后置處理軟件可以進(jìn)行搭建，但是隨著數(shù)控加工裝備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、運(yùn)動(dòng)形式多樣化、多功能復(fù)合集成化等趨勢(shì)，針對(duì)類(lèi)似的專(zhuān)用化數(shù)控機(jī)床，其后置處理程序還是需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的定制，商用CAM通用后置處理有時(shí)是無(wú)能為力的。

本文主要是針對(duì)自主研發(fā)的HTM50200異型石材多功能數(shù)控車(chē)銑復(fù)合加工中心的專(zhuān)用后置處理算法及其程序進(jìn)行研究，并利用此專(zhuān)用后置處理對(duì)三維雕塑（彌勒佛）的刀位文件進(jìn)行處理，對(duì)其處理結(jié)果進(jìn)行仿真和加工，通過(guò)對(duì)理論模型與實(shí)際模型的對(duì)比檢測(cè)分析，驗(yàn)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(chē)銑加工中心結(jié)構(gòu)特性

HTM50200異型石材車(chē)銑加工中心采用動(dòng)龍門(mén)結(jié)構(gòu)，如圖1所示；具有八軸雙五聯(lián)動(dòng)加工能力，能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜異型石材制品的加工；根據(jù)加工中心的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)可以將加工中心分為四個(gè)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(chē)削模塊，其中：車(chē)削模塊與金屬車(chē)削是有區(qū)別的，金屬車(chē)削是通過(guò)工件以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，刀具固定在刀架上，通過(guò)刀架在平面中對(duì)工件的外部輪廓進(jìn)行兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，最終將工件的輪廓加工出來(lái)；而在異型石材回轉(zhuǎn)體車(chē)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(duì)異型石材回轉(zhuǎn)件的輪廓進(jìn)行兩坐標(biāo)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)，刀具與工件分別以一定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)（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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhuān)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(zhuān)用后置處理算法；通過(guò)對(duì)復(fù)雜石材制品利用CAD/CAM軟件進(jìn)行五軸加工路徑編程，生成刀位文件并對(duì)刀位文件中所包含的位置坐標(biāo)和刀軸矢量坐標(biāo)按照特定的算法進(jìn)行坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)化；根據(jù)臥式五軸加工模塊的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性，工件坐標(biāo)系、刀具坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)軸是平行的，設(shè)工件坐標(biāo)系原點(diǎn)Ow在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)設(shè)為（xm, ym,zm），擺長(zhǎng)為L(zhǎng)，刀具偏置為T(mén)oset，工件坐標(biāo)系中任意位置坐標(biāo)為），刀軸矢量為），求解工件坐標(biāo)系中的刀尖點(diǎn)坐標(biāo)在刀具繞刀心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度B，工件繞C軸旋轉(zhuǎn)角度C之后的刀心點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)），其中的值根據(jù)加工中心各功能模塊的實(shí)際裝配情況進(jìn)行確定。

2.1 旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算

圖3 旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算示意圖

圖4 旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算空間位置規(guī)定

算法實(shí)現(xiàn)過(guò)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?yàn)轫槙r(shí)針（實(shí)際臥式工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)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(jī)床角度坐標(biāo)為負(fù)值；路徑繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)路徑旋轉(zhuǎn)到第一象限時(shí)，對(duì)刀具路徑進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記的主要目的是當(dāng)?shù)遁S矢量處于第一象限時(shí)，如果其再次旋轉(zhuǎn)至第二象限，就輸出負(fù)值，即：規(guī)定C角輸出值為 - q ，當(dāng)?shù)遁S矢量處于第三象限時(shí)，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(lèi)推；

B角的計(jì)算如下：

2.2 線(xiàn)性坐標(biāo)的計(jì)算

根據(jù)臥式五軸加工模塊的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性，在工件坐標(biāo)系中的刀心點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過(guò)臥式工作臺(tái)和刀具分別繞其各自的旋轉(zhuǎn)中心（工作臺(tái)繞其軸線(xiàn)、刀具繞其刀心點(diǎn)）旋轉(zhuǎn)之后，工件坐標(biāo)系中任意刀心點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系下的機(jī)床坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換過(guò)程如下。

圖5 線(xiàn)性坐標(biāo)變換計(jì)算

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

3）將刀具擺動(dòng)中心轉(zhuǎn)換到工件坐標(biāo)系中刀心點(diǎn)坐標(biāo)的坐標(biāo)變換矩陣為：

4）將工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)變換矩陣為：

根據(jù)矢量關(guān)系，得到經(jīng)過(guò)工作臺(tái)與刀具繞旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換后的機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與工件坐標(biāo)系中坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換向量關(guān)系式為：

對(duì)上述表達(dá)式進(jìn)行展開(kāi)化簡(jiǎn)可得實(shí)際加工中機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)：

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(lái)源的CLSF文件功能；2）后置處理參數(shù)設(shè)置；3）后置處理算法判斷功能；4）刀長(zhǎng)補(bǔ)償功能；5）RTCP功能；6）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能；7）非線(xiàn)性誤差處理校核與處理功能；8）進(jìn)給速度校核與處理功能；9）數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)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(shè)置是根據(jù)加工中心的實(shí)際情況進(jìn)行原點(diǎn)偏置設(shè)置，刀具偏置設(shè)置，刀具磨損量設(shè)置等，目的是為了能夠使處理出來(lái)的數(shù)控加工程序在輸入加工中心后不需要進(jìn)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(zhuān)用后置處理的框架結(jié)構(gòu)，如圖6所示。后置處理過(guò)程采用對(duì)刀位文件中的每一段刀位信息進(jìn)行讀取，然后根據(jù)具體的算法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、標(biāo)識(shí)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(jìn)行顯示并存儲(chǔ)在數(shù)控程序庫(kù)中；采用C++面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)編制HTM50200專(zhuān)用后置處理程序，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM軟件編寫(xiě)出來(lái)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(wú)縫連接與轉(zhuǎn)換。

另外，采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)使得對(duì)HTM50200專(zhuān)用后處理程序中的功能完善非常有利，同時(shí)，對(duì)于具有其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)床改變算法就可很好的適應(yīng)之。

圖6 HTM50200后置處理流程圖

4 HTM50200專(zhuān)用后置處理算法實(shí)例驗(yàn)證

通過(guò)使用CAD/CAM軟件對(duì)立體雕塑（彌勒佛）進(jìn)行刀具路徑編程，生成刀位文件（CLSF），并通過(guò)上述專(zhuān)用后置處理程序進(jìn)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(guò)專(zhuān)用仿真軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬仿真驗(yàn)證，其仿真結(jié)果滿(mǎn)足理論要求，沒(méi)有碰撞和過(guò)切等現(xiàn)象發(fā)生，如圖7所示，同時(shí)又針對(duì)處理出來(lái)的數(shù)控加工程序，利用HTM50200異型石材數(shù)控加工中心進(jìn)行試驗(yàn)切削，并對(duì)理論模型與實(shí)際模型進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)分析如表2所示，得出試驗(yàn)切削效果與仿真結(jié)果一致，達(dá)到了加工的預(yù)期目標(biāo)，加工質(zhì)量良好，如圖8所示。

5 結(jié)論

1）針對(duì)HTM50200異型石材數(shù)控加工中心，根據(jù)其各個(gè)功能模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)關(guān)系，研究其后置處理算法，為后續(xù)的專(zhuān)用后置處理程序的編制作了理論基礎(chǔ)；2）通過(guò)對(duì)過(guò)象限及旋轉(zhuǎn)角度輸出不確定性問(wèn)題進(jìn)行研究，提出采用五象限制法對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行合理規(guī)劃，解決了旋轉(zhuǎn)角度值的輸出不確定性問(wèn)題；3）采用C++面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，編寫(xiě)HTM50200異型石材數(shù)控加工中心專(zhuān)用后置處理程序，并利用其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的APT刀位文件（CLSF）進(jìn)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(guò)對(duì)NC程序進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬仿真驗(yàn)證、試驗(yàn)切削驗(yàn)證及對(duì)理論模型與實(shí)際模型的對(duì)比檢測(cè)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(mǎn)足加工要求。

表1 來(lái)源于CAD/CAM軟件的CLSF文件與經(jīng)過(guò)專(zhuān)用后置處理程序的數(shù)控程序

表2 理論模型與實(shí)際模型對(duì)比檢測(cè)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(shí)際加工樣件

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