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五坐标数控机床的后置处理方法研究

　　摘要：本文介绍了后置处理系统的工作流程和APT文件含义，并以五坐标工作台双转动机床为例，分析了五坐标数控机床坐标变换原理，得出了如何将Surfcam生成的APT文件中的前置刀位数据转换成机床刀具的运动数据，再将其转换为数控机床能直接识别的.ncc文件的实现方法。

　　后置处理系统一般由数控机床的制造商或CAD/CAM系统开发商提供，包括若干个面向特定型号数控系统的后置处理程序。但是使用专用后置处理系统最大的困难是标准不统一。刀位数据文件格式和数控指令都应有相应的标准，针对同一内容，各个国际标准化组织及各国都有自己的标准，相互间有所差别。不同的CAD/CAM系统中的刀位文件格式可能不同，不同的数控系统的数控指令也可能会遵从不同的标准。当需要修改这些后置处理程序，或要为新型数控系统配置后置处理程序时，就变得十分困难。因此需要编制通用后置处理程序，可以从不同的CAD/CAM系统刀位文件中读取刀位数据，将CAM软件生成的前置刀位数据转换成机床刀具的运动数据，再将其转换为数控机床能直接识别的.ncc文件。

　　五坐标数控机床可实现复杂曲面的加工，在模具加工企业应用较广，所以后置处理程序以五坐标工作台双转动机床为研究对象，对其后置处理过程进行探讨。

　　1 后置处理系统的工作原理

　　后置处理的主要任务是根据具体机床的运动结构和控制指令格式，将前置计算的刀位数据变换成机床各轴的运动数据，并按其控制指令格式进行转换，成为数控机床的加工程序〔1〕。后置处理流程如图1所示。它采用解释执行方式，逐行读出刀位文件中的数据记录，分析该记录的类型，根据机床结构进行运动变换，并按机床控制指令格式转换成相应的程序代码，形成实际数控机床的加工程序。

　　2 APT文件格式

　　APT语言文件是根据零件图纸和工艺流程产生的一种刀位文件格式，它只反映零件的形状尺寸和加工过程，描述当前的机床状态及刀尖的运动轨迹，它的内容和格式不受机床结构、数控系统类型的影响，是国际通用的文件格式，目前MasterCAM、SurfCAM等模具数控加工常用软件均具有生成APT文件的功能。

　　APT文件的格式大致如下：

$$ SURFCAM INC to APT Translator $Revision: 154 $ ；由SURFCAM软件生成的APT文件

1.0000000000,0.0000000000,0.0000000000,$

0.0000000000,1.0000000000,0.0000000000,$

0.0000000000,0.0000000000,1.0000000000,$

0.000000,0.000000,0.000000               ；定义坐标轴及原点

MULTAX/ON                                ；将APT文件中定轴矢量转换成转轴矢量

CUTTER/20.000000,10.000000               ；定义刀具

LOADTL/15,LENGTH,0.000000,OSETNO,15      ；当前工具为15号工具

SPINDL/RPM,477,CLW                       ；定义转轴速度，顺时针旋转

COOLNT/FLOOD                             ；定义冷却液

SELECT/0                                 ；下一个工具为0号工具

FEDRAT/MMPM,80.213997                    ；主轴转速

GOTO/70.555557,-15.226153,220.598450,$   ；刀具走位

……

RAPID                                    ；刀具快进

GOTO/231.046555,-331.887360,220.732117,$

0.0000000000,0.0000000000,1.0000000000

END

FINI                                     ；走位结束 

　　3 APT文件处理的数学模型

　　对刀位轨迹数据进行后置转换时，首先根据具体机床运动结构来确定运动变换关系，由此将前置刀位轨迹变换并分解到机床各运动轴上，获得各轴运动分量。运动变换关系取决于具体机床运动结构，运动结构不同，其运动变换计算也不同。

　　一般五坐标机床由三个平动轴和二个回转轴构成〔2〕。本次研究针对的是五坐标A'-C'轴工作台双转动机床。假定五坐标A'-C'轴工作台双转动机床的各轴处于相互正交及平行状态，其回转轴线垂直相交，而不考虑机床误差(如轴垂直度误差、轴平行度误差、回转轴间的不相交等)。数控机床的运动链是由回转工作台、平动工作台、床身、主轴和刀具等单元按顺序串联联接。

　　为描述机床的运动，建立图2所示的坐标系统，其中坐标系OwXwYwZw为与工件固联的工件坐标系，前置刀位数据是在该坐标系中给出;OtXtYtZt为与刀具固联的坐标系，称为刀具坐标系，其原点设在刀位点上，其坐标轴方向与机床坐标系一致;OmXmYmZm为与定轴A'固联的坐标系，其原点Om为两回转轴的交点，其坐标轴方向与机床坐标系一致。显然，其运动关系即是刀具坐标系OtXtYtZt相对于工件坐标系OwXwYwZw的变换关系，它可进一步分解为OtXtYtZt相对于OmXmYmZm的平动和OmXmYmZm相对于OwXwYwZw的转动。

　　4 应用VB编制程序

　　为了实现上述的坐标转换，且坐标转换后能够被机床所识别，需要编一组程序，将APT文件转成能被机床所识别的.ncc文件。编程应用语言为Visual Basic，图3为应用程序流程图。首先应用VB窗体文件编制用户交互式输入界面，提示用户选择需要转换为.ncc文件的APT文件，图4为所编制用户选择界面。确认无误后则要求输入保存为.ncc文件的文件名和路径，如图5。然后自动执行根据上述数学模型和流程图所编制的应用程序，将APT文件转成.ncc文件。

　　5 结论

　　本次研究后置处理程序是针对五坐标工作台双转动机床的，五坐标机床由三个平动轴和两个回转轴构成。后置处理的大致过程是通过两次坐标变换，将与工件固联的工件坐标系转换为与定轴(运动中轴线方向不变得回转轴)固联的坐标系，再由与定轴固联的坐标系转换成与刀具固联的坐标系，把前置计算的刀位数据变换成机床各轴的运动数据，并按其控制指令格式进行转换，成为数控机床的加工程序。即将Surfcam生成的APT文件中的前置刀位数据转换成机床刀具的运动数据，再将其转换为数控机床能直接识别的.ncc文件。

图4 APT文件选择界面

图5 输入文件名提示框

　　参考文献

　　[1] 彭彬彬. MV-610加工中心基于Surfcam 的后置处理程序设计〔J〕. 山西机械.2002,(3)：45～49

　　[2] 王爱玲. 现代数控编程技术及应用〔M〕. 北京：国防工业出版社. 2002