數控加工后置處理技術

                                      

摘要 : 本文分析了數控加工后置處理技術的特征、面臨的問題和當前的發展趨勢，介紹了應通用后置處理器開發定制專用后置處理器的實踐。
     關鍵詞 :自動編程工具 刀具路徑文件 數控代碼 后置處理器 數控加工程序

         
數控編程是CAM的重要組成部分。它包括加工刀具路徑文件的生成和機床數控代碼指令集的生成。加工刀具路徑文件可利用CAD/CAM軟件，根據加工對象的結構特征、加工環境特征其中包括機床-夾具-刀具-工件所組成的具體工序加工系統的特征）以及加工工藝設計的具體特征來生成描述加工過程的刀具路徑文件。通過后置處理器讀取由CAM系統生成的刀具路徑文件，從中提取相關的加工信息，并根據指定數控機床的特點及NC程序格式要求進行分析、判斷和處理，最終生成數控機床所能直接識別的NC程序，就是數控加工的后置處理數控加工后置處理是CAD/CAM集成系統非常重要的組成部分，它直接影響CAD/CAM軟件的使用效果及零件的加工質量。目前國內許多CAD/CAM軟件用戶對軟件的應用只停留在CAD模塊上，對CAM模塊的應用效率不高，其中一個非常關鍵的原因就是沒有配備專用的后置處理器，或只配備了通用后置處理器而沒有根據數控機床特點進行必要的二次開發，由此生成的代碼還需人工做大量的修改，嚴重影響了CAM模塊的應用效果。
         
目前，從技術上講，由于CAD/CAM系統硬件和軟件的發展，對加工對象、加工系統建立三維模型、運用圖形交互的方法實現刀具路徑的生成、加工過程仿真和干涉碰撞檢查已經是可行的。北京市機電研究院在工程實踐中已付諸實施，并取得了良好效果。而要使生成的刀具路徑文件轉換成數控NC程序，驅動和控制機床實施加工，還必須以相應的后置處理器開發為條件。
     
對于使用多種CAD/CAM系統，配備多種機床各種類型數控系統的情況就更為復雜，這是因為后置處理面臨如下紛繁的情況：
     1.刀具路徑文件格式的多樣性

刀具路徑文件采用APT語言格式，這種語言接近于英語自然語言，它描述當前的機床狀態及刀尖的運動軌跡。它的內容和格式不受機床結構、數控系統類型的影響。但不同的CAD/CAM軟件生成的刀具路徑文件的格式均有所不同,如："調用n號刀具，長度補償選用a寄存器中的值"，表示這一功能的指令在不同的CAM系統表述格式不同。例如幾種CAD/CAM系統的表述格式如表1所示。
      表1 CAD/CAM系統的表述格式
      CAD/CAM系統                         
表 述 格 式
      UG-II
                                               
LOAD/TOOL，n，ADJUST，a
      SDRC Master
                                               
LOADTL/n，l，h
      Pro/ENGINEER
                                               
LOADTL/n，OSETNO，a
      CV CADDS
                                               
LOAD/TOOL，n，OSETNO，a

     2.NC程序格式的多樣性
             
NC程序由一系列程序段組成，通常每一程序段包含了加工操作的一個單步命令。程序段通常是由N、G、X、Y、Z、F、S、T、M．．．．．地址字和相應的數字值組成的。
         (1) ISO-1056-1975標準對其中的部分準備代碼功能、輔助功能代碼的功能作了統一的規定，如：G00快速點位運動、G01直線插補、G02順時針圓弧插補、G03逆時針圓弧插補、G04駐留。但還有大量的未作統一規定的‘不指定代碼'，其中不指定的‘G'代碼由數控系統廠家根據需要自行制定其代碼功能，如表2所示。

      表 2 根據需要自行制定的‘G'代碼功能
      G碼                       FANUC-15MA系統  TOSNUC 800-M
      G10                                  數據設置 撤消坐標轉換
      G11 取消數據設置模式 坐標轉換
      G15  取消極坐標命令

      G16       極坐標命令

未做統一規定的‘M'代碼由數控機床制造廠根據其機床所具有的附屬設備功能制定其代碼功能。如日本日立精機公司制造的柔性加工單元HG500，帶有16個托盤（PPL），托盤可自動交換，實現無人加工。為了控制托盤自動進入主機，它用M87～M89代碼控制A.P.C門的開關：
     M87 A.P.C door right open  A.P.C右側門打開
     M88 A.P.C door left open A.P.C左側門打開
     M89 A.P.C door close  A.P.C門關閉
         (2)有些數控系統對部分G代碼的功能并不嚴守ISO-1056標準的規定，而是自行定義，如表3所示。       表 3 東芝數控系統自行定義的G碼功能
      G碼
                                 TOSNUC 800-M
                                                             
ISO
      G20
                                 參考點返回檢查
                                                             
英制
      G21
                                 
第2、3、4參考點返回檢查
                                                             
公制
      G44
                                 取消長度補償
                                                             
刀具偏置-負
      G93
                                 局部坐標系設定
                                                             
時間倒數進給率

         
(3)個別數控系統的NC程序采用了比較特殊的代碼格式，如HEIDENHAIN
TNC 426系統，
     右補償直線插補語句格式： FL X+10 Y+10
RL，對應于標準代碼 ：G01 G42 X10 Y10。

     3.技術需求的多樣性
         
    隨著技術的發展和應用的進展，現在的后置處理技術已不能停留在僅僅是對刀具路徑文件的代碼轉換，而是增加了從具體的加工需求特征、具體的數控機床和數控系統的特征出發，賦予后置處理器以更多的功能要求。 高速數控加工的出現不僅對機床結構和數控系統提出了新的要求，對于加工工藝的策劃、工藝參數的設置和加工約束的設置也提出了新的要求。于是有的廠商開發了專門支持高速加工的后置處理器。這種后置處理器對于配備有高速加工控制器的機床，可借助該后置處理器所配置的專家系統工具，描述自己的高速加工需求特征，后置處理器可生成相應的代碼，激活/撤消相應的高速加工操作指令，可根據使用需求進行仿真。對于未配備高速加工控制器的機床，該后置處理器還能設定進給速度變化的最大允許增量，根據允許慣性力設定允許的最大加/減速，設定加速時間常數和回路增益時間常數，設定速度超調數據等。又如各種數控系統在曲面加工時，所用的曲面擬合模型不盡相同，有的用Nurbs擬合模型，有的用Bezier擬合模型，有的用Polymial擬合模型，還有的用Spline擬合模型，后置處理器就面臨支持相應的多種曲面擬合模型的問題。 
    在工程實踐中，當遇到相似加工對象的相似加工需求時，常常可以用已有的行之有效的NC加工程序進行修改后使用。然而如何確保修改結果的正確性則是個問題，不能都放到機床上去調試，這在單件加工時尤為重要。此外，現有的許多CAD/CAM系統的加工仿真只是以所生成的刀具路徑文件為基礎進行加工仿真和干涉檢查，這顯然是不夠的。因此，以NC代碼指令集及其相應參數設置為信息源的仿真（包括邏輯仿真和過程仿真）就顯得十分重要。
     因此,一個完善的后置處理器應具備以下功能：

(1）接口功能：后置處理器能自動地識別、讀取不同的CAD/CAM軟件所生成的刀具路徑文件。
(2）NC程序生成功能：數控機床具有直線插補、圓弧插補、自動換刀、夾具偏置、冷卻等一系列的功能，功能的實現是通過一系列的代碼組合實現的。代碼的結構、順序由數控機床規定的NC格式決定。當前世界上一些著名的后置處理器公司開發出通用后置處理器，它提供一種功能數據庫模型，用戶根據數控機床的具體情況回答它所提出的問題，通過問題回答生成用戶指定的數控機床的專用后置處理器。用戶只需要具有機床操作知識和NC編程知識，就能編出滿意的 專用后置處理器。當所提供的數據庫不能滿足用戶的要求時，它提供的開發器允許用戶進行修改和編譯。因此可以按照數控機床的功能建立一個關系數據庫，每個功能如何實現，由用戶根據機床的結構、使用的數控系統指定控制的代碼及代碼結構。

(3）專家系統功能：后置處理器不只是對刀具路徑文件進行處理、轉換，還要能加入一定的工藝知識。如高速加工的處理、加工絲杠時切削參數的選擇等。
     
(4）反向仿真功能：以NC代碼指令集及其相應參數設置為信息源的仿真。它包括兩部分：
NC程序的主體結構檢查和NC程序語法結構檢查；數控加工過程仿真。以NC程序為基礎，模擬仿真加工過程，判斷運動軌跡的正確性及加工參數的合理性。不同結構的機床、不同的數控系統、不同的編程習慣，其NC程序的結構和格式千差萬別。因此，反向仿真難度非常大。目前，尚未有較成熟的商品性軟件。
綜上所述，要使所生成的數控程序不經手工修改，直接應用于數控機床加工，則必須針對每一臺數控機床定制專用的后置處理器。這就要求開發人員熟悉所用的CAM系統及所生成的刀具路徑文件的格式、熟悉所用數控機床及其數控系統代碼功能及其表述格式，而這一工是智力密集和勞動密集兼而有之的過程。當面臨的CAM系統眾多，機床及其數控系統眾多的情況下，從頭開發專用后置處理器的工作就顯得相當繁重。因此，近年來出現了以開發通用后置處理器為基礎，應用數控代碼導向等相關技術定制數控機床專用后置處理器的做法，用通用后置處理器解決共性問題，用定制后置處理器解決個性問題。實踐表明，這是一種有效的方法。該院應用這一方法從1996年起，陸續開發定制了包括龍門式五面加工中心、龍門式立式加工中心、臥式柔性加工單元、立式加工中心、數控車床、車削中心等多種類型機床的十種專用后置處理器，數控系統包括FANUC、TOSNUC、MITSUBISH、A2100、A850、MAZAK等，覆蓋了該院的產品和使用的數控設備，并在工程應用中取得了良好的效果。其中，對三軸帶回轉工作臺的臥式加工中心、五面加工中心的專用后置處理器的開發，建立了該類結構機床的后置處理結構模型，積累了開發的經驗。以下簡要介紹該院應用通用后置處理器定制開發用于
     HC800/FANUC-15MA的專用后處理器的方法：
     * 使用的定制開發軟件......Pro/E
的NCPOST模塊。該模塊為加拿大ICAM技術公司生產的ICAM通
     用后置處理開發器。
     *
使用的CAM軟件......Pro/E的CAM模塊。應用Pro/E的CAM模塊，設計加工環境，進行模擬加工
     仿真，生成刀具路徑文件。
     *
NC程序應用對象......臥式加工中心HC800。該機床為日本日立精機公司制造生產，配備‘X' 、‘Y'、‘Z'三條直線軸，一個回轉工作臺，一個容量為120把刀的鏈狀刀庫，六個交換托盤；控制系統為FANUC-15MA主要用于箱體類零件的加工。      
(1)首先了解機床的結構、機床配備的附屬設備、機床具備的功能及功能實現的方式（手動還是自動）。     
(2)機床配備的數控系統，熟悉該系統的NC編程包括功能代碼的組成、含義，是否有不同于ISO-1056-1975標準的代碼格式。
(3)應用通用后置處理器導向模板，根據以上掌握的知識，逐條回答模板提出的問題，定制專用后置處理器。通用后置處理器根據外界輸入的信息，調用其內部數據庫模型，經判斷、排列、組合后，生成用戶要求的專用后置處理器。
應用按此方法定制的HC800/FANUC-15MA專用后置處理器處理刀具路徑文件，生成的NC程序約80%可用，還有20%需作進一步開發。      
(4)當通用后置處理器提供的數據模型不能全部滿足用戶的要求，或者用戶需要優化處理NC程序時，則應用開發軟件修改數據庫模型。這就需要開發人員掌握CAM模塊的使用方法，掌握刀具路徑文件的格式，并具備軟件開發和加工工藝方面的經驗。         
本專用后置處理器應用的機床為配備一個回轉工作臺的三軸臥式加工中心，工作臺回轉不能參與切削運動。機床配備六個交換托盤，可實現托盤的自動交換。刀庫為鏈狀結構，容量為120把刀的，在加工的同時可預選下一把刀具。在Pro/E的CAM模塊和NCPOST模塊中均無此類機床的數據庫模型。為完善該專用后置處理器，使其自動生成的NC程序不再需要人工做修改，可對CAM模塊的加工環境參數進行特定的設置，并用NCPOST模塊的開發語言進行宏程序編制，建立此類機床的數據模型。為優化生成的NC程序，用宏程序修改通用后置處理器內部數據輸出結構。如：NC程序中用到的所有工件坐標系與機床坐標系的數值關系，可在NC程序開頭自動設置，數控機床可直接辯識，不需手工輸入；工作臺回轉前，主軸頭退回最遠；換刀前輸出刀具名稱等。          
經過上述工作所定制的專用后置處理器生成的NC程序已用于該院的主導產品VMC750B－30101主軸箱體的加工，加工出的零件全部滿足圖紙要求。此外，他們在Pro/E的CAD/CAM集成軟件環境下，可以實現"反向仿真功能"。         
目前商品化的通用后置處理器，加拿大ICAM公司的CAM-POST軟件具有典型性。該軟件可以覆蓋國內外流行的90%以上的CAD/CAM軟件和90%以上的NC系統，功能較強。它可以讀取所覆蓋的CAD/CAM軟件所生成的刀具路徑文件，定制所覆蓋的NC系統的專用后置處理器，它主要分為如下兩部分：
（1）QUEST:數據庫模板系統。 數據庫模板中包含各種類型的機床及控制系統可能遇到的問題及解決的方法。用戶根據需要，回答問題，得到專用的數據庫。當數據庫模板不能滿足用戶的要求時，可用 Post-processor Development編制宏程序，進行二次開發。
     
（2）GENER：應用QUEST產生數據庫，把由CAM系統產生的刀具路徑文件轉換成數控機床所能直接識別的NC程序。 
    ICAM公司新推出的CAM-POSTV-12具有高速加工所要求的處理功能，能支持Bezier、NURBS、Polynomial和Spline四種曲面擬和模型，在QUEST中設置了專家系統工具等，使軟件的功能又大有擴展。
    近年來，計算機硬件技術飛躍發展，使微機的性能價格比不斷提高。目前世界上許多知名的CAD/CAM軟件公司已著手開發了基于微機的CAD/CAM軟件，使原來只能在工作站上運行的軟件，在微機上同樣可以運行。硬件成本的大幅度降低，使CAD/CAM能夠得以廣泛應用。 現代工業正在逐漸向多品種、小批量的方向發展，需要高效、快速、高度柔性的制造系
     統，
CAD/CAM的廣泛應用為其提供了可能，并且促進了這種發展。后置處理器的定制是聯結CAD/CAM軟件與加工設備的關鍵技術，它直接影響到CAD/CAM的集成。 能夠處理不同類型格式的刀具路徑文件，并做優化處理，以適應不同類型的機床、不同類型的系統、不同類型的零件的加工需求，生成的NC程序不需人工做二次修改，而直接應用于機床是后置處理器技術的發展方向。