本文分析了數(shù)控加工后置處理技術(shù)的特征、面臨的問(wèn)題和當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，介紹了應(yīng)用通用后置處理器開(kāi)發(fā)定制專(zhuān)用后置處理器的實(shí)踐。           

    數(shù)控編程CAM的重要組成部分。它包括加工刀具路徑文件的生成和機(jī)床數(shù)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(jù)加工對(duì)象的結(jié)構(gòu)特征、加工環(huán)境特征（其中包括機(jī)床-夾具-刀具-工件所組成的具體工序加工系統(tǒng)的特征）以及加工工藝設(shè)計(jì)的具體特征來(lái)生成描述加工過(guò)程的刀具路徑文件。通過(guò)后置處理器讀取由CAM系統(tǒng)生成的刀具路徑文件，從中提取相關(guān)的加工信息，并根據(jù)指定數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及NC程序格式要求進(jìn)行分析、判斷和處理，最終生成數(shù)控機(jī)床所能直接識(shí)別的NC程序，就是數(shù)控加工的后置處理數(shù)控加工后置處理是CAD/CAM集成系統(tǒng)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(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)許多CAD/CAM軟件用戶(hù)對(duì)軟件的應(yīng)用只停留在CAD模塊上，對(duì)CAM模塊的應(yīng)用效率不高，其中一個(gè)非常關(guān)鍵的原因就是沒(méi)有配備專(zhuān)用的后置處理器，或只配備了通用后置處理器而沒(méi)有根據(jù)數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)進(jìn)行必要的二次開(kāi)發(fā)，由此生成的代碼還需工做大量的修改，嚴(yán)重影響了CAM模塊的應(yīng)用效果。 　　

    目前，從技術(shù)上講，由于CAD/CAM系統(tǒng)硬件和軟件的發(fā)展，對(duì)加工對(duì)象、加工系統(tǒng)建立三維模型、運(yùn)用圖形交互的方法實(shí)現(xiàn)刀具路徑的生成、加工過(guò)程仿真和干涉碰撞檢查已經(jīng)是可行的。北京市機(jī)電研究院在工程實(shí)踐中已付諸實(shí)施，并取得了良好效果。而要使生成的刀具路徑文件轉(zhuǎn)換成數(shù)控NC程序，驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)床實(shí)施加工，還必須以相應(yīng)的后置處理器開(kāi)發(fā)為條件。 　　

    對(duì)于使用多種CAD/CAM系統(tǒng)，配備多種機(jī)床各種類(lèi)型數(shù)控系統(tǒng)的情況就更為復(fù)雜，是因?yàn)楹笾锰幚砻媾R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(yǔ)言格式，這種語(yǔ)言接近于英語(yǔ)自然語(yǔ)言，它描述當(dāng)前的機(jī)床狀態(tài)及刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡。它的內(nèi)容和格式不受機(jī)床結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)類(lèi)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(diào)用n號(hào)刀具，長(zhǎng)度補(bǔ)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(tǒng)表述格式不同。例如幾種CAD/CAM系統(tǒng)的表述格式如表1所示。 

    表1 CAD/CAM系統(tǒng)的表述格式 CAD/CAM系統(tǒng)      

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(gè)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(yīng)的數(shù)字值組成的。 　　

    (1) ISO-1056-1975標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其中的部分準(zhǔn)備代碼功能、輔助功能代碼的功能作了統(tǒng)一的規(guī)定，如：G00快速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)、G01直線插補(bǔ)、G02順時(shí)針圓弧插補(bǔ)、G03逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)、G04駐留。但還有大量的未作統(tǒng)一規(guī)定的‘不指定代碼’，其中不指定的‘G’代碼由數(shù)控系統(tǒng)廠家根據(jù)需要自行制定其代碼功能，如表2所示。 　　

    表 2 根據(jù)需要自行制定的‘G’代碼功能 G碼      

FANUC-15MA系統(tǒng)      

TOSNUC 800-M G10      

數(shù)據(jù)設(shè)置      

撤消坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 G11      

取消數(shù)據(jù)設(shè)置模式      

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 G15      

取消極坐標(biāo)命令      G16      

極坐標(biāo)命令      　　

    未做統(tǒng)一規(guī)定的‘M’代碼由數(shù)控機(jī)床制造廠根據(jù)其機(jī)床所具有的附屬設(shè)備功能制定其代碼功能。如日本日立精機(jī)公司制造的柔性加工單元HG500，帶有16 個(gè)托盤(pán)（PPL），托盤(pán)可自動(dòng)交換，實(shí)現(xiàn)無(wú)人加工。為了控制托盤(pán)自動(dòng)進(jìn)入主機(jī)，它用M87～M89代碼控制A.P.C門(mén)的開(kāi)關(guān)： 

M87     A.P.C door right open     A.P.C右側(cè)門(mén)打開(kāi) 

M88     A.P.C door left open     A.P.C左側(cè)門(mén)打開(kāi) 

M89     A.P.C door close     A.P.C門(mén)關(guān)閉 　　

    (2)有些數(shù)控系統(tǒng)對(duì)部分G代碼的功能并不嚴(yán)守ISO-1056標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，而是自行定義，如表3所示。 　　

    表 3 東芝數(shù)控系統(tǒng)自行定義的G碼功能 

G碼      

TOSNUC 800-M      

ISO G20      考點(diǎn)返回檢查      

英制 G21      

第2、3、4參考點(diǎn)返回檢查      

公制 G44      

取消長(zhǎng)度補(bǔ)償      

刀具偏置-負(fù) G93      

局部坐標(biāo)系設(shè)定      

時(shí)間倒數(shù)進(jìn)給率 　　

    (3)個(gè)別數(shù)控系統(tǒng)的NC程序采用了比較特殊的代碼格式，如HEIDENHAIN TNC 426系統(tǒng)，右補(bǔ)償直線插補(bǔ)語(yǔ)句格式： FL X+10 Y+10 RL，對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)代碼 ：G01 G42 X10 Y10。 
3.技術(shù)需求的多樣性 　　

    隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的進(jìn)展，現(xiàn)在的后置處理技術(shù)已不能停留在僅僅對(duì)刀具路徑文件的代碼轉(zhuǎn)換，而是增加了從具體的加工需求特征、具體的數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的特征出發(fā)，賦予后置處理器以更多的功能要求。 　　

    高速數(shù)控加工的出現(xiàn)不僅對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)提出了新的要求，對(duì)于加工工藝的策劃、工藝數(shù)的設(shè)置和加工約束的設(shè)置也提出了新的要求。于是有的廠商開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)支持高速加工的后置處理器。種后置處理器對(duì)于配備有高速加工控制器的機(jī)床，可借助該后置處理器所配置的專(zhuān)家系統(tǒng)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(yīng)的代碼，激活/撤消相應(yīng)的高速加工操作指令，可根據(jù)使用需求進(jìn)行仿真。對(duì)于未配備高速加工控制器的機(jī)床，該后置處理器還能設(shè)定進(jìn)給速度變化的最大允許增量，根據(jù)允許慣性力設(shè)定允許的最大加/減速，設(shè)定加速時(shí)間常數(shù)和回路增益時(shí)間常數(shù)，設(shè)定速度超調(diào)數(shù)據(jù)等。 　　

    又如各種數(shù)控系統(tǒng)在曲面加工時(shí)，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(yīng)的多種曲面擬合模型的問(wèn)題。 　　

    在工程實(shí)踐中，當(dāng)遇到相似加工對(duì)象的相似加工需求時(shí)，常常可以用已有的行之有效的NC加工程序進(jìn)行修改后使用。然而如何確保修改結(jié)果的正確性則是個(gè)問(wèn)題，不能都放到機(jī)床上去調(diào)試，這在單件加工時(shí)尤為重要。此外，現(xiàn)有的許多CAD/CAM系統(tǒng)的加工仿真只是以所生成的刀具路徑文件為基礎(chǔ)進(jìn)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(yīng)參數(shù)設(shè)置為信息源的仿真（包括邏輯仿真和過(guò)程仿真）就顯得十分重要。因此,一個(gè)完善的后置處理器應(yīng)具備以下功能： 　　

    (1）接口功能：后置處理器能自動(dòng)地識(shí)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(shù)控機(jī)床具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、自動(dòng)換刀、夾具偏置、冷卻等一系列的功能，功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)一系列的代碼組合實(shí)現(xiàn)的。代碼的結(jié)構(gòu)、順序由數(shù)控機(jī)床規(guī)定的NC格式?jīng)Q定。當(dāng)前世界上一些著名的后置處理器公司開(kāi)發(fā)出通用后置處理器，它提供一種功能數(shù)據(jù)庫(kù)模型，用戶(hù)根據(jù)數(shù)控機(jī)床的具體情況回答它所提出的問(wèn)題，通過(guò)問(wèn)題回答生成用戶(hù)指定的數(shù)控機(jī)床的專(zhuān)用后置處理器。用戶(hù)只需要具有機(jī)床操作知識(shí)和NC編程知識(shí)，就能編出滿意的專(zhuān)用后置處理器。當(dāng)所提供的數(shù)據(jù)庫(kù)不能滿足用戶(hù)的要求時(shí)，它提供的開(kāi)發(fā)器允許用戶(hù)進(jìn)行修改和編譯。因此可以按照數(shù)控機(jī)床的功能建立一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)功能如何實(shí)現(xiàn)，由用戶(hù)根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)、使用的數(shù)控系統(tǒng)指定控制的代碼及代碼結(jié)構(gòu)。 　　

    (3）專(zhuān)家系統(tǒng)功能：后置處理器不只是對(duì)刀具路徑文件進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換，還要能加入一定的工藝知識(shí)。如高速加工的處理、加工絲杠時(shí)切削參數(shù)的選擇等。 　　

    (4）反向仿真功能：以NC代碼指令集及其相應(yīng)參數(shù)設(shè)置為信息源的仿真。它包括兩部分： 　　

    NC程序的主體結(jié)構(gòu)檢查和NC程序語(yǔ)法結(jié)構(gòu)檢查；數(shù)控加工過(guò)程仿真。以NC程序?yàn)榛A(chǔ)，模擬仿真加工過(guò)程，判斷運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性及加工參數(shù)的合理性。 　　

    不同結(jié)構(gòu)的機(jī)床、不同的數(shù)控系統(tǒng)、不同的編程習(xí)慣，其N(xiāo)C程序的結(jié)構(gòu)和格式千差萬(wàn)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(shù)控程序不經(jīng)手工修改，直接應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床加工，則必須針對(duì)每一臺(tái)數(shù)控機(jī)床定制專(zhuān)用的后置處理器。這就要求開(kāi)發(fā)員熟悉所用的 CAM系統(tǒng)及所生成的刀具路徑文件的格式、熟悉所用數(shù)控機(jī)床及其數(shù)控系統(tǒng)代碼功能及其表述格式，而這一工作是智力密集和勞動(dòng)密集兼而有之的過(guò)程。當(dāng)面臨的 CAM系統(tǒng)眾多，機(jī)床及其數(shù)控系統(tǒng)眾多的情況下，從頭開(kāi)發(fā)專(zhuān)用后置處理器的工作就顯得相當(dāng)繁重。因此，近年來(lái)出現(xiàn)了以開(kāi)發(fā)通用后置處理器為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)控代碼導(dǎo)向等相關(guān)技術(shù)定制數(shù)控機(jī)床專(zhuān)用后置處理器的做法，用通用后置處理器解決共性問(wèn)題，用定制后置處理器解決個(gè)性問(wèn)題。實(shí)踐表明，這是一種有效的方法。該院應(yīng)用這一方法從1996年起，陸續(xù)開(kāi)發(fā)定制了包括龍門(mén)式五面加工中心、龍門(mén)式立式加工中心、臥式柔性加工單元、立式加工中心、數(shù)控車(chē)床、車(chē)削中心等多種類(lèi)型機(jī)床的十種專(zhuān)用后置處理器，數(shù)控系統(tǒng)包括FANUC、TOSNUC、MITSUBISH、A2100、A850、MAZAK等，覆蓋了該院的產(chǎn)品和使用的數(shù)控設(shè)備，并在工程應(yīng)用中取得了良好的效果。其中，對(duì)三軸帶回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的臥式加工中心、五面加工中心的專(zhuān)用后置處理器的開(kāi)發(fā)，建立了該類(lèi)結(jié)構(gòu)機(jī)床的后置處理結(jié)構(gòu)模型，積累了開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)。 　　

    以下簡(jiǎn)要介紹該院應(yīng)用通用后置處理器定制開(kāi)發(fā)用于HC800/FANUC-15MA的專(zhuān)用后處理器的方法：

 * 使用的定制開(kāi)發(fā)軟件……Pro/E的NCPOST模塊。該模塊為加拿大ICAM技術(shù)公司生產(chǎn)的ICAM通用后置處理開(kāi)發(fā)器。 

* 使用的CAM軟件……Pro/E的CAM模塊。應(yīng)用Pro/E的CAM模塊，設(shè)計(jì)加工環(huán)境，進(jìn)行模擬加工仿真，生成刀具路徑文件。 

* NC程序應(yīng)用對(duì)象……臥式加工中心HC800。該機(jī)床為日本日立精機(jī)公司制造生產(chǎn)，配備‘X’、‘Y’、‘Z’三條直線軸，一個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，一個(gè)容量為120把刀的鏈狀刀庫(kù)，六個(gè)交換托盤(pán)；控制系統(tǒng)為FANUC-15MA主要用于箱體類(lèi)零件的加工。 

    (1)首先了解機(jī)床的結(jié)構(gòu)、機(jī)床配備的附屬設(shè)備、機(jī)床具備的功能及功能實(shí)現(xiàn)的方式（手動(dòng)還是自動(dòng)）。 

    (2)機(jī)床配備的數(shù)控系統(tǒng)，熟悉該系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的代碼格式。 

    (3)應(yīng)用通用后置處理器導(dǎo)向模板，根據(jù)以上掌握的知識(shí)，逐條回答模板提出的問(wèn)題，定制專(zhuān)用后置處理器。通用后置處理器根據(jù)外界輸入的信息，調(diào)用其內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)模型，經(jīng)判斷、排列、組合后，生成用戶(hù)要求的專(zhuān)用后置處理器。 　　

    應(yīng)用按此方法定制的HC800/FANUC-15MA專(zhuān)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(jìn)一步開(kāi)發(fā)。 

    (4)當(dāng)通用后置處理器提供的數(shù)據(jù)模型不能全部滿足用戶(hù)的要求，或者用戶(hù)需要優(yōu)化處理NC程序時(shí)，則應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件修改數(shù)據(jù)庫(kù)模型。這就需要開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)和加工工藝方面的經(jīng)驗(yàn)。 　　

    本專(zhuān)用后置處理器應(yīng)用的機(jī)床為配備一個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的三軸臥式加工中心，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)不能參與切削運(yùn)動(dòng)。機(jī)床配備六個(gè)交換托盤(pán)，可實(shí)現(xiàn)托盤(pán)的自動(dòng)交換。刀庫(kù)為鏈狀結(jié)構(gòu)，容量為120把刀的，在加工的同時(shí)可預(yù)選下一把刀具。在Pro/E的CAM模塊和NCPOST模塊中均無(wú)此類(lèi)機(jī)床的數(shù)據(jù)庫(kù)模型。為完善該專(zhuān)用后置處理器，使其自動(dòng)生成的NC程序不再需要人工做修改，可對(duì)CAM模塊的加工環(huán)境參數(shù)進(jìn)行特定的設(shè)置，并用NCPOST模塊的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行宏程序編制，建立此類(lèi)機(jī)床的數(shù)據(jù)模型。為優(yōu)化生成的NC程序，用宏程序修改通用后置處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出結(jié)構(gòu)。如：NC程序中用到的所有工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的數(shù)值關(guān)系，可在NC程序開(kāi)頭自動(dòng)設(shè)置，數(shù)控機(jī)床可直接辯識(shí)，不需手工輸入；工作臺(tái)回轉(zhuǎn)前，主軸頭退回最遠(yuǎn)；換刀前輸出刀具名稱(chēng)等。 　　

    經(jīng)過(guò)上述工作所定制的專(zhuān)用后置處理器生成的NC程序已用于該院的主導(dǎo)產(chǎn)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?cè)赑ro/E的CAD/CAM集成軟件環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn)“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(guó)內(nèi)外流行的90%以上的CAD/CAM軟件和 90%以上的NC系統(tǒng)，功能較強(qiáng)。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(tǒng)的專(zhuān)用后置處理器，它主要分為如下兩部分： 

    （1）QUEST:數(shù)據(jù)庫(kù)模板系統(tǒng)。 　　

    數(shù)據(jù)庫(kù)模板中包含各種類(lèi)型的機(jī)床及控制系統(tǒng)可能遇到的問(wèn)題及解決的方法。用戶(hù)根據(jù)需要，回答問(wèn)題，得到專(zhuān)用的數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)模板不能滿足用戶(hù)的要求時(shí)，可用Post-processor Development編制宏程序，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。 

    （2）GENER：應(yīng)用QUEST產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫(kù)，把由CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的刀具路徑文件轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床所能直接識(shí)別的NC程序。 ICAM公司新推出的CAM-POST V-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(shè)置了專(zhuān)家系統(tǒng)工具等，使軟件的功能又大有擴(kuò)展。 　　

    近年來(lái)，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)飛躍發(fā)展，使微機(jī)的性能價(jià)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(kāi)發(fā)了基于微機(jī)的CAD/CAM軟件，使原來(lái)只能在工作站上運(yùn)行的軟件，在微機(jī)上同樣可以運(yùn)行。硬件成本的大幅度降低，使CAD/CAM能夠得以廣泛應(yīng)用。 　　

    現(xiàn)代工業(yè)正在逐漸向多品種、小批量的方向發(fā)展，需要高效、快速、高度柔性的制造系統(tǒng)，CAD/CAM的廣泛應(yīng)用為其提供了可能，并且促進(jìn)了這種發(fā)展。后置處理器的定制是聯(lián)結(jié)CAD/CAM軟件與加工設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響到CAD/CAM的集成。 　　

    能夠處理不同類(lèi)型格式的刀具路徑文件，并做優(yōu)化處理，以適應(yīng)不同類(lèi)型的機(jī)床、不同類(lèi)型的系統(tǒng)、不同類(lèi)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(yīng)用于機(jī)床是后置處理器技術(shù)的發(fā)展方向。