毕业设计二轴联动数控裱花机自动编程系统设计.docx
《毕业设计二轴联动数控裱花机自动编程系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计二轴联动数控裱花机自动编程系统设计.docx（67页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
毕业设计二轴联动数控裱花机自动编程系统设计
二轴联动数控裱花机自动编程系统设计
摘要:
Pro/E自带的后置处理功能，能够独立完成和实现数控程序的自动编程。
所谓的后置处理，是将加工刀具路径文件（CL文件）转换成数控机床能够操作和执行的数控程序的过程，其结果直接影响到加工产品的质量及生产效率。
然而，目前国内许多CAD/CAM软件还停留在CAD的层面上，对CAM模块的技术掌握及应用效率并不是很高，其中非常关键的原因就是后置处理问题或者是CAM模块的刀位点数据文件即CL文件（CutterLocationSourceFile）不完全透明，使得后置处理程序开发技术难度大、配置复杂且价格昂贵。
本文主要介绍了后置处理技术的数学基本理论，分析了后置处理开发过程及途径、Pro/E各功能特性及其后置处理开发平台功能，比较了当今两大主流系统德国SIEMENS和日本FANUC两大数控系统编程指令的异同，并对NC数控程序与刀位点文件中各对应参数之间的关系进行了分析，接着开发符合要求的后置处理器，用以生成能够被数控机床识别的加工程序。
最后，建立数控加工模块模型，利用Pro/E自带的数控加工仿真系统Vericut进行模拟仿真，输出数控程序。
同时，这也为不同结构和型号的加工中心的后置处理提供了理论支持和经验借鉴。
关键词：
数控机床；后置处理；Pro/E；刀位文件；NC程序
TheDesignonAutomaticProgrammingSystemofTwo-axisCNCDecoratingandDressingMachine
Abstract:
Pro/Ehasitsownpostprocessingcapabilities,whichcanfinishautomaticprogrammingofNCprogram.Theso-calledpostprocessingisaprocessionthatcutterlocationfileistransformedintotheNC（NumberControl）programmecarriedoutontheNCmachine,itdirectlyaffectsmachiningqualityandmanufactureefficiency.Nowday,lotsofCAD/CAMarestagnatedtheCAD,theapplyefficiencyoftheCAMislow.However,thekeytothequestionisproblemofPostprocessingortheopacityofafewCAMcutterlocationsourcefiles,whichcausethedevelopingPostprocessingprogrammeisdifficultyontechnology,dispositioniscomplexandthepriceishigh.
Thispaperexplicitlyintroducesthemaththeoryanddevelopingprocessofpostprocessingtechnology,andanalyzesthefunctioncharactersofPro/E,alsoincludingthedevelopingplatformofpostprocessinginPro/E,comparesthedifferencesoftheCNCprogramminginstructionsinthetwomainsystemsofGermanySIEMENSandJapanFANUC,alsoanalyzestherelationshipbetweentheNCprogramandthecutterlocationfileinthecorrespondingparameters,andthendevelopstomeettherequirementsofthePostprocessors,whichcanbeusedtogenerateCNCmachiningprogramsidentified.
Finally,establishinganumericalcontrolprocessingmodulemodel,usingthePro/ENCsimulationsystemcomeswithVericutforsimulation,outputtingtheNCprogram.Inthesametime,italsoprovidesthetheoreticalsupportandexperiencefordifferentstructuresandmodelsofPostprocessingmachiningcenter.
Keywords:
CNCmachinetool;Postprocessing;Pro/E;Cutterlocationfile;NCprogram
1绪论
1.1选题的背景
数控加工技术是为适应复杂外形零件的加工而发展起来的一种自动化加工技术，它是集机械制造、计算机应用、自动化控制以及自动检测于一体的综合性技术。
数控技术的研究起源于飞机制造业，美国密西根TraverseCityParsons公司的JohnParsons开始尝试利用轴曲率数据来控制机器的动作，用于切削加工复杂的飞机机身零件（直升机的螺旋桨回转翼）。
后来，他还利用数学运算法为空军成功地示范刀具路径切削。
1952年由美国空军与麻省理工学院（MIT）等合作研制而成的世界上第一台三坐标数控铣床（Cincinnati-Hydrotel立式数控铣床），从而揭开了数控加工技术的序幕。
随后日本、德国、意大利等国家也先后出现自己的数控机床，我国也在1958年就开始数控的序幕，但发展步伐不快（马海涛，2005）。
近年来，随着我国航天航空事业的飞跃发展，更多的新型研制产品层出不穷，从而使得传统的机械设计与制造方式发生着根本性的变化，特别是现代数控技术的应用，采用计算机辅助数控编程，大大地缩短了产品的制造周期，加速了产品的更新换代，提高了产品的质量和竞争力，因而创造了显著的经济效益，为企业提供了广阔的发展空间。
数控技术已是一个机械制造企业技术水平的重要标志，并且成为现代制造业的核心和发展军事工业的重要战略技术，更是衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志（李爱红，2004）。
后置处理是把加工刀具路径文件转换成某数控机床能直接执行的数控程序的过程。
由于后置处理系统与具体的数控机床和数控系统有关，因此，一般的CAD/CAM系统配置了一些后置处理程序供用户选择使用。
但是，多数后置处理系统对多轴或是一些特殊的指令没有配置后置程序，直接影响到CAD/CAM系统应用，因而，后置处理程序成为了CAD/CAM系统发展的必然趋势和要求（詹友刚，2008）。
1.2数控技术研究与发展状况
数控加工技术涉及数控机床和数控编程技术两方面，数控编程是目前CAD/CAM系统中最能明显发挥效益的环节之一。
对于复杂零件，特别是具有空间曲线、曲面的零件，如叶片、叶轮、复杂模具等，或者程序量很大的零件，数控编程通常采用自动编程系统，尤其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。
1954年，第一台三坐标数控铣床研制成功之后，美国麻省理工学院（MIT）就致力于NC（Number-Control）程序的计算机化，研制出“程序自动编辑工具”（沈兵，2001）。
数控系统也随着计算机软硬件的发展而被更为广泛地应用。
如日本发那科公司的FANUC系统、德国西门子公司的SIEMENS系统、西班牙发格公司的FACTOR系统、法国NUM公司的NUM系统、日本三菱电机公司的MELDAS-M3/L3系统及中国上海开通公司的MTC-T系统、中国南京大方公司的JWK系统等等，数控厂家不计其数，型号千差万别，各种特定功能的机床也应运而生，这就使得后置处理系统成为了数控加工技术发展的“瓶颈”（ 郭旭伟，2001）。
1.2.1国外的研究动态及发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对关系国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展也起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：
（1）高速、高精加工技术及装备的新趋势
效率、质量是先进制造技术的主体。
高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。
为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）也将其确定为21世纪的中心研究方向之一。
从发展趋势的情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。
目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。
美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。
德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达120000r/min和lg。
在加工精度方面，近十年来，普通级数控机床的加工精度已由10µm提高到5µm，精密级加工中心则从3～5µm，提高到l～1.5µm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01µm）。
（2）轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。
一般认为，一台五轴联动机床的效率可以等效于两台三轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，五轴联动加工可比三轴联动加工发挥更高的效益。
但过去因五轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比三轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了五轴联动机床的发展。
当前由于电主轴的出现，使得实现五轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。
因此促进了复合主轴头类型五轴联动机床和复合加工机床（含五面加工机床）的发展。
新日本工机的五面加工机床采用复合主轴头，可实现四个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得五面加工和五轴加工可在同一台机床上实现，此外，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。
德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制下，一次装夹实现五面加工和五轴联动加工。
（3）智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
2l世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：
为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；为简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
总之，新一代数控系统技术水平的大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速度、智能化、开放式、网络化方向的发展，使得柔性自动化加工技术的水平不断提高（申丽国，张昆，黄征，1996）。
1.2.2国内的研究动态及发展趋势
多年来，国内对后置处理理论与技术也进行了较为深入的研究，取得了一定的研究成果。
针对自行开发的CAD/CAM系统，张利波等提出了一种基于配置文件的开放式数控编程通用后置处理模型，定义了配置文件的语法规则，给出了配置文件的BNF语言描述及相应的解释算法，并在HUSTCADM系统中给予实现。
程筱胜等对南京航空航天大学的超人CAD/CAM系统的通用后置处理系统进行了研究，开发了具有交互式图形系统用户界面的通用后置处理程序。
尽管该后置处理系统具有很好的可靠性和较强的通用性，但超人CAD/CAM系统和HUSTCADM系统一样都没能走向商品化。
近年来，国内开发的商品化CAD/CAM系统中，CAXA-ME（制造工程师）是目前应用最广泛的系统，通过后置处理设置，能解决常见数控机床的后置处理问题。
但CAXA-ME有很大的局限性，只适用于一般铣削加工，在解决Sodick类型机床的数控代码时，如果零件中涉及到孔的加工，它将不能生成相关后置代码。
对于三维曲面多坐标数控加工及其编程技术，刘雄伟等探索了其后置处理的算法，韩向利等对五坐标数控机床的后置处理算法原理和后置处理配置文件参数进行了探索和设计。
近几年来，我国数控技术产业在技术上己有多个方面的跨越。
（1）有了自主研制的CAD/CAM系统（如北航海尔公司的CAXA-ME系统）；
（2）可供应集成化、柔性化的制造装备（如北京机电院等开发的多台数控几床联成的局域网，可在服务器上实现加工对象的实体造型，并将加工程序通过网络，自动地传送到各台数控机床）；
（3）向无图加工领域迈上了一个新台阶（某航天研究所已完成整个系统的研究）；
（4）多轴连动的机床已国产化（常州机床总厂研制的五轴联动数控机床）；
（5）高速加工已开始国产化；
（6）并联运动机床研究成功。
在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。
在数控技术方面，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础（龚荣文，2007）。
1.3课题研究的意义
在数控自动编程中，刀位轨迹计算过程为前置处理，前置处理产生刀位文件即CL文件（CutterLotionFile）。
而将刀位文件与具体的机床特性文件相结合，转换成适合于机床能够识别的加工程序的过程即为后置处理。
对于相同的加工，不同的数控机床或加工中心，代码格式也各不相同，这就要求CAM软件能够提供不同机床的后置处理。
而通用后置处理系统一般是指后置处理程序功能的通用化，要针对不同的数控系统对刀位文件进行后置处理，输出数控程序，就需要在其基础上开发出相应的专用后置处理程序（张运泰，2000）。
好的CAM软件，对于常见数控机床，都提供通用的后置处理模块，但对于某些数控机床系统的特点，则提供了开放式的后置处理自定义功能。
如Pro/E野火3.0、4.0系统，具有采取问答和编程相结合的方式，帮助用户定义特殊的后置处理功能，并能通过Vericut仿真系统进行干扰检查，使用户具有完成通用和专用后置处理的能力。
在通用化后置处理的基础上，进行专用化开发已成为后置处理技术发展的主要趋势（C.Lartigue，E.Duc，A.Affouard，2003）。
蛋糕裱花的数控操作关键是利用上述开发出的后置处理器完成从CL数据文件转换成PLC能够识别的自动执行程序。
并在此基础上进行不断的优化操作，通过逆向思维，完善裱花操作过程中的各种动作。
1.4课题的技术路线及主要研究内容
1.4.1技术路线
在通过大量的资料查阅及解读之后，分析了通用后置处理系统及其实现过程，了解了后置处理开发过程中的难点及一些常用参数的设置问题，从而确定了本课题的技术路线。
（1）熟练运用Pro/E提供的NC模块进行各种铣削/车削操作及参数设置，如体积快、刻模、打孔、曲面等切削方式，并能够进行数控模拟仿真，以排除干扰项。
（2）详细了解总项目所开发的数控系统，掌握其刀位点数据参数及一些常用的数控代码指令的意义。
（3）进入Pro/ENC后置处理模块，按照上述要求进行Post设置，创建符合要求的后置处理器。
（4）输出Pro/E数控加工过程中的CL数据文件，再通过后置处理器将其转换成数控程序。
在此过程中还需进行数控程序代码特点及开发平台功能特性的分析。
（5）将转换好的.tap文件载入到数控系统中进行初步试验，以便进行后续的优化与改进。
1.4.2主要研究内容
（1）后置处理技术研究。
阐述了本论文研究的背景、意义及数控技术发展的趋势，并研究了坐标变换的数学理论及后置处理开发过程，为后置处理算法提供理论基础；
（2）分析二轴联动数控裱花机的工作台运动特点，设计相应的PLC运行控制指令集。
数控加工的走刀方式主要定义一下几个指令：
点定位（G00）；直线插补（G01）；顺时插补（G02）；逆时插补（G03）；换刀动作（换奶油桶）（M06）；奶桶号（T代码）。
还包括一些辅助代码如启动和停止指令。
（3）对后置处理的平台（Pro/NC）及数控系统代码进行分析，编写相应的Pro/E后置处理程序。
同时分析数控系统的编程指令的意义及结构、Pro/NC的刀位点文件特点及后置处理平台的功能。
对SIEMENS和FANUC两大主流系统的编程指令的特点进行剖析；
（4）根据Pro/E绘制的花形图案输出相应的驱动控制程序。
数控操作参数设置好之后，控制程序便可以通过后置处理器将CL文件转换过来。
2后置处理技术
基于蛋糕裱花的数控加工，本章主要针对Pro/E后置处理技术进行讨论研究，分析了通用后置处理系统及其实现途径。
通过对后置处理过程的分析，深入的了解后置处理器在创建过程中的难点与重点，即坐标变换理论。
理解后置处理功能的基本理念，是有效对加工信息处理的重要前提和可靠保证。
2.1后置处理系统原理
把刀位文件转换成指定数控机床能执行的数控程序的过程称为后置处理（Postproccssing）。
后置处理的任务是根据具体机床运动结构和控制指令格式，将前置处理中计算的刀位点数据变换成机床各轴的运动数据，并按其控制指令格式转换成为数控机床的加工程序。
一般包括以下几个方面：
机床运动变换、程序格式设置、编程方式设置、非线性运动误差校验、进给速度校验等（曾爱华，1996）。
数控程序就是一连串的数控指令，而完成一个零件的数控加工一般需要连续执行一连串的数控指令，数控机床的所有运动和操作都是执行特定的数控指令的结果。
自动编程的刀具轨迹计算产生的是刀位点文件（CL文件），而不是数控程序。
那么要完成从刀位点文件到数控程序的转换，就必须通过与数控机床相应的后置处理程序。
后置处理系统分为通用后置处理系统和专用后置处理系统。
专用后置处理系统只是针对一些特殊数控编程系统和数控机床而开发的专用后置处理程序，其刀位点文件也比较简单，不符合IGES标准，其数控机床编程的指令也只用少许，程序结构也比较简单，实现也比较容易（詹友刚，2008）。
2.2后置处理过程分析
数控机床的各种运动都是执行特定数控指令的结果，完成一个零件的数控加工一般需要连续执行一连串的数控指令，即数控程序。
利用自动编程方法将经过刀位计算产生的是刀位文件设法转换成数控机床能执行的数控程序，并输入机床才能进行零件的数控加工（龚荣文，2007）。
后置处理程序的输入数据是输出刀具位置的数据、机床描述信息以及控制机床各功能的辅助信息等。
国际标准组织对刀位数据有相应的标准（Y.H.Jung,D.W.Lee,J.S.Kim，2002）。
后置处理程序的主要任务包括对刀具位置数据的转换及插补处理，以及对后置处理语句的处理。
其过程如图2.1所示。
N
Y
文件结束
机床特性
数控系
统特性
数控加工程序
格式转化
非线性误差校核与修正
结束
机床轴运动求解
读刀位文件
开始
进给速度校核与修正
图2.1后置处理流程
Fig.2.1TheprocessofPostprocessing
运动处理部分是后置处理的主要任务，它根据由刀位数据文件中读入的刀具位置数据以及几何轮廓数据进行如下处理，主要工作包括：
（1）坐标的变换：
在多坐标加工的程序处理过程中，就不可避免地要进行转角的计算和坐标的变换工作。
（2）插补处理：
根据机床所具有的插补功能和加工对象选择采用合适的插补方法，如直线插补、圆弧插补等。
（3）极限及间隙校验：
要保证机床的工作行程极限不超出，并保证刀具不会切入机床的任何部分，另外要保证刀具的加工轨迹在公差范围之内（关耀奇,谭加才,黄菊生，2005）。
2.3后置处理的数学理论
数控机床一般用3个相互垂直的轴所形成的直角坐标系（满足右手定则）来定义刀具的运动轴向。
其轴向运动一般有两种基本类型即线性运动和旋转运动。
数控机床根据其结构不同，坐标系设定也不同。
坐标变换就是根据机床坐标系特点，对刀位点进行坐标平移、旋转等变换，具体表示为：
（2.1）
2.3.1坐标平移
平移变换是指立体在空间沿X、Y、Z轴三个方向移动一个位置，而立体本身的大小和形状并不改变，齐次交换矩阵为：
（2.2）
空间一点（x，y，z）在X、Y、Z轴三个方向的平移量分别为dl、d2、d3，其平移变化结果为：
（2.3）
2.3.2比例变换
所谓三维比例变换就是将空间立体图形各个顶点按规定的比例放大或者缩小，齐次变换矩阵为：
（2.4）
如果X、Y、Z轴缩放的比例相同，即为
（其中s=a1=b2=c3）。
空间一点（x，y，z）在X、Y、Z轴三个方向的放大或者缩小比例s，其变化结果为：
（2.5）
2.3.3坐标旋转
三维旋转变换指空间立体绕某一轴旋转一个角度，一般绕坐标轴旋转α角。
α角的正负按右手法则确定：
右手大拇指指向旋转轴的正向，其余4个手指的指向即为α角的正向。
（1）XY平面绕Z轴旋转α角
空间立体绕Z轴旋转角α后，各顶点的Z坐标不变，只是X和Y坐标发生变化，如图2.2所示：
Y轴
旋转后X轴
旋转后Y轴
α
X轴
图2.2XY平面的旋转
Fig.2.2RotationofXYplane
其齐次变换矩阵为：
（2.6）
（2）ZX平面绕Y轴旋转α角
空间立体绕Y轴旋转角α后，各顶点的Y坐标不变，只是Z和X坐标发生变化，如图2.3所示：
Z轴
旋转后X轴
旋转后Z轴
X轴
α
图2.3ZX平面的旋转
Fig.2.3RotationofZXplane
其齐次变换矩阵为：
（2.7）
（3）YZ平面绕X轴旋转α角
空间立体绕X轴旋转角α后，各顶点的X坐标不变，只是Y和Z坐标发生变化，如图2.4所示：
Z轴
旋转后Y轴
旋转后Z轴
α
Y轴
图2.4YZ平面的旋转
Fig.2.4RotationofYZplane
其齐次变换矩阵为：
（2.8）
3后置处理器实现平台及数控系统分析
本章主要介绍了Pro/E的各功能特点及后置处理开发平台的功能，并在此平台上对加工中心程序代码进行分析，为后置处理程序的开发提供了基础平台。
3.1Pro/E软件概述
Pro/E是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称，是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最
升级会员 