0 引言

　　后置處理是數(shù)控加工自動(dòng)編程中需要考慮的一個(gè)重要問題。將原刀位數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)變成指定機(jī)床能執(zhí)行的數(shù)控程序的過程稱為后置處理。實(shí)踐證明，直接利用Cimatron、NX、CATIA等通用后置處理器生成的NC代碼一般都要經(jīng)過大量的修改才能用于數(shù)控機(jī)床加工，這就嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。況且在修改過程中避免不了存在漏改或者錯(cuò)誤等情況，這樣會(huì)導(dǎo)致數(shù)控加工不能安全、可靠地進(jìn)行。為提高自動(dòng)編程效率，充分發(fā)揮加工設(shè)備優(yōu)勢(shì)，本文在Cimatron通用后置處理器的基礎(chǔ)上，用VB6.0編程語言針對(duì)XH715D四軸加工中心和配置的HNC-22M數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了專用后置處理程序，并通過產(chǎn)品加工驗(yàn)證了該程序的正確性。

1 后置處理軟件的開發(fā)思路

　　本軟件的功能定位在將CimatronE自動(dòng)編程模塊前置處理生成的APT刀位數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為HNC-22M系統(tǒng)的G代碼，適用于加工中心XH715D的數(shù)控加工。

　　軟件的設(shè)計(jì)指標(biāo)：

　　(1)兼容CimatronE版生成的APT文件，支持CimatronE文件的檢測(cè)，并能對(duì)3軸和4軸APT文件進(jìn)行識(shí)別及后處理；

　　(2)實(shí)現(xiàn)基本的后置功能，除支持直線插補(bǔ)外，還支持圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，包括整圓輸出；

　　(3)支持程序的整體偏移和旋轉(zhuǎn)；

　　(4)支持自動(dòng)換刀以及動(dòng)態(tài)速度F的實(shí)現(xiàn)；

　　(5)在VB6.0環(huán)境下開發(fā)，采用WINDOWS通用界面，操作簡(jiǎn)單；

　　(6)支持鉆空循環(huán)指令的輸出。

2 后置處理算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

　　在圖形顯示過程中，一般來說，需要對(duì)圖形進(jìn)行平移、放大縮小、旋轉(zhuǎn)等基本的幾何變換操作。圖形的平移、放大縮小、旋轉(zhuǎn)從數(shù)學(xué)上看都是幾何性質(zhì)的“變換”，故又稱之為圖形的幾何變換。這一類變換主要是通過矩陣代數(shù)中的齊次變換矩陣方法得以實(shí)現(xiàn)的。這里簡(jiǎn)要介紹下平移和旋轉(zhuǎn)變換。

　　2.1 平移變換

　　平移變換是指立體在空間沿X、Y、Z三個(gè)方向移動(dòng)一個(gè)位置，而立體本身的大小和形狀并不改變。齊次變換矩陣為：

　　空間一點(diǎn)(X Y Z)在X、Y、Z三個(gè)方向的平移量分別為l、m、n，其平移變化結(jié)果為：

　　2.2 旋轉(zhuǎn)變換

　　三維旋轉(zhuǎn)變換指空間立體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度θ(=A，B，C)。θ角度的正負(fù)按右手法則確定：右手大拇指指向旋轉(zhuǎn)軸的正向，其余4個(gè)手指的指向即為θ角度的正向。

　　(1)繞X軸旋轉(zhuǎn)A角

　　(2)繞Y軸旋轉(zhuǎn)B角

　　(3)繞Z軸旋轉(zhuǎn)C角

　　以上簡(jiǎn)單介紹了后置處理算法中所要用到的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，特別是三維基本變換矩陣的組合，它是推導(dǎo)四坐標(biāo)數(shù)控加工后置處理算法的關(guān)鍵所在。

3 XH715D四軸加工中心后置處理算法模型

　　對(duì)于四坐標(biāo)數(shù)控加工，刀位原文件中刀位的給出形式為刀心坐標(biāo)和刀軸矢量，在后置處理過程中，需要將它們轉(zhuǎn)換為機(jī)床的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，對(duì)于不同類型運(yùn)動(dòng)關(guān)系的數(shù)控機(jī)床，該算法是不同的，本文以XH715D加工中心為例以數(shù)學(xué)問題求解的形式來討論后置處理算法。該機(jī)床是立式加工中心，旋轉(zhuǎn)軸是X軸，因此計(jì)算A角。

　　Y-Z平面內(nèi)坐標(biāo)變換及A值的計(jì)算

    圖1 刀具中心和刀軸矢量圖

　　由CimatronE生成的刀位文件（CL）設(shè)刀心C在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（X、Y、Z），刀軸矢量α（為單位矢量）在工件坐標(biāo)系中為：（α_x，α_y，α_z），由于是在Y、Z平面內(nèi)的坐標(biāo)變換，因此X值和α_x在此處暫時(shí)不用。因?yàn)閷?shí)際機(jī)床加工時(shí)，刀具是不會(huì)相對(duì)于X軸旋轉(zhuǎn)的，刀具中心線是始終與YOZ平面平行的，只是工件在相對(duì)于X軸旋轉(zhuǎn)，為此我們首先必需將工件坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)一定的角度，使YOZ平面與刀具中心線平行。為方便旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算先將刀軸矢量的起點(diǎn)移到工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)，如圖2所示，旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算是從Z軸開始的，將刀軸矢量α的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為刀具相對(duì)于工件的轉(zhuǎn)動(dòng)（因?yàn)闄C(jī)床的運(yùn)動(dòng)指的是刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)）：使刀具相對(duì)于工件繞X軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)A角（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)可保證轉(zhuǎn)動(dòng)角A的值為正）(A值亦可取負(fù)值，只不過工件在機(jī)床上第一次旋轉(zhuǎn)是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)而已)A值的計(jì)算如式(6)：

　　當(dāng)α_x=0時(shí)，A值分別為以下兩種情況：

　　A=90°（α_y<0且α_x=0）

　　A=270°(α_y>0且α_x=0)

    圖2 刀軸旋轉(zhuǎn)角度A值計(jì)算

　　此時(shí)計(jì)算出的A值為相對(duì)工件坐標(biāo)系的絕對(duì)坐標(biāo)值，為使處理出的程序?yàn)橄鄬?duì)坐標(biāo)編程，必須采用前后角度相減獲得相對(duì)值A(chǔ)，而相對(duì)值有可能超過±180°，實(shí)際葉片加工的程序除選擇工件坐標(biāo)系后的第一個(gè)A值是任意值(A≤360°)，根據(jù)不同角度位置需做特殊處理。例如有一個(gè)A值是1°，緊跟下一個(gè)A值是359°，此時(shí)△A=358°，而實(shí)際上我們要求工件轉(zhuǎn)動(dòng)-2°，而不是358°。設(shè)處理出的NC程序中的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角用A＇來表示，則A＇的計(jì)算如式(7)。

　　按（式7）計(jì)算出工件相對(duì)工件坐標(biāo)系需轉(zhuǎn)動(dòng)的A值后，由于坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)使得刀心點(diǎn)的坐標(biāo)值發(fā)生改變，因而現(xiàn)在必需計(jì)算坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)一個(gè)A后刀心點(diǎn)的坐標(biāo)值，旋轉(zhuǎn)后刀心點(diǎn)的Y坐標(biāo)值才是NC程序中所需的絕對(duì)坐標(biāo)編程時(shí)的Y值，而旋轉(zhuǎn)后的Z值還需在后面做一次擺動(dòng)計(jì)算。在平面中工件繞X軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)A值的變換矩陣為式(8)，式中的A值是按式(7)計(jì)算出的A值。

　　則按變換矩陣變換后的坐標(biāo)值(Y＇Z＇)為：

    將其展開就得式(8)：

　　如圖2所示，刀軸矢量方向與Z軸的夾角為A，當(dāng)工件坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度A值后，此時(shí)刀具中心線與YOZ平面平行，刀心坐標(biāo)從(Y，Z)旋轉(zhuǎn)到了(Y＇，Z＇)。完成上述旋轉(zhuǎn)計(jì)算后刀位點(diǎn)的坐標(biāo)在三維空間下就由(X、Y、z)變成了(X、Y＇、Z＇)

　　完成上述計(jì)算后，還需將計(jì)算所得的X Y Z坐標(biāo)值前后相減獲得增量值。

4 軟件設(shè)計(jì)界面

　　軟件界面如圖3所示。提供APT文件和G代碼文件路往的編輯框，并采用了windows系統(tǒng)內(nèi)置的打開文件和保存文件等對(duì)話框；另有XYZ軸和A軸的偏移補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)速度，的初始化等內(nèi)容。由于后置處理軟件使用頻繁，界面設(shè)計(jì)上盡量方便使用者，如APT文件經(jīng)過后處理軟件轉(zhuǎn)換成G代碼后，所得G代碼自動(dòng)覆蓋了原來的APT文件，這樣就意味著G代碼文件路徑跟APT文件路徑一樣。

    圖3 軟件界面

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　開發(fā)的后置處理程序，對(duì)多個(gè)復(fù)雜曲面零件的加工刀軌文件進(jìn)行后置處理，輸出的數(shù)控加工程序應(yīng)用于XH715D四軸加工中心進(jìn)行加工，驗(yàn)證了該后置處理程序的正確性。

    下面是以葉片進(jìn)行后置處理后生成的部分?jǐn)?shù)控加工程序代碼：

6 結(jié)束語

　　通過后處理軟件CEPP的開發(fā)和應(yīng)用，解決了車間數(shù)控加工中的急需，提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，也積累了多軸后置處理軟件的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，將為后續(xù)通用后置處理軟件設(shè)計(jì)以及五軸以上的專用后處理軟件的開發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。