0 引言

    后置處理是數(shù)控加工自動編程中需要考慮的一個重要問題。將原刀位數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)變成指定機床能執(zhí)行的數(shù)控程序的過程稱為后置處理。實踐證明，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)控機床加工，這就嚴重影響了生產(chǎn)效率。況且在修改過程中避免不了存在漏改或者錯誤等情況，這樣會導致數(shù)控加工不能安全、可靠地進行。為提高自動編程效率，充分發(fā)揮加工設(shè)備優(yōu)勢，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)計指標：

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

    (2)實現(xiàn)基本的后置功能，除支持直線插補外，還支持圓弧插補運動，包括整圓輸出；

    (3)支持程序的整體偏移和旋轉(zhuǎn)；

    (4)支持自動換刀以及動態(tài)速度F的實現(xiàn)；

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

    (6)支持鉆空循環(huán)指令的輸出。

2 后置處理算法的數(shù)學基礎(chǔ)

    在圖形顯示過程中，一般來說，需要對圖形進行平移、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現(xiàn)的。這里簡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三個方向移動一個位置，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(X Y Z)在X、Y、Z三個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)一個角度θ(=A，B，C)。θ角度的正負按右手法則確定：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

    以上簡單介紹了后置處理算法中所要用到的數(shù)學基礎(chǔ)，特別是三維基本變換矩陣的組合，它是推導四坐標數(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

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

    Y-Z平面內(nèi)坐標變換及A值的計算

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

    當α_x=0時，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)

    此時計算出的A值為相對工件坐標系的絕對坐標值，為使處理出的程序為相對坐標編程，必須采用前后角度相減獲得相對值A(chǔ)，而相對值有可能超過±180°，實際葉片加工的程序除選擇工件坐標系后的第一個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A值是1°，緊跟下一個A值是359°，此時△A=358°，而實際上我們要求工件轉(zhuǎn)動-2°，而不是358°。設(shè)處理出的NC程序中的相對轉(zhuǎn)動角用A＇來表示，則A＇的計算如式(7)。

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

    如圖2所示，刀軸矢量方向與Z軸的夾角為A，當工件坐標系旋轉(zhuǎn)一個角度A值后，此時刀具中心線與YOZ平面平行，刀心坐標從(Y，Z)旋轉(zhuǎn)到了(Y＇，Z＇)。完成上述旋轉(zhuǎn)計算后刀位點的坐標在三維空間下就由(X、Y、z)變成了(X、Y＇、Z＇)

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

4 軟件設(shè)計界面

    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話框；另有XYZ軸和A軸的偏移補償、動態(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。

5 實驗驗證

    開發(fā)的后置處理程序，對多個復雜曲面零件的加工刀軌文件進行后置處理，輸出的數(shù)控加工程序應用于XH715D四軸加工中心進行加工，驗證了該后置處理程序的正確性。

    下面是以葉片進行后置處理后生成的部分數(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，也積累了多軸后置處理軟件的開發(fā)經(jīng)驗，將為后續(xù)通用后置處理軟件設(shè)計以及五軸以上的專用后處理軟件的開發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ)。