数控加工后置处理技术
日期：2008-9-11 8:48:36 来源：中国自动化网
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数控编程是CAM的重要组成部分。它包括加工刀具路径文件的生成和机床数控代码指令集的生成。加工刀具路径文件可利用CAD/CAM软件，根据加工对象的结构特征、加工环境特征（其中包括机床-夹具-刀具-工件所组成的具体工序加工系统的特征）以及加工工艺设计的具体特征来生成描述加工过程的刀具路径文件。通过后置处理器读取由CAM系统生成的刀具路径文件，从中提取相关的加工信息，并根据指定数控机床的特点及NC程序格式要求进行分析、判断和处理，最终生成数控机床所能直接识别的NC程序，就是数控加工的后置处理数控加工后置处理是CAD/CAM集成系统非常重要的组成部分，它直接影响CAD/CAM软件的使用效果及零件的加工质量。目前国内许多CAD/CAM软件用户对软件的应用只停留在CAD模块上，对CAM模块的应用效率不高，其中一个非常关键的原因就是没有配备专用的后置处理器，或只配备了通用后置处理器而没有根据数控机床特点进行必要的二次开发，由此生成的代码还需人工做大量的修改，严重影响了CAM模块的应用效果。
目前，从技术上讲，由于CAD/CAM系统硬件和软件的发展，对加工对象、加工系统建立三维模型、运用图形交互的方法实现刀具路径的生成、加工过程仿真和干涉碰撞检查已经是可行的。北京市机电研究院在工程实践中已付诸实施，并取得了良好效果。而要使生成的刀具路径文件转换成数控NC程序，驱动和控制机床实施加工，还必须以相应的后置处理器开发为条件。
对于使用多种CAD/CAM系统，配备多种机床各种类型数控系统的情况就更为复杂，这是因为后置处理面临如下纷繁的情况：
1、刀具路径文件格式的多样性
刀具路径文件采用APT语言格式，这种语言接近于英语自然语言，它描述当前的机床状态及刀尖的运动轨迹。它的内容和格式不受机床结构、数控系统类型的影响。
但不同的CAD/CAM软件生成的刀具路径文件的格式均有所不同,如：“调用n号刀具，长度补偿选用a寄存器中的值”，表示这一功能的指令在不同的CAM系统表述格式不同。例如几种CAD/CAM系统的表述格式如表1所示。
表1 CAD/CAM系统的表述格式
2、NC程序格式的多样性
NC程序由一系列程序段组成，通常每一程序段包含了加工操作的一个单步命令。程序段通常是由N、G、X、Y、Z、F、S、T、M．．．．．地址字和相应的数字值组成的。
(1) ISO-1056-1975标准对其中的部分准备代码功能、辅助功能代码的功能作了统一的规定，如：G00快速点位运动、G01直线插补、G02顺时针圆弧插补、G03逆时针圆弧插补、G04驻留。但还有大量的未作统一规定的‘不指定代码’，其中不指定的‘G’代码由数控系统厂家根据需要自行制定其代码功能，如表2所示。
表 2 根据需要自行制定的‘G’代码功能
未做统一规定的‘M’代码由数控机床制造厂根据其机床所具有的附属设备功能制定其代码功能。如日本日立精机公司制造的柔性加工单元HG500，带有16个托盘（PPL），托盘可自动交换，实现无人加工。为了控制托盘自动进入主机，它用M87～M89代码控制A.P.C门的开关：
(2)有些数控系统对部分G代码的功能并不严守ISO-1056标准的规定，而是自行定义，如表3所示。
表 3 东芝数控系统自行定义的G码功能
(3)个别数控系统的NC程序采用了比较特殊的代码格式，如HEIDENHAIN TNC 426系统，右补偿直线插补语句格式： FL X+10 Y+10 RL，对应于标准代码 ：G01 G42 X10 Y10。
3、技术需求的多样性
随着技术的发展和应用的进展，现在的后置处理技术已不能停留在仅仅是对刀具路径文件的代码转换，而是增加了从具体的加工需求特征、具体的数控机床和数控系统的特征出发，赋予后置处理器以更多的功能要求。
高速数控加工的出现不仅对机床结构和数控系统提出了新的要求，对于加工工艺的策划、工艺参数的设置和加工约束的设置也提出了新的要求。于是有的厂商开发了专门支持高速加工的后置处理器。这种后置处理器对于配备有高速加工控制器的机床，可借助该后置处理器所配置的专家系统工具，描述自己的高速加工需求特征，后置处理器可生成相应的代码，激活/撤消相应的高速加工操作指令，可根据使用需求进行仿真。对于未配备高速加工控制器的机床，该后置处理器还能设定进给速度变化的最大允许增量，根据允许惯性力设定允许的最大加/减速，设定加速时间常数和回路增益时间常数，设定速度超调数据等。
又如各种数控系统在曲面加工时，所用的曲面拟合模型不尽相同，有的用Nurbs拟合模型，有的用Bezier拟合模型，有的用Polymial拟合模型，还有的用Spline拟合模型，后置处理器就面临支持相应的多种曲面拟合模型的问题。
在工程实践中，当遇到相似加工对象的相似加工需求时，常常可以用已有的行之有效的NC加工程序进行修改后使用。然而如何确保修改结果的正确性则是个问题，不能都放到机床上去调试，这在单件加工时尤为重要。此外，现有的许多CAD/CAM系统的加工仿真只是以所生成的刀具路径文件为基础进行加工仿真和干涉检查，这显然是不够的。因此，以NC代码指令集及其相应参数设置为信息源的仿真（包括逻辑仿真和过程仿真）就显得十分重要。因此,一个完善的后置处理器应具备以下功能：
（1）接口功能：后置处理器能自动地识别、读取不同的CAD/CAM软件所生成的刀具路径文件。
（2）NC程序生成功能：数控机床具有直线插补、圆弧插补、自动换刀、夹具偏置、冷却等一系列的功能，功能的实现是通过一系列的代码组合实现的。代码的结构、顺序由数控机床规定的NC格式决定。当前世界上一些著名的后置处理器公司开发出通用后置处理器，它提供一种功能数据库模型，用户根据数控机床的具体情况回答它所提出的问题，通过问题回答生成用户指定的数控机床的专用后置处理器。用户只需要具有机床操作知识和NC编程知识，就能编出满意的专用后置处理器。当所提供的数据库不能满足用户的要求时，它提供的开发器允许用户进行修改和编译。因此可以按照数控机床的功能建立一个关系数据库，每个功能如何实现，由用户根据机床的结构、使用的数控系统指定控制的代码及代码结构。
（3）专家系统功能：后置处理器不只是对刀具路径文件进行处理、转换，还要能加入一定的工艺知识。如高速加工的处理、加工丝杠时切削参数的选择等。
（4）反向仿真功能：以NC代码指令集及其相应参数设置为信息源的仿真。它包括两部分：
NC程序的主体结构检查和NC程序语法结构检查；数控加工过程仿真。以NC程序为基础，模拟仿真加工过程，判断运动轨迹的正确性及加工参数的合理性。
不同结构的机床、不同的数控系统、不同的编程习惯，其NC程序的结构和格式千差万别。因此，反向仿真难度非常大。目前，尚未有较成熟的商品性软件。
综上所述，要使所生成的数控程序不经手工修改，直接应用于数控机床加工，则必须针对每一台数控机床定制专用的后置处理器。这就要求开发人员熟悉所用的CAM系统及所生成的刀具路径文件的格式、熟悉所用数控机床及其数控系统代码功能及其表述格式，而这一工作是智力密集和劳动密集兼而有之的过程。当面临的CAM系统众多，机床及其数控系统众多的情况下，从头开发专用后置处理器的工作就显得相当繁重。因此，近年来出现了以开发通用后置处理器为基础，应用数控代码导向等相关技术定制数控机床专用后置处理器的做法，用通用后置处理器解决共性问题，用定制后置处理器解决个性问题。实践表明，这是一种有效的方法。该院应用这一方法从1996年起，陆续开发定制了包括龙门式五面加工中心、龙门式立式加工中心、卧式柔性加工单元、立式加工中心、数控车床、车削中心等多种类型机床的十种专用后置处理器，数控系统包括FANUC、TOSNUC、MITSUBISH、A2100、A850、MAZAK等，覆盖了该院的产品和使用的数控设备，并在工程应用中取得了良好的效果。其中，对三轴带回转工作台的卧式加工中心、五面加工中心的专用后置处理器的开发，建立了该类结构机床的后置处理结构模型，积累了开发的经验。
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目前，从技术上讲，由于CAD/CAM系统硬件和软件的发展，对加工对象、加工系统建立三维模型、运用图形交互的方法实现刀具路径的生成、加工过程仿真和干涉碰撞检查已经是可行的。北京市机电研究院在工程实践中已付诸实施，并取得了良好效果。而要使生成的刀具路径文件转换成数控NC程序，驱动和控制机床实施加工，还必须以相应的后置处理器开发为条件。
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对于使用多种CAD/CAM系统，配备多种机床各种类型数控系统的情况就更为复杂，这是因为后置处理面临如下纷繁的情况：
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1、刀具路径文件格式的多样性
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刀具路径文件采用APT语言格式，这种语言接近于英语自然语言，它描述当前的机床状态及刀尖的运动轨迹。它的内容和格式不受机床结构、数控系统类型的影响。
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但不同的CAD/CAM软件生成的刀具路径文件的格式均有所不同,如：“调用n号刀具，长度补偿选用a寄存器中的值”，表示这一功能的指令在不同的CAM系统表述格式不同。例如几种CAD/CAM系统的表述格式如表1所示。
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2、NC程序格式的多样性
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NC程序由一系列程序段组成，通常每一程序段包含了加工操作的一个单步命令。程序段通常是由N、G、X、Y、Z、F、S、T、M．．．．．地址字和相应的数字值组成的。
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(1) ISO-1056-1975标准对其中的部分准备代码功能、辅助功能代码的功能作了统一的规定，如：G00快速点位运动、G01直线插补、G02顺时针圆弧插补、G03逆时针圆弧插补、G04驻留。但还有大量的未作统一规定的‘不指定代码’，其中不指定的‘G’代码由数控系统厂家根据需要自行制定其代码功能，如表2所示。
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表 2 根据需要自行制定的‘G’代码功能
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未做统一规定的‘M’代码由数控机床制造厂根据其机床所具有的附属设备功能制定其代码功能。如日本日立精机公司制造的柔性加工单元HG500，带有16个托盘（PPL），托盘可自动交换，实现无人加工。为了控制托盘自动进入主机，它用M87～M89代码控制A.P.C门的开关：
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(2)有些数控系统对部分G代码的功能并不严守ISO-1056标准的规定，而是自行定义，如表3所示。
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表 3 东芝数控系统自行定义的G码功能
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(3)个别数控系统的NC程序采用了比较特殊的代码格式，如HEIDENHAIN TNC 426系统，右补偿直线插补语句格式： FL X+10 Y+10 RL，对应于标准代码 ：G01 G42 X10 Y10。
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3、技术需求的多样性
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高速数控加工的出现不仅对机床结构和数控系统提出了新的要求，对于加工工艺的策划、工艺参数的设置和加工约束的设置也提出了新的要求。于是有的厂商开发了专门支持高速加工的后置处理器。这种后置处理器对于配备有高速加工控制器的机床，可借助该后置处理器所配置的专家系统工具，描述自己的高速加工需求特征，后置处理器可生成相应的代码，激活/撤消相应的高速加工操作指令，可根据使用需求进行仿真。对于未配备高速加工控制器的机床，该后置处理器还能设定进给速度变化的最大允许增量，根据允许惯性力设定允许的最大加/减速，设定加速时间常数和回路增益时间常数，设定速度超调数据等。
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又如各种数控系统在曲面加工时，所用的曲面拟合模型不尽相同，有的用Nurbs拟合模型，有的用Bezier拟合模型，有的用Polymial拟合模型，还有的用Spline拟合模型，后置处理器就面临支持相应的多种曲面拟合模型的问题。
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在工程实践中，当遇到相似加工对象的相似加工需求时，常常可以用已有的行之有效的NC加工程序进行修改后使用。然而如何确保修改结果的正确性则是个问题，不能都放到机床上去调试，这在单件加工时尤为重要。此外，现有的许多CAD/CAM系统的加工仿真只是以所生成的刀具路径文件为基础进行加工仿真和干涉检查，这显然是不够的。因此，以NC代码指令集及其相应参数设置为信息源的仿真（包括逻辑仿真和过程仿真）就显得十分重要。因此,一个完善的后置处理器应具备以下功能：
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（1）接口功能：后置处理器能自动地识别、读取不同的CAD/CAM软件所生成的刀具路径文件。
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（2）NC程序生成功能：数控机床具有直线插补、圆弧插补、自动换刀、夹具偏置、冷却等一系列的功能，功能的实现是通过一系列的代码组合实现的。代码的结构、顺序由数控机床规定的NC格式决定。当前世界上一些著名的后置处理器公司开发出通用后置处理器，它提供一种功能数据库模型，用户根据数控机床的具体情况回答它所提出的问题，通过问题回答生成用户指定的数控机床的专用后置处理器。用户只需要具有机床操作知识和NC编程知识，就能编出满意的专用后置处理器。当所提供的数据库不能满足用户的要求时，它提供的开发器允许用户进行修改和编译。因此可以按照数控机床的功能建立一个关系数据库，每个功能如何实现，由用户根据机床的结构、使用的数控系统指定控制的代码及代码结构。
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（3）专家系统功能：后置处理器不只是对刀具路径文件进行处理、转换，还要能加入一定的工艺知识。如高速加工的处理、加工丝杠时切削参数的选择等。
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（4）反向仿真功能：以NC代码指令集及其相应参数设置为信息源的仿真。它包括两部分：
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NC程序的主体结构检查和NC程序语法结构检查；数控加工过程仿真。以NC程序为基础，模拟仿真加工过程，判断运动轨迹的正确性及加工参数的合理性。
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不同结构的机床、不同的数控系统、不同的编程习惯，其NC程序的结构和格式千差万别。因此，反向仿真难度非常大。目前，尚未有较成熟的商品性软件。
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综上所述，要使所生成的数控程序不经手工修改，直接应用于数控机床加工，则必须针对每一台数控机床定制专用的后置处理器。这就要求开发人员熟悉所用的CAM系统及所生成的刀具路径文件的格式、熟悉所用数控机床及其数控系统代码功能及其表述格式，而这一工作是智力密集和劳动密集兼而有之的过程。当面临的CAM系统众多，机床及其数控系统众多的情况下，从头开发专用后置处理器的工作就显得相当繁重。因此，近年来出现了以开发通用后置处理器为基础，应用数控代码导向等相关技术定制数控机床专用后置处理器的做法，用通用后置处理器解决共性问题，用定制后置处理器解决个性问题。实践表明，这是一种有效的方法。该院应用这一方法从1996年起，陆续开发定制了包括龙门式五面加工中心、龙门式立式加工中心、卧式柔性加工单元、立式加工中心、数控车床、车削中心等多种类型机床的十种专用后置处理器，数控系统包括FANUC、TOSNUC、MITSUBISH、A2100、A850、MAZAK等，覆盖了该院的产品和使用的数控设备，并在工程应用中取得了良好的效果。其中，对三轴带回转工作台的卧式加工中心、五面加工中心的专用后置处理器的开发，建立了该类结构机床的后置处理结构模型，积累了开发的经验。
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