数控加工通用后置处理系统的开发及其关键技术研究.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 数控加工通用后置处理系统的开发及其关键技术研究 姓名：陈晨 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：彭芳瑜 20090518 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 I 摘摘 要要 当前，计算机辅助制造技术的重点研究和应用对象是复杂零件的数控复合加工， 而实现复杂零件数控复合加工的核心技术之一就是通用化的后置处理器研究针对 各种结构数控机床的通用化后置处理技术对于舰船螺旋桨、汽轮机叶片等复杂零件 的制造具有重要意义结合实际项目，在研究通用化后置处理系统开发关键技术的 基础上，提出了软件的技术路线与总体框架结构，并开发出软件原型系统 通用化后置处理系统的主要任务是针对不同 CAM 系统产生的刀具轨迹文件， 根 据不同的数控机床类型进行后置处理计算和格式转换，生成指定的数控系统可以读 取的加工程序本文提出通用后置处理软件的技术路线方案，设计系统模块化的结 构框架，并针对机床运动学建模求解、非线性加工误差控制、进给速度限制优化等 若干项关键技术展开分析 由于多轴数控机床引入了旋转运动轴，后置处理中刀具相对于工件合成进给速 度的限制与优化问题变得比较复杂。

本文依据速度椭球理论提出方向可操作度的概 念，分析多轴机床关节运动构形对于进给速度的影响，对其进行评价与优化；运用 方向可操作度建立机床关节空间与笛卡尔空间速度的非线性映射关系，对速度进行 限制优化，并以螺旋桨叶片加工为例进行仿真计算 非线性加工误差的产生是多轴数控加工中常见的问题，其主要原因是多轴机床 联动时的线性插补和非线性运动之间的不一致，这会对零件的加工质量产生影响 本文建立了用于非线性误差计算的数学模型，并结合叶片加工为例，分析由于机床 关节构形不同导致的非线性误差统计指标的波动，为后置处理过程提供参考依据 在数学模型的基础上，提出自适应线性化的误差控制策略，并应用于后置处理系统 非线性误差控制模块的开发，验证该策略的有效性 基于上述的技术路线和结构框架，对通用化后置处理系统进行开发，并将进给 速度限制和非线性误差控制模块嵌入其中 通过在配备华中科技大学自主研发的 “七 轴五联动车铣复合加工数控系统”的机床上进行了螺旋桨叶片加工试验，进给速度 和非线性误差控制效果较为明显，加工表面质量良好，本文的方法得到初步验证 关键词关键词：数控加工 后置处理 进给速度 方向可操作度 非线性加工误差 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 II Abstract The general postprocessor is one of the core technologies in NC machining of complex parts, which is the focus of research and application in the Computer-Aided Manufacturing area. Studying on the general postprocessing technology oriented at different NC machine tools is of great significance to the manufacturing of complex mechanical parts such as warship impellers, turbine blades and so on. Based on the study of the key technologies in developing general postprocessor, the technical route and software framework is proposed and a prototype system is developed. The main task of general postprocessor is to import the tool path files by different CAM system, make transformation with respect to machine tool types and generate the NC code which can be recognized by the specified control system. In this paper, the technical route and framework of software system is illustrated and related key technologies are analyzed, including kinematic modeling and solving for machine tools, the control of nonlinear error as well as restriction and optimization of feedrate. Since axis of rotation is taken into multi-axis NC machine tool, it’s complicated to consider the feedrate restriction and optimization in the postprocessor development. According to the theory of speed ellipsoid, the concept of directional manipulability measures is proposed. The concept is used to analyze the influence on feedrate by the motion construction of machine tool joints, which can be judged and optimized..Using the concept, nonlinear relationship between the feedrate in machine tool joint space and Cartesian space is established. Taking example for the impeller machining, simulation is conducted. Nonlinear error often occurs during multi-axis NC machining process, which can be primarily attributed to the inconsistency between linear interpolation and nonlinear motion while machining. It will affect the surface processing quality. In this paper, the mathematical model for calculating nonlinear error is established. Take example for impeller machining, the fluctuation of nonlinear error statistical indicators because of different joint motion construction is analyzed, which can provide reference for post processing. On the basis of mathematical model, adaptive linearization error control strategy is proposed, which can be applied in the development of general postprocessor, to verify its validity. According to the technical route and software framework above, general postprocessor is developed, embedding feedrate restriction module and nonlinear error control module. During trial machining of large-scale propeller on Heavy 7-5 axis lathe N20 G90 G00 X50.0 Y60.0 S300 M03; N30 G01 X10.0 Y50.0 F150; …… N110 M30; 程序结束指令 以上例子中， “O0001”即为程序名，由地址码O 和四位数字组成，起到标志符 的作用以示和其他数控程序的区别。

“N”代表每个程序段的开头，每个程序段中都 有指令字，如 G90、G01、X50.0 等，代表着某种特定功能一个程序段，从实际意 义上说，就代表了一个加工动作 程序段格式是指一个程序段中指令字的排列顺序，国际标准 ISO6983-I-1982 对 此作了具体规定目前数控系统广泛采用的是字地址程序段格式其一般格式为： N_ G_ X_ Y_ Z_ ... F_ S_ T_ M_ 2.2.2 数控编程中的常用指令代码数控编程中的常用指令代码 不同功能类型的数控加工指令对应不同的指令字，主要有 G 代码、M 代码、F 代码、S 代码、T 代码等其中 G 代码和 M 代码是程序段中的主要部分，国际标准 组织制定了它们的标准，我国也制定了与其等效的 JB3208-83 标准，如表 2. 1 所示 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 10 表 2. 1 常用的 NC 指令代码 2.3 常用常用 CAD/CAM 系统刀位系统刀位数据数据文件文件 刀位文件记录了刀具运动所经过点的坐标值，以及刀具轴线矢量，同时也指定 了主轴转速、进给速度等工艺参数。

不同的 CAD/CAM 系统生成的刀位文件的格式 有所区别 (1) UG/CAM 生成的刀位文件 当用户在 UG 的 CAM 模块中完成零件加工轨迹规划后， 即可将刀位文件导出到 系统外部UG 产生的刀位文件为 CLSF 文件（刀位数据源文件） ，可用文本编辑器 打开查看与编辑以下是一个标准的 CLSF 文件的一部分： TOOL PATH/SPC_STK5.5_ANGLE46.2_II,TOOL,T_CUTTER_80 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 11 TLDATA/TCUTTER,80.0000,0.0000,0.0000,140.0000,50.0000,50.0000 MSYS/0.0000,0.0000,0.0000,1.0000000,0.0000000,0.0000000,0.0000000,1.0000000 ,0.0000000 PAINT/PATH FROM/2000.0000,-900.0000,500.0000,0.0000000,0.0000000,1.0000000 FEDRAT/MMPM,1500.0000 GOTO/1609.2964,-1003.9210,141.3166 PAINT/COLOR,6 FEDRAT/16。