（机械工程专业论文）西门子802s数控系统专用后置处理器的研究与开发.pdf

南京理t 大学丁程硕卜学位论文两门子8 0 2 s 数榨系统专用后置处理器的研究与产发 摘要 本文结合九江机电研究所“西门子8 0 2 s 数控系统专用后置处理器的研发”项目， 针对x k l 6 0 p 数控铣床( 配置西门子8 0 2 s 数控系统) ，基于m a s t e r c a m 9 ( 其默认的通 用后置处理器为m p f a n p s t ) ，进行专用后置处理器w z x p s t 研究与开发。 参照西门子8 0 2 s 数控系统编程规范，对n c 程序头、起始部分、程序尾等所涉及 的控制语句和变量进行了重新调整和设计；针对8 0 2 s 不能识别g 8 1 等标准固定循环 代码的技术不足，对固定循环功能指令顺序动作进行了深入剖析，提出了利用g 0 0 等单程序段组合程序块等效代替g 8 1 等固定循环单程序段的解决方案；通过对相关环 节和变量的设置，研究了纳米级数控编程加工的实现技术；论文在分析单程序段圆 ( 弧) 插补输出格式技术优势和相关变量控制逻辑功能的基础上，通过在专用后置处 理器中对圆( 弧) 单程序段输出格式进行重新设计，实现了圆或圆弧单程序段插补以 及能各自按照不同的合理编程方式输出；论文最后探讨了专用后置处理器w z x p s t 与p c 、m a s t e r c a m 9 、) ( 1 ( 1 6 0 p 等的集成策略，并进行了两种后置处理器编程加工比较。 通过对典型零件和复杂曲面的自动编程和实际加工表明：本文研究设计开发的专 用后置处理器w z x p s t 能满足各种数控加工的要求，与m a s t e r c a m 9 的通用后置处理 器m p f a n p s t 相比，具有较高的加工适应性。 关键词：自动编程加工，特定数控系统，m a s t e r c a m 9 ，专用后置处理器 南京理t 大学t 程碗十学位论文 西门子8 0 2 s 数撺系统专用后置处理器的研究与开发 a b s t r a c t i i lt h er e s e a r c hp r o j e c to fs p e c i a lp o s tp r o c e s s o r ( s p p lf o rs 匝m e n s8 0 2 sc n c s y s t e mb yj i u j i a n gm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n , n l cw z x p s ti s r e s e a r c h e da n do p e n e do u tt h a ti sas p po l lt h em a s t e r c a m 9w h i c hh a sd e f a u l tg e n e r i cp o s t p r o c e s s o r ( g p p ) m p f a n p s t , c o n t r a p o s i n gt h es p e c i a la q cm i l lm a c h i n et 0 0 1w h i c ht y p e i sx k l 6 0 p t h a ti se q u i p p e dw i t hs i e m e n s8 0 2 sc n c s y s t e m n l e s ec o r r e l a t i v ec o n t r o ls e n t e n c e sa n dv a r i a b l e sa r ea d j u s t e da n dd e s i g n e dr e n e w e d l y t l l 缸a r e f o rc n ch e a da n ds t a r ta n dt a i le e la c c o r d i n gt op r o g j r a l n i n ec r i t e r i o na b o u t 8 0 2 s t h ec a n n e dd r i l l i n gc y c l e sa r ea n a t o m i z e dd e e p l ya n dap l a ni sb r i n g e df o r w a r dt h a t u s e sc o m b i n a t i o no fg 0 0e e tr e p l a c i n ge q u i v a l e n t l yg 8 1e e tw h i c ha l en o tr e c o g n i z e db y 8 0 2 s t h ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya b o u to 0 9 1m i c r o n sp r e c i s i o ni sd i s e u s s e db ys e t t i n g u pc o r r e l a t i v et a c h e sa n dv a r i a b l e s a n a l y z i n ga d v a n t a g eo fc i r c l eo ra r cp r o g r a m m eb y s i n g l es t o c ka n dc o n t r o ll o g i cf u n c t i o no fc o r r e l a t i v ev a r i a b l e s ，t h es p pi sr e d e s i g n e d f o rc i r c l eo ra r cp r o g r a m m et oo u t p u tc n cc o d eb ys i n g l es t o c ka n dd i f f e r e n tp r o g r a m m e f o r m a t i nt h ee n d t h es t r a t e g yi sd i s c u s s c dt h a tc a ni n t e g r a t et h es p pw z x p s ta n dp c a n dm a s t e r c a m 9a n dt h es p e c i a lc n cm i l lm a c h i n et o o li n t oa no r g a n i cw h o l e3 d c a d c a m “s t e m , a n dt h ew z x p s ti sc o m p a r e dw i t ht h em p f a n p s ti np r o g r a m m i n g a n dc n c m a c h i n i n g s o m er e p r e s e n t a t i v ep a r t sa n dc o m p l e xs u r f a c ew h i c ha l ep r o g r a m m e da u t o m a t i c a l l y a n dm a c h i n e dp r a c t i c a l l ya r es e l e c t e d , a n dt h er e s u l ti st h a tt h es p pw z x p s tc a na d a p t w e l li t s d ft ot h es p e c i a lc n cm i l lm a c h i n et o o lc o m p a r i n gw i t ht h em p f a n p s ta n d m e e tt h ed e m a n df o ra l lk i n d so f c n cm a c h i n i n g k e y w o r d s ：a u t o m a t i e a l l yp r o g r a ma n dm a c h i n e ，s p e c i a lc n cs y s t e m ，m a s t e r c a m 9 ，s p p n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 毕 ， 学位论文使用授权声明 泸彩年j 月z ) 日 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： d 两“年月夕日 南京理工大学丁程硕十学位论文 两门子8 0 2 s 数控系统专用后胃世理器的研究b 开发 1 绪论 1 1 专用后置处理器概述 1 1 1 数控编程技术发展与后置处理器产生 众所周知，数控加工是指在数控机床上依靠n c 程序控制自动进行零件加工的 一种工艺方法，而数控加工技术应用的广度和深度衡量了一个国家机械制造的水平 和实力。虽然数控机床加工是从普通机床加工基础上发展而来，但数控加工有如下 独特之处： ( 1 ) 自动化程度高、工序集中数控加工带来的经济和社会效益主要有：减 少机床占地面积，节约厂房；减少或没有中间环节，既省时间又省人力； 数控 加工对操作工人的要求降低，并且操作工人在数控机床上加工出的零件比在普通机 床上加工出的零件精度要高，时间要省；数控机床降低了操作工人的劳动强度。 操作工人在数控加工过程中大部分时间被排斥在自动加工过程之外，操作非常省 力；数控加工精度高、加工质量稳定。数控机床的机械传动系统和结构都有较高 的精度、强度、刚度和热稳定性等优良性能，零件的加工精度和质量主要由机床系 统本身保证，避免了普通机床上操作工人的疲劳、粗心、估计等人为误差，尤其像 加工中心一次装夹工件就可完成大部分的工序加工，避免了在普通机床上多次装夹 带来的安装定位误差。所以数控机床的加工精度高，加工同一批零件的尺寸一致性 好，加工质量稳定； 数控加工效率高。数控机床的自动换刀、主轴自动变速、冷 却液自动开关、工作台自动回转分度、刀具或工作台自动进给等动作的c n c 自动化 使加工过程紧凑，提高了数控劳动生产率；有利于实现生产过程计算机管理和监 控。数控机床加工，能较准确地计算出零件的加工工时，并有效地简化了刀具、夹 具、量具和半成品的管理工作。加工程序采用数字信息的标准代码输入，有利于与 计算机连接，易于利用计算机技术进行生产过程管理和控制。 ( 2 ) 数控加工能力强数控机床能精确加工各种轮廓，尤其适用以下场合0 1 ： 单件或中小批量生产的重要零件；普通机床难以加工的，或形状复杂的零件，或 普通机床虽然可以加工，但需要复杂或高成本的工装及需要技能较高的操作者加工 的零件；精度要求高，大型或贵重的不许报废的零件；需要频繁改型的零件； 需要最少生产周期的急需零件；正在研制开发的新产品零件等。 ( 3 ) 柔性化程度高。1 非数控的传统通用机床，虽然加工范围较广，但对于超常 规的复杂零件的加工通常需要设计制造专用机床夹具，使得零件加工成本升高，产 品加工周期长，而且通用机床操作最依赖操作工人的技能和经验，效率往往不高： 南京理丁大学工理碗十学位论文两， 子8 0 2 s 散拧系统专用后冒处理器的研究与开发 而非数控的传统专门化机床和专用机床，效率确实很高，但对零件的适应性很差， 这类机床刚性大而柔性差，一旦产品改型这些机床就无能为力。因此，非数控化加 工很难适应市场经济下的激烈竞争带来的产品频繁改型和严格快速交货要求。而数 控化加工主要通过改变数控程序，就可以在数控机床上加工新的零件，且又能自动 化操作。生产过程柔性好。 当前企业要在需求多变、竞争激烈的市场环境中生存和发展，要很好地适应数 字化、信息化时代要求，就必须迅速地更新和开发出新产品，以最低的价格、最好 的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化，就必须广泛地采用计算机数字控 制技术。普通机床己不能适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技 术、微电子技术、自动检测技术等先进科技成果，采用了柔性的零件程序去代替普 通机床中大量的凸轮、挡块、限位开关等硬件。当变更加工对象时只需要调整更换 零件加工程序，不需要像普通机床那样进行大的硬件结构调整，就能很好地满足产 品频繁变化的加工要求。因此，数控加工技术获得了越来越广泛的应用，代表了机 械加工技术的发展方向。在数控加工中，数控编程是一项主要任务，是必不可少且 非常关键的技术环节“，。 数控编程常用方法有手工编程和自动编程两种。1 。手工编程是指从分析零件图 样、制订工艺规程、计算点的坐标值、编写零件加工程序直到程序的校核等整个过 程都是由手工完成的。对于零件不太复杂，坐标点的计算比较简单的情况，采用手 工编程经济实用可行。但是手工编程主要存在以下四个问题：( i ) 对于外形比较复 杂，坐标点的计算难度比较大的零件，手工编程效率很低，严重影响数控机床开动 率而成为制约数控加工生产的“瓶颈”。据统计采用手工编程。1 ，一个零件的编程 时间与机床的加工时间之比，平均约为3 0 ：1 ，而对于复杂零件，这个比例更高。数 控机床不能开动的原因中有2 0 3 0 是由于加工程序一时编制不出来而造成的；( 2 ) 手工编程造成价格较高的数控设备无法充分发挥其先进的技术性能。由于手工编程 技术的制约，数控设备无法进行四轴或四轴以上联动加工，只能作两轴、两轴半或 三轴联动加工，人为地浪费了数控设备技术先进性“1 ；( 3 ) 由于手工计算点的坐标值 必然带来较大的计算误差而使编程精度不高，无法满足高精度的加工要求。随着加 工精度由微米级向纳米级提升，手工编程更加难以适应”；( 4 ) 对于复杂的曲面和 外形，手工编程根本无法实现。 由于手工编程存在许多技术不足，因此自动编程代表了数控编程技术的应用方 向，采用自动编程技术是数控编程的必然选择。 自动编程是指利用计算机进行坐标点的计算并生成零件数控加工程序，与手工 编程相比，自动编程的质量及效率等大为提高。目前，自动编程分为两种啪：一种 是以数控编程语言a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a c e dt o o l s ) 为代表的语言式自动 2 南京理工大学丁程硕士学位论文两门子8 0 2 s 数控系统专用后譬处理器的铲究与开发 编程系统；另一种是图形交互式自动编程系统。 在a p t 语言式自动编程系统中，编程人员利用a p t 语言和符号来描述零件的几 何形状和刀具相对于零件运动的轨迹、顺序和其他工艺参数等。由于采用类似于计 算机高级语言的数控语言来描述加工过程，大大简化了编程过程，特别是省去了数 值计算过程，提高了编程效率。用数控语言编写的程序称为源程序，计算机接受源 程序后，首先进行编译处理，再经过一定的处理生成零件的数控加工程序。a p t 语 言的源程序由几何定义语句、刀具运动语句、工艺数据语句、初始语句和终止语句 这四种类型的语句组成，而每个语句又由词汇、数值、标识符号等按一定语法规则 组成。目前常用的数控编程语言是美国麻省理工学院开发的a p t 语言，这种语言词 汇丰富，定义的几何类型多，比手工编程简化许多。但是a p t 语言式自动编程系统 庞大，占用内存大，需使用较大型计算机，费用昂贵，不易掌握，需专门的编程人 员编写源程序，仍比较费时。并且图形处理功能差，使得必须在a p t 源程序中用数 控语言的形式来描述本来十分直观的几何图形、零件信息及加工过程，再由计算机 做进一步的处理，生成加工程序，致使这种方法直观性差，编程过程仍较复杂，不 便于进行阶段性检查。实质上，它只是比手工编程前进一步，实现了用“高级编程 语言”来编写数控程序。所以a p t 语言式自动编程系统远不如图形交互式自动编程 系统应用广泛。 图形交互式自动编程系统实质上是一种集成化的三维c a d c a m 系统o 】。它采用 屏幕菜单驱动，使用图形交互方式进行计算机辅助编程。通常以计算机辅助设计为 基础，利用c a d 软件的设计绘图功能直接生成零件的几何轮廓形状图形文件或者利 用图形文件接口从其它c a d 软件输入零件图形文件，并显示在屏幕上，然后调用数 控编程模块，采用多级功能菜单作为人机界面，在编程过程中，系统还会给出大量 的提示，采用人机交互的方法在计算机屏幕上指定被加工的部位，设定相应的加工 参数，之后，c a m 模块进行前置处理生成n c i 文件。n c i 文件通常称为刀具路径文 件，能完整地描述整个加工过程，包含了全部加工工艺信息，但是它不是数控加工 源程序n c 文件，无法控制数控机床进行加工“”。 解决以上这个问题的办法自然就是将n c i 文件转换为能被数控系统唯一直接识 别的n c 文件，也只有数控加工源程序n c 文件j 。能直接控制数控机床进行加工。实 现这种转换的过程就是后置处理。因此，在图形交互式自动编程系统中，后置处理 器是不可缺少的组成部分n “。 1 1 2 国内外关于后置处理器研究与应用现状 后置处理器按照通用性分为通用后置处理器和专用后置处理器两大类。通用后 置处理器一般按照使用广泛具有代表性的数控系统和数控机床的编程规范及特点 3 南京理丁大学t 程硕十学位论文两门子8 0 2 s 数挣系统专用e 冒处理器的研究与开发 进行设计开发，它直接支持这类数控系统( 一般来说，这类数控系统有相当高的市 场占有率) ，同时它也支持用户根据特定的数控系统编程格式对它进行二次开发。 随着加工要求不同和用户个性化的需求，使得数控系统和数控机床技术不断发展变 化、品种多种多样，造成通用后置处理器越来越难以适应这种客观技术现状。实践 表明，在实际工作中，直接利用通用后置处理器生成的n c 代码格式一般都与用户 使用的数控机床和系统的要求不符甚至相差很大，导致数控加工过程不能安全、可 靠、顺利地进行。而专用后置处理器能与相应的数控机床和系统完全匹配，是最优 组合，能充分发挥数控加工能力。 关于通用后置处理器开发和应用，国内外已经非常成熟和普及，尤其是西方发 达国家更是如此，当前所有的图形交互式自动编程软件都带有一定数量通用后置处 理器。比如“2 ”1 ，m p f a n p s t 就是美国著名的c n cs o f t w a r en c 公司在它最新推出 的 l a s t e r c a m 9 中内詈的一个通用后置处理器，该处理器完全针对应用很广泛的日 本f a n u c 数控系统丌发，采用开放式功能型数据库技术设计，允许用户根据特定数 控机床和数控系统的具体情况，在m p f a n p s t 基础上进行二次开发，从而定制出适 合该特定数控机床系统的专用后置处理器。使用m a s t e r c a m 9 进行自动编程的用户 一般都采用默认的m p f a n p s t 通用后置处理器去生成n c 文件，然后再对该n c 文件 进行人工修改编辑，使改动后的n c 文件符合机床要求从而正确控制加工。同样英 国d e l c a m 公司的产品p o w e r m i l l 和以色列的c a d c a m 软件c i m a t r o n 等也提供各自 通用后置处理器，优缺点和m a s t e r c a m 相似。在国内来说“”，比较成熟和普及的自 动编程三维c a d c a m 系统要数北京航空航天大学开发的c a 】( a 软件，它也有内置的 通用后置处理器，同样具有通用性好和适应性弱等特点。正因为如此，专用后髯处 理器开发己成为数控自动编程的一个急需解决的热点问题之一。 专用后置处理器开发和应用不如通用后置处理器那样成熟和普及。虽然许多研 究型群体( 如大学、研究所和软件公司等) 具备开发设计专用后置处理器的能力， 但是真正对s p p 需要最迫切的是数控加工一线，没有需要就不会有创造，并且专用 后置处理器所面对的各种数控系统专用性、特殊性、互不兼容性等特点使得开发总 工作量巨大，导致专用后置处理器开发力量相对薄弱，应用广泛性还不够。当然， 在这方面西方发达国家同样比我国先进。比如m 1 ，加拿大滑铁卢大学机械系就以其 c i m s ( c o m p u t e ri n t e r g r a t i o nl t a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 实验室的一台地 - 1 0 五轴 联动加工中心为研究对象，采用m a s t e r c a m 作为开发平台，实现了专用后置处理器 的开发，已在该加工中心上得到了验证且完全实用化了，当然，这只是这些发达国 家在此领域应用的个例。其实，在这些技术强国中，即使是只有几十人以下的机械 制造加工小企业，其专用后置处理器开发应用都得到了相当重视和开展。国内像信 息产业部第3 9 所曹永新和任林杰就曾在武汉重型机械厂3 4 m 立式车床数控改造项 4 南京理工大学t 程硕士学位论文两门子8 0 2 5 数学系统专用j 云冒处理器的铲究与产发 目中( 采用的数控系统是国产的华中一i 型数控系统伽，该系统最大的优势就是经 济，其缺陷是一般的自动编程软件中没有支持它的后置处理器) ，专门为此数控系 统和车床设计开发了其专用后置处理器h z p s t ，并将其集成到了c a ) 【a 软件的c a m 模块中，h z p s t 生成的数控程序无需任何人工修改编辑直接控制该3 4 m 数控立车 进行加工，解决了机床改造后数控编程手工干预的问题，实际加工效果良好。武汉 工业学院陈文革和尹芳根据x h 7 1 6 a 立式加工中心( s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统) 结 构、控制系统的编程原理和通信接口的要求“”，对m a s t e r c a m 默认的后置处理程序 m p f 麒进行二次开发得到了其专用后置处理器，能完全满足数控编程加工的生产需 要。广东富士康模具公司邓德军根据m y - 6 1 0 加工中心配置的德国西门子s i n u m e r i k 8 1 0 d 数控系统的编程特点，选择c i m a t r o n 为二次开发平台，成功地为州一6 1 0 加 工中心开发了其专用后置处理器，发挥了软件c a m 模块最佳效果等。 1 1 3 存在问题与不足 我国专用后置处理器开发技术虽然发展迅速，但是仍然存在以下主要不足1 ： ( 1 ) 自动编程精度一直停留在微米级，即由专用后置处理器生成的n c 程序中 的点的坐标值、半径值等只保留到l 微米。随着用户的加工精度要求越来越高，正 朝着纳米级加工水平方向发展，这就促使了数控系统和数控机床性能的不断提商， 也必然要求编程精度与之相适应，显然，纳米级精度编程技术是实现纳米级数控加 工的必要前提之一。 ( 2 ) 专用后置处理器生成的圆弧插补程序段编程方式性能研究没有引起重视， 普遍认为圆弧采用其终点坐标加上圆弧圆心相对圆弧起点增量值坐标方式编程效 果与圆弧采用其终点坐标加上圆弧半径方式编程等效。实际上，在一定机床条件下， 两种编程方式性能有差别。 ( 3 ) 关于专用后置处理器开发设计理论研究与实践不够深入、不够系统，目 前几乎找不到一本全面系统论述专用后置处理器开发设计的专著，所有的有关自动 编程技术的书籍对专用后置处理器开发设计问题根本不提及或非常浅显简单地介 绍一下，所起的作用非常有限】【”1 。 ( 4 ) 专用后置处理器对其相应特定数控系统和机床支持与兼容程度还有待提 高，客观上限制了特定数控系统和机床技术性能水平的充分发挥。例如许多专用后 置处理器在固定循环加工等功能实现这些问题上效果令人不太满意，其中一个最重 要的原因就是专用后置处理器针对特定数控系统的一些专门加工指令( 通常这些指 令能有效地提高加工工艺性能，体现了该数控系统的独到技术特色) 支持不够或者 根本就不输出这些特殊指令“”。 南京理t 大学t 程硕士学位论文两门子8 0 2 s 数挣系统专用后冒处理器的研究与产发 1 2 论文选题背景及研究内容 1 2 1 选题背景 本课题源于九江机电研究所“西门子8 0 2 s 数控系统专用后置处理器的研发” 项目。 自从计算机技术应用到机械工业领域，驱使这个历史悠久的行业焕发出了无限 活力。随着w i n d o w s 操作系统和p c 机硬件性能提高，基于p c 的计算机辅助设计与 制造系统以界面友好、容易使用、应用软件丰富、用户群庞大、性价比高等优点使 其成为机械领域主流技术之一。早期在p c 机上应用的c a d 以二维为主，它起到了 “甩图板”作用，很大程度上提高了设计效率，其中a u t o c a d 就是这类软件的代表。 但二维c a d 本质上是计算机辅助绘图，其造型性能相对于数字化制造要求已力不从 心，基于p c 的三维c a d 能很好地满足这个要求。三维c a d 能生成产品空间数字模 型、形象直观、可视性好、使设计更符合人的思维过程、能表达和提供更多数字信 息、更适应现代生产需要等。无疑三维c a d 将必然会获得越来越广泛的应用，它是 真正意义上的计算机辅助设计的开始。 由于产品加工精度及复杂程度提高，多品种、中小批量生产组织方式及快速响 应市场的需要等，使得数控加工获得越来越多的应用，使c a m 成为现代制造企业不 可缺少技术。c a d 是c a m 信息源头，而只有通过c a m 环节，企业才能将c a d 设计成 果奉献给用户。c a d 与c a m 若各自独立则成为两个“信息孤岛”，企业无法获得最 大效益。实际上，制造业正朝着集成化、网络化等方向发展，将c a d 、c a e 、c a p p 、 c a m 、p d m 等模块集成一体已成为企业追求目标，它能支持并行工程和无纸化制造模 式，能显著缩短产品研发周期，提高产品技术水平，降低成本使企业获取最大整体 效益等。其中三维c a d c a m 技术是最基本的集成环境9 1 。 根据统计资料显示“”，我国已经成为了世界制造大国，正在向世界制造强国迈 进，这给予了制造业很大的机遇，同时也使他们面临着产品结构复杂程度和加工精 度不断提高、多品种小批量生产模式成为大多数企业主导运营组织方式、必须快速 响应市场和用户个性化消费需求等挑战，因此促使了数控加工技术的广泛应用，这 就必然使得c a d c a m 自动编程技术使用日益普遍，它已成为提升现代企业制造水平 和竞争力的不可缺少的技术手段。在c a m 自动编程技术应用中，关于刀具和加工模 式的选择、加工工艺参数的设置、前置处理、通用后置处理、d n c 模式数控加工过 程的实施等已经相当成熟。相反，专用后置处理器开发与应用问题却成了数控编程 加工颁域的一个难点，能实际掌握这种技术能力的数控人才很少。一种普遍的做法 就是首先借助通用后置处理器生成数控加工源代码，由于通用后置处理器并不完全 6 南京理工大学工程硕士学位论文 两门子8 0 2 5 教挣系统专田后置处理器的研究与开发 支持生产现场的数控机床甚至冲突很大，这样就需要对这个n c 文件进行人工修改， 之后才能传输给机床加工，而与生产现场的数控机床匹配的专用后置处理器生成的 数控代码格式与之完全一致无需任何修改。所以，通用后置处理器相对于专用后置 处理器的弊端非常明显，在数控编程加工生产一线，真正需要的应该是专用后置处 理器而不是通用后置处理器。 我国已确定了“以信息化带动工业化”的宏伟战略目标，迫切需要大量复合型、 高素质的数控编程加工应用型专业技术人才。而优秀高素质人才的培养，不能没有 与理论教学相配套的先进培训系统与设备的支持。目前主要有两种培养途径：一种 是企业采取一定的措施对一线技工进行数控编程加工技能的短期培训；另一种是各 类职业技术学校设置相关的数控专业进行培养。其中，学校培养占主体。高等职业 教育需要及时为国民经济各行各业输送大量这种专业理论够用并且动手能力强的 技能型人才。以九江职业技术学院为例，它是江西省高职教育的领头羊，在全国也 有一定的影响力。其国家级数控加工培训基地拥有几十台套普通数控机床和加工中 心，配备的数控系统是f a n u c 、s i e m e n s 、f a 6 0 r 、广州数控、华中世纪星等众多国 内外知名品牌，安装了开目c a d 、a u t o c a d 、c a x a 、s o l i d w o r k s 、m a s t e r c a m 等常用 正版软件，具备了计算机辅助设计与编程制造的能力。但由于没有专用后置处理器， 对于复杂零件加工，学生们只能在电脑屏幕上进行模拟切削演示，无法在机床上进 行实际加工。这是由于他们只能借助通用后置处理器生成复杂曲面、实体的数控源 程序，而这样产生的n c 文件格式与特定机床不会符合，一般来说，复杂零件的n c 文件程序段数量庞大且理解难度大，导致经过学生们人工修改后的n c 文件很难正 确无误，所以这样的文件一旦传输给机床就因代码格式错误而造成机床报警，加工 过程夭折，学生们无法得到三维c a d c a m 技术从理论到实际加工无缝集成环节的系 统实践性训练。这种情况在其它学校也同样存在。因此，数控编程加工培训一线也 同样急需配套的专用后置处理器。 九江机电研究所与九江职业技术学院有着长期良好的合作关系，本课题以该院 国家级数控加工培训基地拥有的由南京数控培训中心开发生产的x k l 6 0 p 数控铣( 西 门子8 0 2 s 数控系统) 为对象，拟将三维c a d c a m 软件、开发设计的专用后置处理 器、p c 等集成为一体，使原系统只能用来进行手工编程操作加工扩展为还能进行三 维c a d 造型设计及图形交互式自动编程加工。通过本课题的研发并将其成果投入到 数控加工教学培训中，必定会扩大数控专业及相关专业学生的知识面、提升他们的 技术水平而深受学生欢迎，它符合本领域的技术发展濑流，将使学生能更好地适应 社会的需要，也必将增强他们的就业竞争力。 i 2 2 主要研究内容 7 南京理工大学t 程硕士学位论文西门子8 0 2 s 数控系统专用后冒处理器的研究与哥发 本课题的研究目标是开发一个针对x k i o o p 数控铣床( 配置西门子8 0 2 s 数控系 统) 的专用后置处理器。主要完成以下研究内容： ( 1 )纳米级编程精度分析研究与技术实现； ( 2 )圆弧或整圆插补代码单程序段输出及合理性编程模式研究与实现，着重 进行圆弧终点坐标加上其圆心相对圆弧起点增量值编程方式与圆弧终点坐标加上 其半径值编程方式之间的差别对比分析与研究，研究这两种编程方式输出优先级别 确定策略，探讨保证任意圆弧或整圆编程格式合理性的技术实现； ( 3 )数控编程加工中固定循环功能等效技术研究与实现： ( 4 )专用后置处理器与x k l 6 0 p 数控铣床编程格式规范一致性研究分析与实 现： ( 5 )专用后置处理器与p c 、m a s t e r c a m 9 、x k l 6 0 p 数控铣床等的集成。 1 3 论文组织结构 全文共分7 章，各章内容简介如下： 第一章简述了数控加工技术的优越性及数控编程技术发展概况，在此基础上阐 述了专用后置处理器技术产生与发展必然性，介绍了国内外关于专用后置处理器技 术研究与使用现状、存在不足；简要论述了课题的研究背景和主要内容；最后介绍 了全文的组织结构： 第二章首先对专用后置处理器需求状况进行了分析，接着讨论了专用后置处理 器开发的几种实现方法及开发平台选择原则，简要介绍了所选择的开发平台和对象 的主要技术性能，最后阐述了专用后鼍处理器总体设计思路与技术方法； 第三章阐述了数控编程加工中固定循环功能的作用，并对这类功能加工工艺过 程进行了详细分解剖析研究，提出了一种先进实用的完全等效地实现这类固定循环 功能工艺能力的技术方法，并针对西门子8 0 2 s 数控系统规定的n c 程序头、程序尾 等内容格式要求，重新设计了专用后置处理器相关内容； 第四章阐述了纳米级编程精受技术的必要性和实现方法； 第五章讨论了圆弧或整圆插补编程方式输出优先级别高低的确定，最后介绍了 圆弧或整圆插补自动编程中单程序段输出技术的实现； 第六章阐述了将p c 、b t a s t e r c a m 9 、w z x p s t 、x k l 6 0 p 数控铣床等模块无缝地集 成为一个三维计算机辅助设计与制造系统的技术实现，并介绍了复杂曲面零件编程 加工在本系统上运行验证过程与效果； 第七章简要总结了本课题的研究工作成果，同时指出了其有待于改进提高与完 善的几个方面。 南京理工大学t 埠硕十学位论文两r 1 予8 0 2 s 数拧系统专用后冒处理器的研究与尹发 2 专用后置处理器的需求分析与总体设计 2 1 需求分析 2 i i 功能需求 后置处理器作为自动编程系统的最后一个模块，直接处理的不是c a d 图形信息， 而是通过c a m 模块对c a d 图形切削部位选取以及相应加工参数设置，首先生成刀位 轨迹n c i 文件，它是一个中性文件“”“”，包含了全部加工工艺信息，这就是前置处 理过程。n c i 中性文件为所有不同种类的数控机床共有，具有唯一性，它与该零件 数控加工工艺文件存在一一对应和映射关系，体现了数控编程加工人员的理性思维 过程。但是n c i 文件格式任何数控系统都无法识别，它不能控制机床加工。数控系 统与机床只能识别由n 、g 、x 、y 、z 、s 、t 、m 等信息字构成的n c 文件。所以必须 读入n c i 文件并把它编译转换为n c 文件，完成此功能的模块就是后置处理器。后 置处理器结构、内容等与其生成的n c 文件格式、内容等构成一一对应影射关系， 不同的后置处理器针对相同的n c i 中性文件生成的n c 文件也对应不同。 事实上，数控机床完成某个具体机械动作的执行方式和过程与该机床构造、原 理( 包括其配备的数控系统的特质) 等密切相关。虽然国际标准化组织和美国电子 工业协会分别发布了i s o 和e i a 数字控制标准，我国也颁布了相应的数字控制标准 j b 3 2 0 8 - - 8 3 咖，提高了n c 文件格式标准化、通用化水平，但同时这些标准也以技术 法规的形式给予了不同数控系统生产厂家自定义的较大灵活性和自行扩展的足够 空间余地。因此一种数控机床只能识别具有其自身特色的n c 文件格式，不同的数 控机床其n c 文件格式必然不同甚至差别很大。每种数控机床与其n c 文件格式也是 一一对应关系，所以每种数控机床与其适配的后景处理器结构、内容等只能存在唯 一对应关系，这种与具体数控机床唯一对应的后置处理器就是它的专用后置处理 器，特定数控机床与其专用后置处理器适配性很好。若采用通用后置处理器，需要 大量人工修改编辑才能被某具体机床识别，不利于系统的无缝集成，加工过程可靠 性也不高。本文针对x k l 6 0 p 数控铣床( 配备西门子8 0 2 s 数控系统) 基于m a s z e r c a m 9 开发的专用后置处理程序，应满足如下功能要求： ( 1 ) 支持任意的n c i 文件全部原始输入，能理解符合本数控机床系统n c i 文件的 语法规定和语句含义，将其包含的全部加工工艺信息毫无遗漏地转换成数控加工程 序； ( 2 ) 能自动生成n c 程序，n c 文件不需要任何人工修改编辑干预，其格式与内容 能完全符合x k l 6 0 p 数控铣床和西门子8 0 2 s 数控系统编程加工要求； 9 南京理工大学工程珂j 士学位论文 两门子8 0 2 s 数控系统专用后冒处理器的研究与尹发 ( 3 ) 其生成的数控加工源程序代码格式能支持r s 2 3 2 通讯传输，支持d n c 数控加 工模式； ( 4 ) 能与p c 、m a s t e r c a m 9 、x k l 6 0 p 数控铣床等模块无缝地集成为一个三维 c a d c a m 系统，全面提升本数控加工机床技术水平，如：高精度与合理性编程、固 定循环加工自动编程、手工编程无法实现的复杂陆面和螺旋线之类自动编程等。 2 i 2 信息需求 三维c a d c a m 数控加工是一个典型的数字信息流动过程。整个自动编程加工过 程信息流程模型如图2 1 2 1 所示。 图中虚线框部分即为专用后置处理器模块。首先利用m a s t e r c a m 9 、p r o e 等软 件进行零件设计，得到零件c a d 文件；再通过相应图形文件接口( 如b l a s t e r c a m 9 就提供了与p r o e 、a u t o c a d 等软件的相应图形数据接口) 将设计生成的图形文件 数据转入到c a m 模块；在c a m 模块中，进行数控加工工艺分析与规划；进行工件毛 坯大小、工件原点、毛坯材料等设鼍：进行刀具材料、类型、规格、刀号、半径和 长度补偿号的设置；进行进给速率、主轴转速等切削用量设置；进行相应加工模组 类型选择( 如二维外形加工、钻孔循环、三维曲面粗加工、精加工等) ；进行相应 加工模组参数设置( 如加工高度，刀具补偿方式、加工范围与预留量，下刀方式、 曲面加工干涉面、交线与残料清角等参数设定) 。确认这些选项后，m a s t e r c a m 9 ”州”1 自动进行刀具位置轨迹计算从而产生刀具路径文件n c i 文件，它是a s c i i 码文件， 能完整地包含了有关走刀路线、切剐用量参数、刀具尺寸补偿等全部加工工艺信息， 其实质就是编码化的数控加工工艺文件，但是它不是n c 代码格式。必须将n c i 文 件读入到与本数控机床相匹配的专用后置处理程序中，利用它进行分析、判断、编 译，将n c i 中性文件自动转换成完全符合x k l 6 0 p 数控铣床和8 0 2 s 数控系统编程规 范要求的n c 文件。生成的数控加工n c 程亭可直接通过r s 2 3 2 通讯接口传输给) ( 1 ( 1 6 0 p 机床执行d n c 数控加工。 2 1 3 性能需求 结合这个具体的数控机床和c n c 系统特点，为满足其教学培训和生产加工的需 要，在充分研究分析基础上，对该专用后置处理器性能提出如下要求： ( 1 ) 针对不同的零件和刀位轨迹文件，它都能可靠地、正确地、高效地工作： l o 南京理1 = 大学丁程硕士学位论文 两r 子8 0 2 5 数挣系统专嚼后置处理嚣的研究与开发 图2 1 2 1 专用后雪处理过程信息流模型图 南京理t 大学工程硕士学位论文 两1 子8 0 2 s 数控系统专用后置处理嚣的研究与产发 ( 2 ) 充分体现代码可借鉴性，可移植性、可重用性，具有与通用后置处理器相同 的语法规则、语义定义和数据格式，具备优良的集成性； ( 3 ) 充分体现高度专用性，结构紧凑无任何多余的变量、函数和语句。其自动生 成的n c 程序头、起始部分、插补指令、辅助功能字、固定循环功能、程序尾等全 方位地百分之百地支持x k l 6 0 p 铣削加工，能与西门子8 0 2 s 数控系统实现最优组合 匹配： ( 4 ) 支持纳米级高精度数据计算编程；支持单程序段g 2 ( g 3 ) 插补；圆弧采用 终点坐标值和半径值的高精度编程方式，对整圆支持圆心方向矢量( i ，j ，k ) 增 量方式编程。支持二维的任意形状外形铣削、挖槽加工、钻削固定循环、面铣削等 加工模式和三维的复杂曲面、实体、螺旋线等加工模式。 2 2 总体结构设计 2 2 1 软件开发平台选择原则与方法 专用后置处理器开发设计必须建立在一个具体的c a d c a l 自动编程软件平台之 上。目前c a d c a m 软件可以说百家争鸣，品种繁多，各种软件的水平和功能也不尽 相同，各有千秋。而从用户角度出发，除了考虑性能价格比外，一般还要参考以下 原则进行选择： ( 1 ) 满足和适用用户单位实际情况。 ( 2 ) 应优先考虑选择基于p c 平台的三维c a d c a m 软件9 】【“l 。目前从应用平台的 角度划分，c a d c a i i 软件可大致分为两类：一类是以r i s c ( 精简指令系统) 硬件+ u n i x 操作系统为平台的大型软件，另一类是以w i n d o w s + i n t e l 架构的微机系统p c 级软 件。2 0 世纪9 0 年代之前，由于r i s c 采用超标量结构、流水线技术、动态转移预测、 大容量超高速缓存等技术手段，使其和同时期的i n t e lc p u 相比具有明显优势。当 时的c a d c a m 软件系统也多是以此架构为平台的。如当时的c a t i a 、u g s 、e u c l i d 等。但是，自i n t e l 发布p e n t i u mc p u 以来，i n t e l 不断吸取r i s c 技术，性能越来 越强大，与r i s c 愈来愈接近。尤其是i n t e l 发布了浮点计算性能强大的x e o nc p u ， 使得i n t e lc p u 的性能较以往有显著提高，这为微机选择i n t e lc p u 处理复杂的专 业应用提供了有利条件。与此同时，以m i c r o s o f t 的w i n d o w s 为代表的高性能的、 稳定可靠的操作系统以及基于o p e ng l 标准的p c 图形技术日益成熟，使得微机在 图形处理方面性能己非常出色，同时微机的硬件投资远远低于大型机或工作站，且 易于掌握，便于用户进行软件开发、移植和扩充，微机与各种数控装置的通讯技术 非常成熟，促使w i n t e l ( w i n d w s + i n t e l ) 微机成为事实上的计算机主流应用群体。自 然而然微机就成了各类c a d c a m 软件的主要运行平台。现在，不仅原有以r i s c 为 1 2 南京理工大学工程硕士学位论文西门子8 0 2 5 数控系统专用后冒处理器的酽究与开发 平台的c a d c a m 系统大量向微机系统移植，同时也产生了一批完全基于p c 开发的 c a d c a m 系统，像m n s t e r c a m 就是这种完全面向p c 开发的三维c a d c a m 软件的优 秀代表。虽然目前二维c a d 应用非常普及，它为