五轴加工中心的数控编程后置处理研究开题报告

1、毕业设计（论文）开题报告题目五轴加工中心的数控编程后置处理研究专 业 名 称 ： 机械设计与制造及其自动化班 级 学 号： 068105306学 生 姓 名： 陈瑞良指 导 教 师 ： 于斐填 表 日 期 2010 年 3 月 5 日一、 选题的依据及意义：后置处理技术是随着数控技术、CAD/CAM技术的发展而发展起来的。最早的数控程序都是手工编制，不存在后置处理问题。近年来，自动编程CAD/CAM软件取代了手工编程，它具有编程速度快、精度高、稳定性好、更改方便和易于管理等特点，但是自动编程经过刀具轨迹计算产生的刀位数据文件不能被机床识别，需要设法把刀位数据文件转换成数控指令代码，通过通信的方

2、式输入数控机床的数控系统，才能进行零件的数控加工1。因此，要把前置处理产生的刀位数据文件、加工工艺参数与特定的机床特性文件、定义文件相结合，生成指定数控加工设备能够识别的数控加工程序，该过程称为后置处理（post-processing）2。后置处理程序将CAM系统通过机床的CNC系统与机床数控加工紧密结合起来。随着高档数控加工中心、特殊结构数控机床的不断出现，为其配置和开发合适的后置处理器愈显重要，这对提高数控编程效率、扩大CAD/CAM一体化技术的应用范围具有重要的工程应用价值和实际意义，目前后置处理技术已经成为CAD/CAM技术领域的一个研究热点。后置处理系统分为通用后置处理系统和专用后置

3、处理系统。通用后置处理系统是今后发展的方向，但在目前无论是国外还是国内真正能够做到完全通用后置处理系统几乎没有3，因为通用后置处理是以标准刀位数据、通用的数控指令为前提进行考虑的4。虽然国际标准化组织(ISO)、美国国家标准协会(ANSI)和电子工业协会(EIA)对刀位源文件、后置处理语句和数控指令都有相应的标准，但各数控系统生产厂商采用不尽相同的标准，数控系统的指令格式多样，由于竞争需要还会采用一些非标准的内容5，有些数控系统的扩展功能己经超出了前置处理刀位数据的规定格式，如样条曲线、渐开线等，而目前的通用后置处理系统还只是考虑直线和圆弧6，多数采用离散直线来逼近工件轮廓，零件形状越复杂，数

4、控程序量越大7，而且多轴加工时还要考虑非线性运动误差校验、进给速度的校核、特定数控系统数控加工程序的生成等问题，以保障数控加工的安全、可靠8。随着产品加工精度及复杂程度的提高，使得数控系统和数控机床技术不断发展变化，造成通用后置处理器越来越难以适应这种现状。实践表明，直接利用通用后置处理器生成的NC代码一般都与用户使用的数控机床和系统的要求不符，导致数控加工过程不能安全、可靠地进行9。专用后置处理器与相应的数控机床和系统完全匹配，能充分发挥数控加工能力。MIKRON UCP600是瑞士产的高速五轴立式加工中心，它配置了STEPTEC高速电主轴（主轴最高转速为20000转/分），可以在最佳的切削

5、条件下，对从淬硬钢到塑料的材料进行加工。高速切削相对传统加工有以下特点：一是提高生产效率。高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高510倍，单位时间材料切除率可提高36倍；二是降低切削力。由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低30。这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能；三是提高加工质量。因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保证了尺寸的精确性，实现了高精度

6、、低粗糙度加工；四是加工能耗低。由于单位功率的金属切除率高、能耗低、工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率；五是简化加工工艺流程。常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工10。针对MIKRON UCP600五轴加工中心和Heidenhain ITNC530数控系统11，通过UG/ Post Builder需逐一完成机床类型及技术参数定制、旋转轴超限时的处理、数控系统定制、程序和刀轨参数的设置、NC 数据的定义和后置处理

7、文件列表等具体内容，最后获得符合MIKRON UCP600五轴加工中心的后置处理器。五轴加工中心是加工复杂零件的现代化设备，由于五轴加工的复杂性，后置处理器的开发越来越复杂，近年来考虑到机床结构和便于排屑等因素又出现了一些带倾斜转台或者倾斜摆主轴头的特殊结构的五轴加工中心，这都对后置处理器的开发提出了新的要求，后置处理问题解决不好，轻则不能发挥加工设备的新功能和加工效率上的优势，造成大材小用，重则由于程序问题造成生产事故。因此本课题针对MIKON五轴加工中心开发后置处理程序具有重要的现实意义和工程应用价值。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：关于通用后置处理器的开发和应用，国外已经非常

8、成熟和普及，当前所有的图形交互式自动编程CAD/CAM软件都带有通用后置处理器12。如UG提供一个通用后置处理器UG/ Post Builder，可以图形方式创建从二轴到五轴的后处理程序。其后置处理器主要由事件生成器、事件处理器和定义文件三部分组成，它们一起将刀具路径转换成为一系列数控机床能够直接读取和执行的数控程序13。而MPFAN.PST是MasterCAM内置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FANUC数控系统开发，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MPFAN.PST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

9、用后置处理器。使用MasterCAM进行自动编程的用户一般都采用默认的MPFAN.PST通用后置处理器去生成NC文件，然后再对该NC文件进行人工修改，使改动后的NC文件符合机床要求14。加拿大ICAM公司的CAMPOST可以覆盖国内外流行的90以上的CAD/CAM软件和NC系统，它可以读取所覆盖的CAD/CAM软件所生成的刀具路径文件，定制所覆盖的NC系统的专用后置处理器。同样英国Delcam公司的产品PowerMILL和以色列的CAD/CAM软件Cimatron等也提供各自的通用后置处理器15 16 17。在国内来说，比较成熟和普及的自动编程CAD/CAM系统要数北京航空航天大学开发的CAX

10、AME（制造工程师）软件，它采用通用后置处理器，可以提供常见的数控系统后置处理格式，而且用户还可以自定义专用数控系统的后置处理格式18。但该软件有较大的局限性，只适用于一般的铣削加工，在解决Sodick类型机床的数控代码时，如果零件中涉及到孔的加工，将不能生成相应的程序代码19。华中理工大学的张利波等人提出了一种基于配置文件的开放式数控编程通用后置处理模型，定义了配置文件的语法规则，给出了配置文件的BNF语言描述及相应的解释算法，并在HUSTCADM系统中实现，但对于多轴数控加工的后置处理还是不能通用20。程筱胜等人对南京航空航天大学的超人CAD/CAM系统的通用后置处理系统进行了研究，开发了

11、具有交互式图形系统的通用后置处理程序，尽管该后置处理系统具有很好的可靠性和较强的通用性，但超人CAD/CAM系统和HUSTCADM系统都没能走向商品化。北京航空航天大学的曾爱华等人，以通用化、结构化、模块化的基本设计思想对通用后置处理系统作了总体的分析，对系统结构和程序实现作了具体描述，并为系统的通用化、实用化和商品化提供了必要的条件，但是该系统只能满足一般的两轴半和三轴数控铣加工自动编程的需要21。正因为如此，专用后处理器开发已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，因为专用后置处理器所面对的各种数控系统的专用性、特殊性和互不兼

12、容性等特点使得开发总工作量巨大，导致专用后置器开发相对薄弱。国外对专用后置处理器开发和应用相当重视，加拿大滑铁卢大学机械系就以其CIMS（Computer Intergration Manufacturing System）实验室的一台MAHO五轴联动加工中心为研究对象，采用MasterCAM作为开发平台，实现了专用后置处理器的开发，已在该加工中心得到了验证 22。国内像信息产业部第39所曹永新和任林杰就曾在武汉重型机械厂立式车床数控改造项目中（采用的数控系统是国产的华中I型数控系统，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

13、了其专用后置处理器HZ.PST，并将其集成到CAXA软件的CAM模块中，实际加工效果良好。武汉工业学院陈文革和尹芳根据XH716A立式加工中心（SINUMERIK 802D数控系统）结构、控制系统的编程原理和通信接口的要求，对MasterCAM默认的后置处理程序MPFAN.PST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23。广东富士康模具公司的邓德军根据MV610加工中心配置德国西门子SINUMERIK810D数控系统的编程特点，选择Cimatron为二次开发平台，成功地为MV610加工中心开发了专用后置处理器。韩建军对ANVIL5000软件进行开发，用C语言编写了

14、后置处理程序，用于一个回转轴、三个移动轴的SAGEM数控加工中心的后置处理24。王启富等人用Turbo C开发CATIA专用的NC后置处理软件25。祝益军针对C40U五轴加工中心，在C环境下开发了后置处理软件26。哈尔滨工业大学的陈辉等人基于UGPost，开发了并联机床后置处理器，用于六轴或七轴并联机床的后置处理27。2.2 后置处理技术发展趋势（1）面向通用化专用后置处理系统将机床特性直接编入后置处理程序中，只能适应于一种或一个系列机床，对于不同的数控装置和数控机床还必须要有不同的专用后置处理程序。而一般的通用后置处理系统将后置处理程序功能通用化，能针对不同类型的数控系统对刀位原文件进行后置

15、处理，输出数控程序。而且在一般情况下，通用后置处理系统只要求输入标准格式的刀位原文件，再结合数控系统数据文件或机床特性文件，就可以输出符合该数控系统指令集及格式的数控程序。除了以上优点外,通用后置处理程序还采用开放结构，以数据库文件方式，由用户自行定义机床运动结构和控制指令格式，扩充应用系统，使其适合于各种机床和数控系统，具有通用性, 因此通用后置处理器是后置处理技术发展的方向。(2)面向高速加工高速数控加工，是一种以高主轴转速、快速进给、较小的切削深度和间距为加工特征的高效率、高精度数控加工方式，它不仅对机床结构和数控系统提出了新的要求，对于加工工艺的规划、工艺参数的设置和加工约束的设置也提

16、出了新的要求。普通数控加工中，CAM系统主要采用小的直线和圆弧作为刀具移动路径，生成的数控程序量大，运算时间长。高速数控加工中采用NURBS插补刀轨，通过控制点、节点矢量和权三个变量来表达自由曲线，对复杂曲面加工的程序量可减少12以上，加工时间缩短13以上，加工精度更高。CAM 系统生成NURBS插补程序的方法有：一CAD数据加上刀具补偿，产生巨量微小直线数据，经后置处理转换为NURBS插补程序；二CAD数据加上刀具补偿，直接产生NURBS曲线经后置处理输出；三将已产生的巨量微小直线经后置处理生成NC程序，通过转换软件，变换为NURBS插补程序。用第二种方法不存在将线性刀轨转换成NURBS刀轨

17、的方法误差，精度特别高，但实现难度大。（3）校核与处理非线性运动误差CAD/CAM系统中大多采用对走刀轨迹进行弧弦逼近，刀具运动的包络面与加工表面之间存在逼近误差，根据误差的大小决定走刀步长和加工带宽度。尤其在多轴联动加工时，由于旋转运动的影响，机床各坐标线性插补的合成运动使得实际刀位运动偏离编程直线，产生非线性运动误差。由于该误差的大小与机床运动结构有关，在通用化的前置处理中难以处理。因此，在后置处理中应根据具体机床结构对非线性运动误差进行校验，若误差超出允许范围，需对相应的刀位点作修正处理。（4）发展到STEPNC数据模型CAM系统是一个独立的系统，与CAD 系统之间没有统一的产品数据模型

18、。CAD 的数据信息通过标准接口的方式传递CAM 系统，即使是在一体化的集成CAD CAM 系统中，信息的共享也只是单向的和单一的。1997年欧共体提出了STEPNC概念，将产品数据转换标准STEP扩展至CNC领域，重新定义了CAD CAM 与CNC之间的接口，它要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型(包括几何数据、设计和制造特征)，加上工艺的信息和刀具信息。直接产生加工程序来控制机床，不存在单独的刀具路径文件，废弃了G代码和M代码，从而不再需要后置处理系统。目前STEPNC是世界工业化国家研究的热点，其中较具代表性的研究项目有欧洲的STEPNC项目、美国的Super

19、Modal项目、日本的Digital Master项目等。但相应的现有数控系统和CAM 系统都需更新或废弃，目前这不是短期内可以实现的事。三、研究内容及实验方案： （1）通过UG后置处理器设置机床参数、NC加工程序格式和输出文件格式，生成MIKRON五轴加工中心的特性数据文件。(2)利用UG后置处理器,实现模态辅助功能指令M126、M128的输出和非模态辅助功能指令循环32的输出。(3)通过用户自定义功能,以TCL语言为开发语言,实现在生成NC程序的同时输出总加工时间、每道工序的加工时间和刀具信息。(4)专用后置处理程序与UG集成。(1）了解Heidenhain ITNC530数控系统和UGP

20、ost Builder和MIKRON五轴加工中心的机床结构(2) 基于UGPost Builder开发MIKRON后置处理程序,生成MIKRON五轴加工中心的特性数据文件.(3) 根据实际加工过程和加工结果，修正理论并总结方法。四、目标、主要特色及工作进度4.1 目标针对复杂曲面零件，基于现有的CAD/CAM系统和CNC系统，研究其自动编程技术、走刀路径规划、后置处理技术。4.2 主要特色（1）实现了在通用后置处理基础上快速有效地开发数控机床的专用后置处理器，解决了用高级计算机语言从头编写专用后置处理器的繁琐过程。（2）运用UG/PostBuilder开发的专用后置处理器进行后置处理，生成的数

21、控加工程序无需手工修改就可以直接输入数控机床进行产品加工，从而解决了通用后置处理器产生的数控程序需人工进行二次修改的繁琐过程。（3）充分发挥了UG集成系统软件的CAM功能，从而使加工中心的强大功能得到了充分的发挥。（4）有效地解决了CAD/CAM一体化技术的瓶颈难题，为CAD/CAM 一体化技术的推广应用奠定了基础。4.3 工作进度1. 开题报告、查阅资料、外文翻译（6000字符) 3周2. 研究Heidenhain iTNC530数控系统和UG/Post Builder 3周3. 生成MIKRON五轴加工中心的特性数据文件 2周4. 输出模态和非模态辅助功能指令 3周5. 输出总加工时间、每

22、道工序的加工时间和刀具信息 2周UG集成 1周7. 撰写毕业论文 6.7 3周 8. 答辩准备及毕业答辩 6.287.2 1周五、参考文献1 周济,周艳红,数控加工技术,北京:国防工业出版社,20022 刘雄伟,数控加工理论与编程技术,北京:机械工业出版社,20023 Pathtrace公司北京办事处,寻求完美的后置处理程序,CAD/CAM与制造业信息化,2003,(4):99-1004 王卫兵,UG NX数控编程实用教程,北京:清华大学出报社,20045 李佳,朱心雄,通用后置处理系统介绍,计算机辅助设计与制造,1996,(6):19-216 杨胜群,UG NX数控加工技术,北京:清华大学出

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