现代数控编程技术(第07章--数控铣削加工及编程--后置)

第7讲数控铣削加工及编程——后置处理™后置处理任务与流程™多坐标机床的结构形式与运动求解算法™任意运动结构的机床运动学建模与求解™非线性运动误差校核与处理™进给速度的校核与修正™通用后置处理系统原理™UG后置处理过程简介后置处理任务与流程™把刀位原文件转换成数控机床能执行的数控程序的过程称为后置处理（PostProcessing）™后置处理的任务：‰机床运动求解‰非线性运动误差校核与处理‰进给速度的校核与修正‰数控加工程序生成后置处理流程框图开始读刀位文件文件结束结束YN机床轴运动求解非线性误差校核与处理进给速度校核与修正格式转换刀位文件机床特性数控系统特性数控加工程序多坐标机床的结构形式与运动求解算法™后置处理需将刀位文件中刀位数据，转换为机床各坐标轴的运动数据。‰为求解机床各轴的运动，建立机床的运动学模型，‰根据刀位文件中的刀位数据和该运动学模型反求机床各运动轴的运动量。™五坐标机床的结构类型刀具回转/摆动型工作台回转/摆动型刀具与工作台回转/摆动型™五坐标数控机床理想状态下的运动求解理想的机床运动结构：c机床各平动轴运动方向与机床标准坐标系的坐标轴方向完全一致，相互严格垂直；d对于回转/摆动轴中轴线方向不变的定轴，其轴线方向也与机床标准坐标系的坐标轴方向完全一致；e对于刀具摆动型和工作台回转/摆动型机床，两回转轴线严格垂直并相交于一点；f刀具轴线与作用在刀具上的旋转/摆动轴轴线均相交于一点。™工作台回转/摆动型五坐标数控机床运动求解刀具Y轴工作台机床床身Z轴工作台X轴工作台A'摆动工作台C'回转工作台工件刀具tXtZtYtO工件wXwYwZwOprmrmXmYmZmOA'C'运动链坐标系工作台回转/摆动型五坐标机床的运动学模型：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡0coscossinsinsin0ACACAzyxuuuθθθθθ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡−+−−++−+++=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡1cos)(sin)(cossin)-(coscos)-(sin)-(sinsin)-(sincos)-(cos)-(1AzzAyyzCAzzCAyyCxxyCAzzCAyyCxxxzyxmsmsmmsmsmsmmsmsmsmpppθθθθθθθθθθθθ将刀位文件中的刀位数据赋给和，则可由上述方程反求出满足加工要求的机床回转/摆动轴运动位移及平动轴运动位移。),,(zyxuuuu),,(zyxppppr™刀具回转/摆动型五坐标机床运动求解刀具tXtZtYtO工件wXwYwZwOprLmrmXmYmZABmO刀具回转/摆动型五坐标机床的运动学模型：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡0coscossincossin0ABAABzyxuuuθθθθθ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⋅−+⋅+⋅−=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡1coscossinsincos1BAzAyBAxzyxLLsLsLspppθθθθθ™刀具与工作台回转/摆动型五坐标机床运动求解刀具tXtZtYtO工件wXwYwZwOpr2mX2mY2mZA'BL2mO2mr1mX1mY1mZ1mO1mr刀具与工作台回转/摆动型五坐标机床运动学模型：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡0coscoscossinsin0BABABzyxuuuθθθθθ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡−+−+−−−+−+−+⋅−=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡1cos)cos(sin)(sin)cos(cos)(sin1ABzzAyyzABzzAyyyBxzyxLLmsmsmLLmsmsmLspppθθθθθθθ™运动求解的实现要满足以下条件：c对于工作台回转/摆动型机床，必须在工件装夹好后通过测量确定两回转/摆动轴交点在工件坐标系中的位置矢量。d对于刀具回转/摆动型机床，必须通过测量确定有效的刀具长度，即回转轴与刀具轴线的交点到刀位点的距离，它可以看成是刀位点总的摆动半径。e对于刀具与工作台回转/摆动型机床，既要通过测量确定有效的刀具长度，又要在工件装夹好后通过测量确定工作台回转/摆动轴线上一点在工件坐标系中的位置矢量，但该点可在其回转轴线上任意指定，这一现象也可由其运动求解方程来解释，因为，其中并不包含该位置矢量的分量。任意运动结构的机床运动学建模与求解9.3.1运动结构的建模1.任意机床运动结构是指：™c构成运动链的坐标轴数目不限。但其中联动轴数不超过五个(三平动加两转动)，其余轴则称为辅助轴d各平动轴的运动方向和转动轴的轴线可以不与机床标准坐标系的坐标轴平行，各转动轴的轴线可相互不垂直；™e对于定、动轴结构，两回转轴线可不相交于一点；™f刀具轴线与作用在刀具上的转动轴轴线可不相交于一点。运动结构通用模型1运动副主轴刀具工件工作台N运动副1−N运动副2运动副2.运动结构模型的建立1.运动链构成的定义‰运动链构成：YZXBA；‰平动轴：Y、Z、X‰转动轴：B、A‰联动轴：Y、Z、X、B、AYZXBA双转台机床2.运动轴方向的定义™对于平动轴，其方向矢量定义为该轴正向驱动时其动构件在机床标准坐标系中的运动方向™对于转动轴，当该轴正向驱动时，由其动构件回转方向按右手法则确定的方向定义为该转动轴的方向矢量‰Y轴：理想运动结构时为=(0,1,0)，任意运动结构时为‰Z轴：理想运动结构时为=(0,0,1)，任意运动结构时为‰X轴：理想运动结构时为=(1,0,0)，任意运动结构时为‰B轴：理想运动结构时为=(0,-1,1)，任意运动结构时为‰A轴：理想运动结构时为=(-1,0,0)，任意运动结构时为),,(YYYYnml=n),,(ZZZZnml=n),,(XXXXnml=n),,(BBBBnml=n),,(AAAAnml=n9.3.2运动关系的建模™机床运动学建模是要确定刀具相对工件的位置和方向随机床各轴运动的关系。1.坐标体系的建立‰在机床处于初始状态时，上述各坐标系的坐标轴方向均与机床标准坐标系一致1O2ONOtOwO坐标体系2.相邻坐标系间的变换矩阵⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⋅⋅⋅==1000100010001),(),(jjjjjjjjjjnsmslsssnnTM),(),(jjjjssnnRM=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡−++−−−−−−++−+−−−−+10000cos)1(sin)cos1(sin)cos1(0sin)cos1(cos)1(sin)cos1(0sin)cos1(sin)cos1(cos)1(222222jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjsnnslsnmsmslnslsnmsmmsnsmlsmslnsnsmlsll平移变换矩阵旋转变换矩阵™对于任意两相邻坐标系与，从到的坐标变换矩阵记为，则：™™式中，为由坐标系之间的初始位置关系决定的平移变换矩阵，为坐标系的原点在坐标系中的位矢，且：OtOBOwOAjO1+jOj,1+jQ),()(1,1jjjjjjsnr,MPQ⋅=++)(1jj,r+P)(1111jjjjjjjj,z,yx,,,,r++++⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=++++1000100010001)(1111jjjjjjjjzyx,,,,rP双转台机床初始位置关系3.刀具坐标系到工件坐标系间的变换矩阵™确定刀具坐标系到工件坐标系的变换矩阵实际上只需要知道各转动副坐标系之间、刀具坐标系和与其相邻的转动副坐标系之间以及工件坐标系和与其相邻的转动副坐标系之间的初始位置关系共M+1个位置矢量11111111,,111,111,1(r)[(n,)]{(n,)(r)[(n,)]}(n,)(r)[(n,)]MMiiiiiiNwtwjkkkjjMjjjjkkikjjjjjtkkksssss++++=+−−==+−==⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅∏∏∏∏QPTRPTRPT4.通用运动学模型T21T0][),(0][tNtwws,,ssuu,⋅=LQT21T1][),(1][tNtwws,,sspp,⋅=LQ运动链自动分析运动结构建模运动链构成,运动轴属性运动轴方向......运动学模型输入必要的运动结构参数任意运动结构的建模过程9.3.3机床运动求解™根据刀位文件中的刀位数据，利用运动学模型表达式反求机床各平动轴和转动轴运动量。1.转动运动求解‰计算参与联动控制的转动轴的运动量2.平动运动求解‰计算参与联动控制的平动轴的运动位移™对于任意运动结构的机床，只需对其运动链构成和必要参数进行设置，即可自动构造其运动学模型并以统一的算法求解出各联动轴的运动量；™由于模型的建立包括了机床运动结构误差的影响，因此，上述机床运动建模与求解方法不仅可针对任意运动结构的数控机床、而且可在考虑机床运动结构误差的情况下将前置处理得到的刀位数据转换为机床各运动轴的运动数据。9.4非线性运动误差校核与处理™非线性运动加工误差‰由于旋转运动的影响，当机床各运动轴在各程序段内作线性插补运动时，其运动的合成将使刀位点的运动轨迹偏离直线，可能使实际加工误差过大。™刀位点进行加密处理的措施来减小误差，误差校核过程是近似的，严格的加工误差应在加工表面的法线方向上度量。™非线性运动误差描述™若非线性误差大于允许值，则需在该两刀位间按线性插值的方法增加一新的刀位点：)(twLp)(twp0wp1wp0wu1wu⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛00000,,,BAZYX轴位置线性插补⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛11111,,,BAZYX轴位置maxε⎩⎨⎧+=+=2)(2)(1010/uuu/ppp进给速度的校核与修正™根据机床各轴的速度、加速度与平稳性等要求对各程序段的合成进给速度进行校核，对指令的进给速度给予必要的修调并采取一定的措施实现进给速度的平滑过渡，从而确定出随加工轨迹变化的有效进给速度曲线。™有效进给速度曲线轮廓线刀具轨迹编程进给速度有效进给速度xxyF™1.表面合成切削进给速度与坐标轴运动速度‰各轴速度与指令合成进给速度的关系⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧ΔΔ⋅=ΔΔ⋅=ΔΔ⋅=ΔΔ⋅=ΔΔ⋅=./,/,/,/,/wkkkBkwkkkAkwkkkZkwkkkYkwkkkXkBFFAFFZFFYFFXFFppppp为刀位点位移增量为机床各轴的运动速度wkpΔ),,,,(BkAkZkYkXkFFFFF2.进给速度的限制‰运动轴最大速度限制‰程序段转接处最大速度变化限制‰减速程序段长度对其进给速度的限制‰按从后向前的顺序(即)逐段校核并修正各程序段的进给速度值.,,,,,maxBAZYXFFi=Λ≤ΛΛsekkbTaFF⋅≤−Λ−ΛΛmax)1(9.6通用后置处理系统原理™通用后置处理系统一般是指能针对不同类型的数控机床和数控系统对刀位文件进行后置处理，输出符合该数控系统指令集及格式的数控程序1.后置处理通用化的输入信息及其要求‰刀位文件刀位文件是规范化的或标准化的。目前国际上流行的数控编程系统输出的刀位文件一般都符合IGES标准。‰数控系统特性文件主要作用是告诉后置处理系统如何把刀位文件的内容转换成适合于具体数控机床的数控加工程序，数控系统特性文件包含的内容及其格式必须与刀位文件标准或规范相对应。‰数控机床特性文件描述机床运动结构形式、运动结构参数(包括结构误差)、运动轴行程、最大速度及加速度等的文件。2.通用后置处理系统的实现机床特性开始机床设置(选择或构建)数控系统设置(选择或构建)机床特性库L加减速特性功能与程序格式读刀位文件)()(LL加速度、时间常数动力特性行程、速度运动学模型与参数、运动特性系统特性库刀位文件文件结束运动求解旋转运动求解平动运动求解非线性误差校核超差进给速度校核与处理格式转换数控加工程序刀位数据加密结束YNYNYN数控系统特性系统特性库9.7UG后置处理过程简介1.UGS180后置处理配置过程简要说明1.利用UGS180提供的后置处理配置程序可以生成新的后置处理配置文件2.执行批处理程序“post_builder.bat”，进入后置处理配置程序主界面3.在存盘时，将配置文件存放在目录“\ugs180\mach\resource\postprocessor”中4.修改后置处理配置管理文