數(shù)控編程是CAD/CAM系統(tǒng)中最能明顯發(fā)揮效益的環(huán)節(jié)之一。對于復(fù)雜形狀零件，數(shù)控編程通常采用自動編程系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、加工自動化、提高加工精度和加工質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研制周期等方面發(fā)揮著重要作用。后置處理是數(shù)控編程技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，并作為CAD /CAM系統(tǒng)與機(jī)械制造連接的紐帶。后置處理直接影響自動編程的使用效果、零件的加工質(zhì)量和機(jī)床的運(yùn)行可靠性。 

國外對后置處理技術(shù)研究十分重視， 各CAD/CAM軟件廠家都研究開發(fā)了各自的通用后置處理系統(tǒng)；國內(nèi)對后置處理理論與技術(shù)也進(jìn)行了深入研究，取得了一定的研究成果。但是，目前很多CAD/CAM系統(tǒng)的用戶對軟件的使用主要是CAD模塊，對CAM?？斓膽?yīng)用效率不高，其中一個(gè)關(guān)鍵的原因是軟件只配備通用后置處理而用戶沒有根據(jù)具體的數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)進(jìn)行必要的二次開發(fā)，由此生成的代碼還需要人工做大量的修改，嚴(yán)重影響了CAM模塊的應(yīng)用效果。

研究特定結(jié)構(gòu)機(jī)床的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是開發(fā)該類機(jī)床專用后置處理程序必須解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文在詳細(xì)分析雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系及運(yùn)動學(xué)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出該類機(jī)床后置處理轉(zhuǎn)角計(jì)算公式、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算公式，開發(fā)出UCP600五軸數(shù)控機(jī)床專用后置處理程序，并加工出慣性平臺臺體等復(fù)雜零件，證明了本文提出的方法是可行的。

一、后置處理程序的作用

用CAD/CAM軟件進(jìn)行編程時(shí)，按規(guī)定均視工件不動，而由刀具運(yùn)動來完成加工動作，經(jīng)過處理可得到一個(gè)不針對具體機(jī)床的中性刀位文件。在多軸加工中，CAD/CAM軟件生成的刀位文件中包含刀具參考點(diǎn)坐標(biāo)值和刀軸矢量。

在實(shí)際機(jī)床上，運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)方式各異，有的運(yùn)動由工作臺實(shí)現(xiàn)，有的運(yùn)動由刀具實(shí)現(xiàn)。在3直線軸(X、Y、Z )聯(lián)動情況下，編程員一般不需關(guān)心是工作臺運(yùn)動還是刀具運(yùn)動，因?yàn)闄C(jī)床廠家均按國際標(biāo)準(zhǔn)來定義機(jī)床的坐標(biāo)系及其運(yùn)動方向。多軸聯(lián)動的回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動，包括刀具擺動、工作臺回轉(zhuǎn)，這就要求后處理程序針對不同情況進(jìn)行不同的計(jì)算將刀位文件中刀具軌跡坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)床坐標(biāo)及相應(yīng)的回轉(zhuǎn)角度，通過代碼轉(zhuǎn)換將它們轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機(jī)床能執(zhí)行的數(shù)控程序。

二、雙轉(zhuǎn)臺式五軸數(shù)控機(jī)床的機(jī)床運(yùn)動學(xué)求解

機(jī)床運(yùn)動學(xué)求解，主要包括轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動角度計(jì)算和經(jīng)過轉(zhuǎn)動后的3個(gè)移動坐標(biāo)X、Y、Z 值的求解。對于不同類型運(yùn)動關(guān)系的數(shù)控機(jī)床， 運(yùn)動學(xué)求解算法是不同的。下面以較復(fù)雜的雙轉(zhuǎn)臺式五軸數(shù)控機(jī)床(圖1)為例來討論后置處理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及回轉(zhuǎn)角度計(jì)算方法。

雙轉(zhuǎn)臺式五軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動坐標(biāo)包括3個(gè)移動坐標(biāo)X、Y、Z和2個(gè)轉(zhuǎn)動坐標(biāo)A、C， A、C回轉(zhuǎn)軸交于一點(diǎn)。

如圖2所示，CAM加工坐標(biāo)系為OmXYZ，機(jī)床加工坐標(biāo)系為OrXYZ， 工作臺C 回轉(zhuǎn)軸與Z 軸方向一致，工作臺A 回轉(zhuǎn)軸與X 軸方向一致，OrXYZ坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在A 、C回轉(zhuǎn)軸交點(diǎn)上。CAM加工坐標(biāo)系OmXYZ與機(jī)床加工坐標(biāo)系OrXYZ的Z軸的方向一致，其余二軸相互平行，OmOr=d工件可繞 坐標(biāo)系X 軸轉(zhuǎn)動A

1、A、C轉(zhuǎn)角的計(jì)算

工作臺(工件)相對刀具轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)角以順時(shí)針方向?yàn)檎较?。將刀軸矢量a 繞軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動C角到 平面上， 再將刀軸矢量繞Xc軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動A角到與Zc坐標(biāo)方向一致，如圖2所示(這樣，轉(zhuǎn)動可以保證。這樣就完成了刀軸矢量的轉(zhuǎn)換，即刀具相對于工件的轉(zhuǎn)動或擺動。對于雙轉(zhuǎn)臺式五軸數(shù)控機(jī)床，為實(shí)現(xiàn)以上轉(zhuǎn)換，工作臺的動作為工作臺繞C回轉(zhuǎn)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動C角，工作臺A回轉(zhuǎn)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動A角。

2、機(jī)床運(yùn)動坐標(biāo)X、Y、Z的計(jì)算

求刀具參考點(diǎn) 經(jīng)工作臺(工件)轉(zhuǎn)動后在機(jī)床加工坐標(biāo)系OrXYZ中的位置坐標(biāo)，即機(jī)床的運(yùn)動坐標(biāo)X、Y、Z。

(1)將CAM加工坐標(biāo)系OmXYZ平移到機(jī)床加工坐標(biāo)系OrXYZ，變換矩陣為

(2)刀軸矢量繞Z軸旋轉(zhuǎn)C角，變換矩陣為

(3)刀軸矢量繞X 軸旋轉(zhuǎn)A 角，變換矩陣為

則

　將式(6)展開可得

五坐標(biāo)加工的機(jī)床運(yùn)動坐標(biāo)是刀具相對于機(jī)床加工坐標(biāo)系的坐標(biāo)，而不是刀具相對于CAM加工坐標(biāo)系的坐標(biāo)，這也是本步計(jì)算的依據(jù)。一般情況下，由于CAM加工坐標(biāo)系能夠較為方便地移動及設(shè)置，為了減少參數(shù)設(shè)置及計(jì)算方便，將CAM加工坐標(biāo)系OmXYZ 與機(jī)床加工坐標(biāo)系OrXYZ 設(shè)置為同一坐標(biāo)系，OmOr=d=0 即 。由此，式(7)便可簡化為式(8) ，亦即

三、CAM加工坐標(biāo)系設(shè)置與UCP600五軸數(shù)控機(jī)床專用后置處理程序?qū)崿F(xiàn)

1、CAM 加工坐標(biāo)系設(shè)置

刀位文件是相對CAM坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)軸生成的。CAM加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)就是機(jī)床上的程序零點(diǎn)(對刀點(diǎn))，CAM加工坐標(biāo)系的3個(gè)軸的方向就是機(jī)床刀軌的方向，所以在確定CAM加工坐標(biāo)系的方向和原點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)當(dāng)從現(xiàn)場加工的實(shí)際需要出發(fā)，保證毛坯在機(jī)床上的位置便于裝夾、找正和加工。

對于多軸(4軸或5軸)聯(lián)動加工，由于刀位文件數(shù)據(jù)需要通過后置處理程序進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，CAM加工坐標(biāo)系的設(shè)置需反映機(jī)床部分信息及數(shù)據(jù)。

后置處理數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是圍繞機(jī)床加工坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)軸進(jìn)行的，對于雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心，機(jī)床加工坐標(biāo)系原點(diǎn)只有設(shè)在A、C旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后加工程序的正確性。為保證與機(jī)床加工坐標(biāo)系一致，CAM加工坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)要設(shè)置在沿C旋轉(zhuǎn)軸、距工作臺端面向下一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸偏置值處(見圖1) 。

2、UCP600五軸數(shù)控機(jī)床專用后置處理程序的實(shí)現(xiàn)

UCP600五軸數(shù)控機(jī)床屬雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心，配置了Heidenhain 430控制系統(tǒng)。根據(jù)解釋執(zhí)行的原則，后置處理程序采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)，采用公式(1)、(2)、(8)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換部分程序設(shè)計(jì)；根據(jù)機(jī)床控制系統(tǒng)要求進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換部分程序設(shè)計(jì)。后置處理流程如圖3所示，程序讀入刀位文件中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和代碼轉(zhuǎn)換，將數(shù)控程序輸出到相應(yīng)文件中。

四、結(jié)語

本文對運(yùn)動形式復(fù)雜的雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機(jī)床運(yùn)動學(xué)求解進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述，推導(dǎo)出該類機(jī)床后置處理轉(zhuǎn)角計(jì)算公式和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算公式。并且實(shí)現(xiàn)了UCP600五軸數(shù)控機(jī)床專用后置處理程序。在該設(shè)備上加工慣性平臺臺體等復(fù)雜零件的應(yīng)用表明，本文開發(fā)的專用后置處理程序生成的數(shù)控程序可以滿足UCP600五軸數(shù)控機(jī)床加