基于Perl語言的四軸數控加工后處理研究

□ 楊衛國 □ 朱文華

上海大學機電工程與自動化學院 上海 200072

1 研究背景

隨著現代制造業的發展，機械加工的復雜化、高精度化、自動化越趨明顯。計算機輔助制造（CAM）作為必然選擇，在現代機械加工中具有不可替代的作用。作為商用集成軟件，CATIA的CAM模塊在設定好加工工藝后，必須使用額外購買的后處理功能模塊來進行轉化，才能被特定的數控機床所識別，進而完成加工。筆者針對CATIA所生成的.apt格式刀路文件，使用Perl語言進行后處理，進而輸出G代碼，可以為企業節省購買商用后處理模塊的費用。針對四軸臥式加工中心，使用Perl語言也可以進行后處理。Perl語言經過擴展和改進，可以快速適用于不同CAM軟件所輸出的刀路文件，并針對不同機床進行后處理。

國內研究者較多從CAM集成軟件的內置后處理進行不同層次的論述，如軟件的使用、優化處理等。鄧奕［1］、唐立山［2］等分別對 CAM 集成軟件的內置后處理進行了綜述與概述，王啟富［3］、張宇［4］、崔傳輝［5］等分別就使用C語言和Python語言進行加工后處理的模型及實際應用進行了介紹。 王剛［6］、胡乾坤［7］等分別對通用后處理、算法原理和后置處理配置文件參數設計進行了研究。

筆者從工程實踐出發，為企業降低成本，快速開發后處理應用。針對現有文獻中對三軸及五軸加工論述較多，而對四軸臥式加工中心后處理研究較少，且無應用Perl語言進行后處理的現狀，筆者對四軸數控加工的Perl語言后處理及坐標轉換數學模型進行了推導，通過實踐驗證了這一方法的正確性。

2 APT語言

CATIA生成的刀路文件擴展名為.apt，而APT本身就是用于生成數控加工程序的高級編程語言［8］，使用切削刀具的刀位點來編程，是數控編程系統中應用廣泛、影響深刻、具有代表性的數控編程語言，由麻省理工學院開發。APT語言于1955年推出，1958年完成APTⅡ，1961年推出APTⅢ，適用于三至五坐標立體曲面自動編程。1985年，國際標準化組織公布的數控機床自動編程語言標準就是以APT語言為基礎的。APT語言的出現，使具有復雜空間刀具運動的零件加工的計算機自動編程成為可能，是現代CAM系統的基礎。我國等效制定了數控機床自動編程語言標準GB/T 11292—2008［9］。

APT語言詳細語法格式和用法在相關標準［9-10］中已有規定，筆者僅介紹CATIA所輸出.apt格式文件中常用關鍵字及Perl語言相對應的處理方法，見表1。

表1 .apt格式文件關鍵字及對應Perl語言處理方法

CATIA輸出的.apt格式文件關于刀具位置的坐標語句格式為：

其中，x、y、z 為位點在坐標系中的尺寸，i、j、k 為刀具軸向量在 X、Y、Z方向單位向量的分量［10］。

筆者根據刀具軸向量來分析B軸旋轉角度及坐標變換的數學模型。

3 Perl語言

Perl是一種高級通用直譯式動態程序語言［11］，其最初設計者拉里·沃爾為了使在UNIX操作系統上進行報表處理變得方便，決定開發一種通用腳本語言，于1987年12月18日發表。Perl語言借鑒了C、sed、awk、shell腳本及很多其它編程語言的特性，其中最重要的特性是Perl語言內部集成了正則表達式功能，以及巨大的第三方代碼庫CPAN。

Perl語言應用范圍很廣，除通用網關接口外，還被用于圖形編程、系統管理、網絡編程、金融、生物及其它領域。由于具有高度靈活性，Perl語言被稱為腳本語言中的“瑞士軍刀”。

因為Perl語言在處理文本方面具有高度的靈活性和強大的功能，所以選擇Perl語言作為CAM后處理工具十分合適，并能高效快速地應用于生產。

使用文本編輯器來編輯代碼，在Perl語言命令行環境中使用Perlname.pl來運行程序。可以使用DWIM Perl等工具包來調試Perl程序。

4 研究的問題

.apt格式刀路文件中的關鍵字轉換為G代碼，包括將.apt格式刀路文件中的有關坐標轉換為G代碼坐標。

數控加工中坐標軸旋轉，包括A、B、C三軸旋轉，均可歸結為角度的數學處理問題。刀路文件提供的是角度單位向量的X、Y、Z方向的分量，因此可轉化兩向量的角度問題。

.apt格式刀路文件所提供的點位坐標及角度分量，在加工時均要轉換為機床坐標系刀具的運動。

5 數字模型

5.1 兩任意向量角度問題

▲圖1 兩任意向量角度

由兩向量點積的定義，可知［12］：

5.2 向量與Z軸角度問題

如圖2所示，針對B軸臥式加工中心，計算任意與XZ平面平行的向量與Z軸的夾角，即求刀具與Z軸的角度。在對應的坐標系中分析，易得a=［x10 z1］,b=［0 0 1］,代入式（5），得：

▲圖2 向量與Z軸角度

因反余弦定義域為（0，π），當角度超過 180°時，易推導得其表達式為：

5.3 不特定點位繞坐標軸旋轉后坐標的變換處理

因為CAM系統處理刀位坐標時，所給的刀位點為刀具的坐標（X，Y，Z）和刀軸的向量（i，j，k），所以必須對刀位點的坐標進行旋轉變換。將.apt格式文件坐標變換為加工坐標。

一般情況，繞任意軸S［uxuyuz］作旋轉變換的變換矩陣為［13］：

式中：ux，uy，uz為單位軸向量 u 的分量。

點 A［x y z］繞任意軸 S［uxuyuz］旋轉角度 θ，得到點 B［x′y′z′］

如圖3所示為繞Y軸旋轉特例，Y軸的單位向量為：

▲圖3 繞Y軸旋轉的點的坐標變換

將向量代入 MR（θ），得到繞 Y 軸旋轉的變換矩陣［13］：

任意點［x y z］繞［0 1 0］軸旋轉，變換后為［x′y′z′］，代入式（11），建立齊次表達式：

將式（13）轉換為線性方程組，得點位坐標變換方程為：

由此便可以得到變換后的坐標。

6 程序處理方法

6.1 坐標處理及直線插補

根據數學建模分析，將數據代入式（14），進行變換計算即可。

6.2 固定循環處理

鉆孔循環主要用于多孔加工，以下介紹一種簡單的鉆孔循環處理方法。

.apt格式文件的固定循環原始字串如下：

CYCLE/OFF

CYCLE/DRILL表示鉆孔循環關鍵字。MMPM即mm/min。 RAPTO，d對應 RAPTO，1.000000，是可選項，指定在安全平面以下繼續以快速向下的附加距離。RTRCTO，d對應 RTRCTO， $100.000000，是可選項，指定沿刀軸方向附加的快速回跳距離。$是換行符號，表示此行未完，程序處理時，需要連接兩行并處理。CYCLE/OFF表示循環結束。

根據標準［10］中的基本語法規定，循環語法格式為CYCLE/DRILL，DEPTH，a（PERMIN PERREV FPT），b，CLEAR，c 0：n［，｛（RAPTO，d）｝］。 根據鉆孔循環圖（圖4），含義如下：① DRILL指定鉆孔循環；②DEPTH，a指定在控制點以下鉆孔操作的最終深度，是以零件參考單位測量的有符號的補償值，且從刀具坐標負向測量；③PERMIN指定每分鐘進給量，進給量的單位由零件程序定義，如G94。④PERREV指定每轉進給量，進給量的單位由零件程序定義；⑤FPT指定每齒每轉進給量，進給量的單位由零件程序定義，需要在TOOLNO指令中通過FLUTES定義齒數，如果沒有定義齒數，則默認為單齒；⑥CLEAR，C為關鍵字實數，指明在控制點之上的趨近安全距離的初始值，是以零件參考單位測量的有符號值，且從刀具坐標軸正向測量；⑦ 0：n［，｛RAPTO，d｝］表示可選參數，可定義為0，或者n。

▲圖4 鉆孔循環圖

根據以上分析可知，對應的G代碼為［14］：

與CYCLE/DRILL后處理模式匹配的方法如下：（1）第 1行為加工參數，使用 G81來替代CYCLE/DRILL，增加Z，直接引用深度坐標；

（2）第2行為坐標參數，按X、Y、Z坐標處理，并增加角度運算結果。

（3）第3行為循環關閉，使用G80替代。

6.3 圓弧插補

對于腰型槽銑削，CATIA采用了直線插補替代擬合圓弧的方式輸出。事實上，在CAM領域，大量使用了直線擬合圓弧，通過圓弧擬合高次曲線，使計算簡化。根據不同加工精度的需要，采用不同的擬合精度，可以達到不同的使用要求。因為圓弧插補的匹配模式較為復雜，筆者不作詳細展開介紹。

7 測試文本

7.1 六方體模型

為了驗證方法的正確性，并進行簡化，筆者使用CATIA生成由六邊形拉伸而成的六方體零件模型，如圖5所示。模型簡要說明如下：①設定六面銑削；②6個面上鉆孔，因為6個面上坐標不同，所以可便于測試方法的正確性；③1個面做簡單型腔輪廓銑削；④ 為方便驗證，對不同的面作了標記，分為 A、B、C、D、E、F。

▲圖5 六方體零件模型

7.2 機床模型

機床模型零件由Unigraphics軟件導出，然后導入CATIA Machine Tool Builder 模塊進行構建［15-16］。

（1） 定義連接副，包括三個滑動副，即 X、Y、Z；一個旋轉副B；一個固定副，即床身。需要注意的是，需要先將機床模型完全約束到機床原點，定義運動方向后再導入仿真環境，否則會出現一些無法預料的錯誤。

（2）定義運動范圍。

（3）定義零件裝夾點、刀具裝夾點。

（4）定義其它參數，如速度、加速度等。

（5）定義數控參數。

完成機床模型構建，如圖6所示。

▲圖6 機床模型

7.3 刀路文件

生成試驗刀路，過程如下：

（1）定義工藝過程，如銑面、鉆孔、銑腰槽等；

（2）定義加工方法、刀具，選擇加工特征；

（3）按CATIA給定的模式，定義加工參數；

（4）生成.apt格式刀路文件；

（5）在CATIA中進行仿真，如圖7所示。

對輸出的.apt格式刀路文件中的A面銑加工代碼進行截取，如下：

對截取段應用Perl語言進行處理。

▲圖7 CATIA加工仿真

8 Perl語言應用

操作系統為Windows Server 2016，集成開發環境為JetBrains Clion，包含Perl插件。

編寫Perl語言處理程序框圖，如圖8所示。

程序中主要涉及的算法為字符串替換、處理。由式（8）、式（9）、式（14）對坐標進行處理轉換并輸出，主要應用的技術為數學計算處理和正則表達式匹配、替換［17］。

9 驗證

將Perl程序處理輸出結果與IMSpost處理結果進行對比，見表2。

由對比可知，G代碼完全相同，即Perl程序未對重復的坐標進行簡化處理。

將Perl程序生成的代碼在Vericut軟件中進行仿真，得到的結果與CATIA仿真相同。

筆者所述程序為演示驗證程序，若能增加如下功能，則可更加方便用于生產：

（1） 應用 G41、G42、G43 對刀長、刀具直徑進行補償；

（2）對重復的坐標進行簡化處理；

（3）對部分關鍵字進行處理，并根據標準進行擴展。

通過代碼運行與結果驗證，確認完全可以應用Perl語言對.apt格式刀路文件進行快速后處理，并可得到正確結果。

10 結束語

關于.apt格式刀路文件的后處理，目前已有很多商用軟件，但隨著智能加工技術的發展，在加工數據的生成與轉換方面必然會發生革命性變化，如目前發展勢頭強勁的STEP-NC技術，將零件幾何信息、公差數據、加工工藝數據集成在數據包中，實現數據共享，以及前端計算機輔助設計與后端計算機輔助制造相互關聯［18］。基于數控系統開放性［19］、智能化、網絡化［20］、標準化的發展，對后處理的研究顯得越來越重要。所有的數據轉換及計算機處理都離不開相應的數學模型，筆者所述應用Perl語言的方法可以為相應研究提供參考。按筆者所述方法，如果增加一軸，并新增相應的邊界條件，則很容易用于處理五軸加工問題。

筆者關于刀具坐標轉換等數據模型的研究，對數控加工數據模型的建立，以及未來數據共享處理具有參考意義。在不需要大量改變現有系統模塊的基礎上，可以平順實現數據共享。

表2 處理結果對比

▲圖8 Perl語言處理程序框圖

上海電氣首臺百萬千瓦等級核電焊接轉子進入冷加工階段

日前，上海電氣自主研發的全球最大核電焊接轉子在浦東臨港工廠制成，發運至巴基斯坦卡拉奇百萬千瓦核電項目現場。

據了解，卡拉奇2號、3號機組合同簽訂于2013年底，常規島主機設備及輔機由上海電氣提供。該項目是中國首次出口海外的三代百萬千萬等級核電機組。

根據合同要求，核電低壓轉子將首次采用焊接轉子，這也是百萬千瓦等級核電焊接轉子首次出口海外。百萬千瓦等級核電焊接轉子具有成本低、啟動和負載更加靈活等優勢。該技術取得突破，有效解決了整鍛轉子鍛造難、交貨期難以保證等諸多問題。

上海電氣首臺百萬千瓦等級核電焊接轉子從2017年2月開始裝配焊接，經過5個月的焊接，正式進入冷加工階段。該轉子質量約280 t，長13 m，為上海電氣浦東臨港工廠加工過的最大轉子，目前已具備批量生產能力。

（爾 東）

上海電氣海上風電后市場蓄勢待發

日前，上海電氣風電集團亮相“2018年海上風電優化設計與運行維護專題交流研討會”，以“全生命周期專業運維服務創造有未來的能源”為主題作了展示。

上海電氣風電集團致力于創造有未來的能源，可以為客戶提供全生命周期解決方案。作為國內最大的海上風電整機商，上海電氣在海上風電后市場有著得天獨厚的優勢——國內最為豐富的海上風電運行實踐經驗和最為專業的業務團隊，可以提供全生命周期的專業運維服務；基于大數據的預防性定檢和消缺、一站式大部件更換與維修，可以提供準確率高達90%的遠程實時振動診斷、全天候遠程風機監護和快捷備品備件供應；智能無人機加智能水下機器人立體式巡檢，可以為海上風電場提供360°無死角專項運維。

中國海上風電目前正進入快速開發期，風電后市場紅利將在2019年開始逐步釋放。在這樣的背景下，上海電氣風電集團正努力推進三個轉變，重點布局海上風電后市場，蓄勢待發。

（爾 東）