數控加工中變坐標問題的研究

田源，劉巖，朱奕瑋，關磊，莊睿晨，郭雨龍，唐宏佳

(1.沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學工程訓練中心，遼寧沈陽 110136；3.沈陽航空航天大學安全工程學院，遼寧沈陽 110136；4.沈陽航空航天大學能源與環境學院，遼寧沈陽 110136)

0 前言

在普通的數控加工中，一旦該機床的基機械坐標確定，其加工平面就已經確定了，如：三軸的立式加工中心其加工面一般為G17(XY)平面，臥式加工中心的加工面一般為G18(XZ)或G19(YZ)平面。但是在一些變坐標的特殊加工中，一臺機床可能要進行多個加工面的切換[1]。普通加工時都是一臺機床只有一個加工平面，但是在安裝側銑頭及安裝傾斜角夾具等一些特殊的情況下就會出現多個加工平面的情況。除此之外，五軸加工中心和車銑復合加工中心在聯動加工時，以歸零時的加工平面為準，但是當固定角加工時也需要配合G17/G18/G19這3個不同平面之間的轉換才能正確使用。所以在復雜的高端后處理制作中能否自動判斷G17/G18/G19這3個平面的算法和邏輯關系就顯得很重要。后處理運用UG/PostBuilder構建與數控系統相匹配的2個文件，即：事件處理文件(.tcl文件)和格式定義文件(.def文件)。.tcl文件用于定義事件的處理方式，將刀位數據轉換為機床指令代碼；.def文件則用于定義事件處理后機床可執行文件輸出的數據格式。在國內，王鈞等人[2]對三軸機床側銑加工中判斷平面的后處理進行定制，起到了一定的效果，但在多軸加工、復合加工中仍無法實現。

本文作者針對以上問題進行深入研究，旨在梳理出變坐標加工中后處理自動判斷加工平面的機制、流程、相關運動的代碼，達到能夠制作出自動判斷G17/G18/G19加工平面，并且能夠輸出相應插補以及配合機床使用的NC代碼的目的，為變軸加工、五軸機床定軸加工、車銑復合加工的后處理制作提供相應解決方案[3-4]的同時，再進行仿真試驗來檢驗代碼在側銑刀加工中的作用。

1 不同平面之間關系及轉換

數控加工平面示意如圖1所示，在床身 1和機床底座 3組成的機床主體框架上，機床機械坐標系5按照笛卡爾坐標系的原則將空間中能夠加工的面分為：(1)由XY平面組成的G17加工平面；(2)由XZ平面組成的G18加工平面；(3)由YZ平面組成的G19加工平面。從圖中可以看出：不同的平面其圓弧插補的方向完全不一致，如果在后處理中沒有做好加工平面的判斷，則會造成加工軌跡出錯，無法加工零件甚至偏移過多造成碰撞導致機床工件的損壞。

普通的加工中只會出現上述3種加工平面中的任意一種，安裝側銑頭或角度夾具后則會出現加工平面的變化。五軸機床通過旋轉軸可以達到上述的任意一種情況，從而改變加工平面[5-7]。而車銑復合由于車削和銑削時坐標不一致也會出現加工平面的變化。所以要制作能夠自動判斷加工平面的后處理，需要先說明不同平面之間的原理以及差別，利用代碼識別之間的差別，達到自動判斷的目的，最后再結合UG/Post軟件將結果輸出成NC代碼傳輸給數控機床。

由于在G17/G18/G19 3個不同的平面之間轉換時其坐標發生了旋轉，而機床的原始機械坐標系仍然固定不變，所以當坐標變換為G18和G19時，其變換坐標和原始坐標之間還存在著轉換關系，其關系如下：

當判斷為G17時，MCS坐標和機床的加工機械坐標一致，G17的空間坐標如下：

當自動判斷坐標為G18(XZ)坐標時，其翻轉坐標的關系如下：由于翻轉為G18平面，即當前加工平面以立式加工中心的坐標來看是以XZ平面為底面的，此時刀具的軸線垂直于XZ平行于Y，所以刀具是沿著Y方向垂直進給的，則Y和Z需要做相應的變換。然而該變換又存在2種情況，即在Y的正方向象限，或者在Y的負方向象限，所以存在著Y→-Z、Z→Y或者Y→Z、Z→-Y2種坐標轉換情況，系統會根據其刀具在編程中MCS坐標的方向來判斷具體是哪一種。

當自動判斷坐標為G19(YZ)坐標時，其翻轉坐標的關系如下：

2 后處理制作

后處理是將軟件中已經編制好的刀具軌跡轉換成機床能夠識別的特定NC代碼，除此以外，該代碼還要能夠實現機床的一些特定功能的定制、加工時的刀具信息獲取以及碰撞保護[8-9]。

2.1 后處理運行流程

后處理流程如圖2所示，在軟件中編好路徑程序以后，就開始進行后處理的轉換。

圖2 后處理流程

(1)程序開始后首先進行刀具列表的判斷輸出，刀具列表放在開頭的原因是刀具列表里含有中文或者特殊的羅馬字母，這些字母很可能造成程序在機床上報錯，所以統一放在程序開頭的%號之前。這樣整個系統就不會識別刀具列表的代碼，不會出現報錯。除此以外，將程序放置開頭，也能夠方便操作者觀看。

(2)初始化機床的參數，包括對機床參數的選擇，比如公制還是英制以及刀具補償等參數的提前設置。

(3)判斷軟件中的刀具實際垂直于哪一個平面，該方法需要編程軟件中的刀軸設置和MCS坐標設置相互配合。

(4)判斷完成后，根據該坐標系下的關系特點進行圓弧和直線插補運算。

(5)完成后返回參考點，如果還有下一個工序則繼續執行，否則結束程序。

2.2 后處理制作

進行后處理程序定制使用的軟件是UG/Post，其原理是UG/Post使用事件調用的方式編譯前處理刀具路徑軌跡，事件中放置固定模塊和用戶自定義命令[10]。通過TCL語言編寫，實現定制化功能。因為側銑頭刀具的結構和普通刀具的結構不一樣，相應的后處理方式也不一樣，如果使用普通的后處理方式，機床就很容易撞機。

程序定制之前，先創建后處理文件，名稱為CY1003-LATER，單位為mm。由于側銑頭的刀具中心線和機床主軸的中心線具有一定角度，使用UG/Post的三軸定制模塊在很多情況下由于系統判定Z軸運動軌跡和XY平面不垂直會直接報錯，所以需要使用四軸的模塊進行定制，并且限制旋轉軸就可以解決這一問題。

2.2.1 程序開始模塊

圖3所示為程序開始定義模塊。后處理程序設計包括以下步驟：

圖3 程序開始定義模塊

(1)程序開始時，首先使用命令{MOM set seq off}將程序開始的程序號關閉，避免在%出現之前就開始排序，也是為了程序的美觀。

(2)使用定制命令{MOM_disable_address}，該命令能夠限制旋轉軸ABC做任意旋轉，并且使它強制輸出，保證它每一次都能限制旋轉軸運動。

(3)既要保證限制旋轉軸，還要保證NC程序中不出現旋轉軸(ABC)后面的數值，否則當機床擁有四軸時會發生反轉，沒有四軸時會報錯。

(4)使用定制命令{mom_mcs_goto(0～2)}插入加工坐標(MCS)，一般為G54-G59。插入TCL語言中的{set mom_sys_adjust_code 43}，該指令的作用是在NC程序中插入Hxx代碼，xx的數值視具體補償值而定。通過以上定制，程序的開頭基本完成。

2.2.2 自動判斷指令定制

自動判斷平面的后處理模塊在定義之前需要先聲明變量，這里的變量在書寫語言之前就已經被封裝在程序中，可以進行調用，而這里的聲明就是將已經封裝的命令進行調用[11]，具體聲明變量定義如圖4所示。

(1)global mom_cycle_spindle_axis mom_sys_work_plane_change。該指令用于聲明循環軸，即有轉速的主軸工作平面Workplane發生了改變。

(2)global traverse_axis1 traverse_axis2 mom_motion_event mom_machine_mode。該命令用于聲明移動軸1和移動軸2的運動事件的加工代碼調用，在坐標轉換中不需要考慮旋轉軸ABC，所以確定其中移動的2個軸以后，就可以知道其加工平面。

(3)global mom_pos mom_prev_pos mom_from_pos mom_last_pos mom_sys_home_pos。由于該后處理的平面可以變換，所以前一個平面和后一個平面不同，這里根據前一個平面的坐標和后一個平面坐標是否發生了變化來做判斷。

(4)global mom_sys_tool_change_pos。除了知道主軸的平面，刀具的刀軸矢量也需要聲明，因為變坐標的使用中有一種方法就是“側銑頭”，側銑頭的主軸和刀軸矢量不在一條直線，所以需要兩者配合判斷。

(5)global spindle_first rapid_spindle_inhibit rapid_traverse_inhibit。該命令用于抑制第一刀切削時的快速移動，變坐標后坐標系改變容易造成誤判，低速進給第一刀更有利于加工技師的觀察。

在后處理中判斷出坐標是否變換或者判斷坐標是在哪個面，通過前面的敘述只要對比程序中的固定坐標系機床MCS和當前加工的主軸刀軸矢量和刀具矢量是否變換，如果變化，再判斷出其移動軸就能判斷出其加工平面，但是平面變化后的坐標變化即上述的坐標系轉換是后處理的難點[12]。平面判斷和坐標轉換關系如圖5所示。

圖5 平面判斷和坐標轉換關系

使用if 指令判斷機床當前加工刀具主軸{ ![info exists mom_from_pos(＄mom_cycle_spindle_axis)] &&和機床的自身坐標，該坐標在軟件中為MCS在代碼中用_{home_pos}表示，[info exists mom_sys_home_pos(＄mom_cycle_spindle_axis)] }。通過上述指令首先對坐標是否改變做判斷，利用上述的聲明調用判斷后再進行坐標轉換，其具體轉換過程為：當為G18平面時，即原坐標中的X不變，Y變為Z，Z再替換為Y，在程序中分別用0、1、2來代表XYZ的坐標。其算法代碼如下：

set mom_from_pos(0) ＄mom_sys_home_pos(0)

set mom_from_pos(1) ＄mom_sys_home_pos(2)

set mom_from_pos(2) ＄mom_sys_home_pos(1)

當為G19平面時，即原坐標中的Y不變，X變為Z，Z再替換為X，在程序中分別用0、1、2來代表XYZ的坐標。其算法代碼如下：

set mom_sys_home_pos(0) ＄mom_from_pos(2)

set mom_sys_home_pos(1) ＄mom_from_pos(1)

set mom_sys_home_pos(2) ＄mom_from_pos(0)

完成以上的變換后，使用set mom_from_pos(0) 0.0指令、 set mom_sys_home_pos(0) 0.0指令插入，該指令中的0.0與上述的0代表的X不同，這里表示孔集，當上述判斷完成后，利用該集合插入。

上述的指令只完成了坐標的位置轉換，但是在第1節中提到，不光是位置的變換，還有在不同象限導致的正負號的變化，所以還需要對正負賦值。坐標位置正負判斷如圖6所示。

圖6 坐標位置正負判斷

首先需要使用if { ![info exists mom_sys_work_plane_change] } {set mom_sys_work_plane_change 1}命令，該命令的作用就是先判斷加工的坐標和機床的坐標是否發生變化，如果發生了變化，則使用[Reverse workplane change direction per spindle axisglobal mom_spindle_axis]命令判斷Workplane(加工平面)和Spindle Axisglobal(刀具主軸)旋轉軸的平面是否一致，若不一致則說明方向發生了變化，則需要對其方向的正負賦值。使用set going_lower[expr abs(＄going_lower - 1)]命令可以賦值，由于在軟件中已經有了坐標系，所以此處不需要書寫判斷具體在哪個方向，只需要調用已經有的函數，即上述的set going_lower [expr abs(＄going_lower - 1)]指令，判斷并且按照圖中的辦法即可。

2.2.3 相關參數設置

上述的設置在程序中已經實現，但是對于如何判斷平面是否改變，平面具體是哪一個，判斷完平面后坐標是否有正負等問題，上述的基礎設置完畢以后還需要添加輸出的主體即G17/G18/G19指令的輸出地址，如果沒有輸出地址，就猶如球體內的水滴，沒有缺口輸出，相關參數設置如圖7所示，需要在平面插補和鉆孔循環插補中添加2個G17/G18/G19指令，并且選擇不讓指令強制輸出。

圖7 相關參數設置

按照以上的設置要求，就可以讓后處理自動判斷輸出G17/G18/G19指令，并且完成不同指令下的坐標替換以及坐標的正負值問題。

2.2.4 插補指令定制

在G17、G18等平面判斷完成后，可以進行自定義，圖8所示為插補指令自定義命令，而側面銑刀后加工器的所用的是G41 G17/G18 G01 G90 X Y Z F D S M03 M08；G41作為模式命令[13]的工具，它是關于工具行進方向左邊的工具補償(可以是正數或者負數)；G17/G18指示是采用絕對值程序指令G90進行的。通常，無論是順銑削或反向銑削，都要采用SxxM03命令的形式，可按不同的生產流程選用；M08命令控制切削液的打開；剩余的命令為基本程序，在此不再贅述[14]。

圖8 插補指令定制命令

2.3 個性化刀具表和錯誤提示

在高級后處理器的定制中，后臺自定義不僅可以穩定地提供符合加工要求的 NC代碼，而且還可以通過 TCL進行定制。在實際應用中，最常見的是工具清單模塊和自動判斷轉速、進給模塊。因為批量制造企業通常按照產品的工藝位置設定程序工程師與作業技術員，在后處理程序中加入工具清單，使作業人員能清楚地看見工具資訊，防止錯誤判斷。而自動判定轉速和進給模塊則會提示編程人員，一般的后加工軟件，即使沒有轉速和進給，也能輸出 NC代碼，但這樣做會導致加工速度過快，導致零件損壞。作者對刀具清單定制、轉速和進給量報警代碼定制進行了具體的剖析和說明。

1.2.1 納入與排除標準：納入標準：年滿18周歲，癥狀性、藥物難治性Af患者，第一次行RFCA患者。排除標準：二次手術患者，數據不全或術后失訪，因其他疾病一年內死亡患者。

2.3.1 刀具清單定制

圖9顯示了工具列表，它位于項目標題“%”以下，而第一個 Txx (T02)表示工具編號，這里 xx是一個可以隨意更改的代碼；TxDxRx是指工具的尺寸，也就是工具的規格和工具的直徑以及工具的角度，例如T2D70R0是指工具的二次加工，該工具的直徑是70 mm，圓弧半徑是0。另外，對于操作員而言，最重要的2個參數是Zmax和Zmin，它們之間的差異表示了最大的切削量；操作員根據這些資料可以準確地判定卡鉗的長短，防止由于工具太長而造成震動干擾，或因工具太短而發生與機器相撞的意外[15]。

圖9 刀具清單示意

要完成圖10所示的刀具清單，需要TCL命令實現定制。首先需要使用5組封裝命令：

圖10 刀具清單代碼示意

global mom_tool_name

global mom_tool_type

global mom_tool_diameter

global mom_tool_flutes_number

以上命令分別實現以下功能：顯示刀具名稱，顯示刀具類型，顯示刀具直徑，顯示刀具半徑，顯示刀具號。

后加工定制程序內嵌的指令可直接展示出來，但如果計算刀具長度稍顯復雜，還需代碼編寫，刀具長度自定義指令見圖11。

圖11 刀具長度定制命令

如圖11所示，自定義一個能輸出刀具長度的后處理程序后，需要通過如下代碼判斷是否有刀具：

if {![info exists ino]}{set ino 1 if {[file exists ＄tool_lists_file_name]}

上述編碼的含義是指執行后處理程序的輸入是否有刀，若有刀具則置位為1，然后輸入到刀具列表。

完成以后，當輸入大于1時，說明存在刀具，就可進行最大值MAX和最小值MIN輸出，代碼如下：

if {＄ino >1} {puts ＄tfile "(ZMAX=[format "%.2f" ＄mom_sys_max_travel(2)] ZMIN=[format "%.2f" ＄mom_sys_min_travel(2)])"

2.3.2 轉速和進給量報警代碼定制

編程時常常會碰到忘了設置刀路轉速或進給速度的問題，這種時候若是輸出代碼為NC，機器工作時會因為無轉速而容易發生撞刀現象，而代碼定制則能很好地表現出這種誤差。所用編碼如下：

global mom_spindle_speed

if { $mom_spindle_speed == 0 } {set mom_spindle_speed "未設置轉速"}

以上代碼的意義是當函數spindle_speed(機床轉速)等于0的時候，在編程界面提示該情況，報警示意如圖12 所示。

圖12 報警示意

3 仿真驗證

盡管許多機器能夠與 NC編碼進行后加工，但其容量也就局限在 ISO或者符合國家標準的 NC文檔(APT)與 CNC的控制體系之間，因此其運算量也就受到了限制[16]。因此，要做一個仿真試驗。表1顯示了該試驗中使用的機械設備的各種性能。

表1 機床參數

表1所示的1 300 mm×600 mm的沖量，可確保側面銑刀在工作時具有充分的工作間隙，而BT40的圓錐桿可確保側面銑刀夾緊，其主軸的輸出功率和輸出速度都比一般的垂直加工機床要高，可以為試驗的順利進行奠定基礎。

為進一步證明這種面向垂直切削的側銑刀片后處理的自定義能夠在生產中正常、安全地進行，文中采用實例編程推導后處理軟件，并進行工藝模擬，從而證明其正確性和可靠性。為保證這種檢驗具有一定的可信度，文中選取的零件是一個具有以下特點的車床前基礎盒式模具：

(1)所述工件必須進行兩側的內、外表面的弧形處理，并對G17、G18進行判定。

(2)工件尺寸大，有很強的可信度。

(3)工件具有較大的切削面積，能夠檢驗數控機床在切削時的切削軌跡和進給量的適應性。

圖13顯示了一個確認試驗的原理。首先，將NC程序導出，其由此處的后加工產出，透過 NC程序，可以很明顯地看到后加工已結束G17或G18的選取(參見程序第4行(G40 G18 G80))。此外，NC程序中還包括對應的刀具清單、刀具長度等。在觀測此程序的同時，還對它進行了計算機編程仿真，以求進一步證實其準確性。箱體鑄件的工件3底面和支撐板2接觸；2根直徑14 mm的螺桿5的一端和支撐板螺紋連接，另一端通過螺母預緊壓板4將工件固定；最后支撐板的4個腳和機床底座1上T形槽中的T形螺母連接，限制所有的自由度完成裝夾；最后安裝在機床6上面的側銑頭7進行加工。完成裝配后，在編程模塊分別進行構建工件、構建毛坯、添加刀具、插入坐標、編制程序、選擇機床、找加工坐標以及對刀等操作完成程序的仿真。

圖13 驗證實驗示意

上述試驗表明這種后處理自適應技術能夠在切削刀具的生產中得到應用。結果表明：所設計的后處理定制方法正確合理，可為側銑刀片的生產實踐提供一定的借鑒作用。

4 結論

文中針對普通數控機床加工難以加工死角和干涉面的情況進行研究，通過添加變角度刀具進行變坐標加工，并在UG/Post軟件上對該后處理進行制作，驗證了該變坐標加工后置處理方法的可行性，對于側銑加工具有一定的借鑒意義。