Cimatron和UG軟件后置處理的比較及應(yīng)用

尹冠群， 周 吉， 程 松

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海200070）

隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，五軸和高速加工必將成為主流。后置處理是數(shù)控加工中一個重要的環(huán)節(jié)，主要任務(wù)是把計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）／計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）軟件生成的加工刀位語言格式文件APT轉(zhuǎn)換成特定機床可接受的數(shù)控代碼文件（NC）[1]7。CAM 部分主要都由5個基本模塊組成：交互工藝參數(shù)輸入模塊、刀位軌跡計算模塊、刀位軌跡編輯模塊、三維加工動態(tài)仿真模塊和后置處理（Post Processing）模塊，其中后置處理模塊是CAD／CAM系統(tǒng)的一個重要部分。五軸后處理的目的就是把CAM生成的點坐標(biāo)及刀軸矢量轉(zhuǎn)換為機床坐標(biāo)系的X，Y，Z，A，C這5個軸坐標(biāo)。后置處理的過程實際上是一種解釋執(zhí)行，即讀出刀位文件中的一個完整記錄，然后分析該記錄，根據(jù)記錄類型確定是進行坐標(biāo)變換還是進行文件代碼轉(zhuǎn)換，前一種變化在五軸加工中很常用。后置程序是將這些性能和特色反映到CAM系統(tǒng)的工具。從信息技術(shù)的角度來看，后置程序確實對CAM系統(tǒng)輸出的刀具軌跡數(shù)據(jù)進行了處理。存在的問題是：沒有根據(jù)五軸加工機床的特點進行必要的二次開發(fā)，由此生成的代碼還需要人工做大量的修改，嚴重影響了CAM模塊的應(yīng)用效果。

目前，后置處理技術(shù)的發(fā)展方向[2]：① 面向通用化；② 面向高速加工；③ 校核與處理非線性運動誤差；④ 發(fā)展到基于制造特征進行編程的STEPNC數(shù)據(jù)模型，要求計算機數(shù)字控制機床（Computer Numerical Control，CNC）系統(tǒng)直接使用符合產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP）的CAD三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型（包括幾何數(shù)據(jù)、設(shè)計和制造特征），加上工藝的信息和刀具信息，直接產(chǎn)生加工程序來控制機床。

尋求更加高效、易于理解和操作、描述性更強的后置處理程序是五軸數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展的重要因素。后置處理最重要的是良好的適應(yīng)性，當(dāng)前的高水平智能數(shù)控系統(tǒng)擁有很多自動化的子程序，都能被模板調(diào)用。這使數(shù)控程序簡短易懂、易于快速仿真驗證、高效運行。模板還可幫助程序員跟蹤檢查G代碼和M代碼的調(diào)用情況。后置處理的任務(wù)主要有機床運動變換、非線性運動誤差校驗、進給速度校驗、數(shù)控加工程序生成等。不同的數(shù)控機床或加工中心，對于相同的加工，其代碼格式也各不相同，要求CAM軟件能夠提供不同機床的后置處理[2－3]。

1 軟件簡介

1.1 Cimatron后置處理功能

自從Cimatron（思美創(chuàng)）公司1982年創(chuàng)建以來，Cimatron中的后置處理器在處理編程后置方面已經(jīng)有了20多年歷史，在CAM中得到了廣泛的應(yīng)用，它的作用是將編程信息轉(zhuǎn)化成適合機床的程序代碼。其界面簡潔，易于理解，功能強大，使用也方便。

Cimatron系統(tǒng)提供了后置處理程序可選用通用處理器二代（General Purpose Processor 2，GPP2）和IMSPost（美國IMS公司為廣大用戶提供的基于宏匯編的后處理程序編輯器）兩種后置處理方式，生成數(shù)控機床可識別加工的程序代碼文件。GPP2具有豐富的定制功能，能生成任意形式的后置處理文件，從而可更好地提供支持高速加工、多軸加工的后置處理，用戶需要的后處理程序都可以通過執(zhí)行GPP2后生成。后置處理的主要內(nèi)容是定義編程方式、數(shù)據(jù)格式、機床配置代碼、機床運動參數(shù)、直線插補、圓弧插補和固定循環(huán)等[4]。

利用IMSPost后處理可以非常方便地對相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)進行設(shè)置。IMSPost提供了如Fanuc（發(fā)那科）、Siemens（西門子）、Deckel Maho（吉特邁）、Heidenhain（海德漢）、Centurion（森特恩）等數(shù)控系統(tǒng)的后置處理程序，同時充分利用其提供的宏程序功能，可根據(jù)需要定制自己的數(shù)控系統(tǒng)。用戶宏程序由一些變量和控制語句語法組成，可以完成用戶需求和特定數(shù)控系統(tǒng)的功能。Cimatron系統(tǒng)的IMSPost后置處理工作模式可表述如下。

（1）可以讓用戶建造自己的機床（主要應(yīng)用于多軸機床的后置處理）。用數(shù)字參數(shù)來控制機床的構(gòu)造和運動自由度，并以空間造型和對話框的形式顯示，同時將機床各組件的裝配結(jié)構(gòu)用樹狀列表，方便使用人員填寫和修改。在填寫各組件的運動形式、行程等后，就可以在短時間內(nèi)完成一個機床的定義。用戶還可以讓建立的機床進行模擬運動，以檢查結(jié)果的正確性。

（2）可以定義符合機床的程序代碼，如程序的開頭和結(jié)尾的形式、直線或圓弧運動等。

（3）可定義控制器。用來定義各個代碼的數(shù)值形式及順序等。IMSPost簡單易懂，每種命令都以圖片或?qū)υ捒虻男问斤@示出來，讓編程人員上手容易，方便學(xué)習(xí)和程序代碼的定制。IMSPost不僅使對通用數(shù)控機床后置程序的編寫更容易，而且由于可以把機床和程序代碼聯(lián)系起來，使得它能處理任何特殊的機床和代碼。

（4）具有代碼優(yōu)化的功能。用戶可以指定優(yōu)化精度，后置處理器則在精度范圍內(nèi)把G代碼用更精練的直線差補或用圓弧差補替代大量的短直線差補運動，從而減少數(shù)據(jù)傳輸量，提高加工質(zhì)量。

1.2 UG后置處理功能

UG軟件是Siemens PLM Software公司的軟件，它提供了自己特有的后置處理工具圖形后處理模塊（Graphics Postprocessor Module，GPM），用戶通過運行一個生成數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件的交互式對話程序，依次回答其中的問題，便能生成一個所需數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件（Machine Data File，MDF）。通用后置處理程序不能直接控制數(shù)控機床，用戶必須進行適當(dāng)修改，另外，UG后置處理不能適應(yīng)不同數(shù)控系統(tǒng)的多坐標(biāo)數(shù)控加工。專用后置處理程序的開發(fā)必須在充分掌握數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)信息、控制系統(tǒng)和機床編程規(guī)則等方面的基礎(chǔ)上才能進行[1]6。UG Post Builder（UG 后置處理器）提供了開放式的后置處理自定義功能，采取問答的方式幫助用戶定義特殊的后置處理功能，使用戶能非常方便地完成復(fù)雜的后置處理自定義過程[5]。

DMU70 V型五軸數(shù)控機床，垂直軸是Y軸，旋轉(zhuǎn)軸是A軸和B軸，數(shù)控系統(tǒng)為Siemens。本文針對DMU70 V型五軸數(shù)控機床，利用CAD／CAM進行零件的五軸加工后置處理，將理論設(shè)計轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)中有著重要的作用。

2 5坐標(biāo)后置處理數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

圖1和圖2分別為五軸加工中心刀軸矢量轉(zhuǎn)動關(guān)系和幾何關(guān)系圖。通過矩陣代數(shù)的旋轉(zhuǎn)變換，三維旋轉(zhuǎn)變換指空間立體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一個角度θ（分別為A，B，C）。θ的正負按右手法則確定：右手大拇指指向旋轉(zhuǎn)軸的正向，其余4個手指的指向即為θ 的正向[6]。

圖1 五軸加工刀軸矢量轉(zhuǎn)動關(guān)系

圖2 五軸加工中心刀軸矢量轉(zhuǎn)動幾何關(guān)系圖

（1）繞X軸旋轉(zhuǎn)A角

3 后置處理構(gòu)建及處理

在通用三軸后置處理器的基礎(chǔ)上，將角度計算和新刀位點的計算通過Cimatron和UG的后置處理程序加入到通用三軸后置處理器中，快速開發(fā)了該機床的五軸專用后置處理器，并開啟第4軸B和第5軸C角度的輸出。

3.1 Cimatron IMSPost后置處理

Cimatron所有工步的刀具軌跡生成后，通過專用的后置處理程序，轉(zhuǎn)為機床的加工代碼，能對未加工區(qū)域自動識別和清根處理。

Cimatron系統(tǒng)采用了IMSPost。IMSPost是基于宏匯編的后處理程序編輯器，可支持各種CAD／CAM軟件生成的刀位文件的后置處理，并提供了多種后置處理文件庫，可支持更廣泛的數(shù)控機床。同時，它也提供了豐富的定制功能，可生成任意形式的后置處理文件，從而更好地提供支持高速加工、多軸加工的后置處理。在IMSPost對話框中選擇相應(yīng)的控制器、機床類型，設(shè)定相關(guān)參數(shù)的值，定義輸出文件的格式、輸出文件的位置，對刀位數(shù)據(jù)進行后置處理。用戶可以根據(jù)自己的需要，通過修改事件解釋器文件和定義文件，定制自己的后置處理器。IMSPost后置處理的流程圖如圖3所示。

圖3 IMSPost后置處理流程圖

采用雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動加工中心，Cimatron后置處理使用IMSPost后置編譯器。后置處理構(gòu)建方法：新建→選擇Siemens849.lib→Input（輸入）和Output（輸出）選擇 Metric（材料）→機床類型選擇5－axis C on B（五軸，C軸在B 軸之上）→根據(jù)機床實際情況設(shè)置各軸的正負限位→Referencel Z（Z向參考）設(shè)置值為B軸旋轉(zhuǎn)中心到工件原點的值，后面的設(shè)置都采用默認設(shè)置。

采用Cimatron軟件編制后置處理程序文件的關(guān)鍵在于：CAM加工坐標(biāo)系與數(shù)控機床的實踐加工坐標(biāo)系要進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，同時，在CAM坐標(biāo)系中相當(dāng)于機床程序的回轉(zhuǎn)體的直徑坐標(biāo)值要進行關(guān)系運算。新編譯的后置處理文件（＊.EXF）在Cimatron上調(diào)試編譯通過（生成＊.DEX）后，刀路文件通過該文件進行處理即產(chǎn)生適合機床加工的數(shù)控銑削程序。

3.2 UG Post Builder后置處理

UG后置處理器的原理如圖4所示。其后置處理程序制作的關(guān)鍵是按照機床結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)規(guī)則定制機床數(shù)據(jù)文件：＊.tcl（事件處理文件），＊.def（事件定義文件），＊.pui（后處理用戶界面文件）。其中，pui文件用于利用圖形化 UG Post Builder構(gòu)造器，在其構(gòu)件后置處理器，方便用戶操作[7]。UG Post Builder進行后置處理的過程為：由事件生成器讀取刀具軌跡信息，并將刀具軌跡信息整理成事件和變量后傳遞到加工輸出管理器進行處理，加工輸出管理器把帶有相關(guān)數(shù)據(jù)信息的事件傳遞到事件管理器（＊.tcl），處理結(jié)果再返回到加工輸出管理器，由加工輸出管理器根據(jù)＊.def來決定加工程序的輸出格式，并輸出加工程序，直到結(jié)束。

圖4 UG Post Builder后置處理原理

UG后置處理程序開發(fā)包括：設(shè)定機床參數(shù)，程序和刀軌參數(shù)設(shè)置，Custom Command子參數(shù)設(shè)置和5坐標(biāo)后置處理器與UG集成。UG后置處理必須具備兩個要素：刀具軌跡數(shù)據(jù)和后置處理器。刀具軌跡數(shù)據(jù)在UG CAM中自動生成，UG后置處理器由事件管理器和事件定義文件構(gòu)成。UG Post Builder提供一系列事件解釋器和定義文件的模板，可用于其他數(shù)控機床，事件解釋器是用TCL語言編寫的，定義文件主要包括3種信息：Format（格式）、Address（地址）和程序段模板BLOCK＿TEMOLATE。其中，Address為控制機床的變量，F(xiàn)ormat為地址的數(shù)據(jù)格式，BLOCK＿TEMOLATE為一系列描述地址如何組合的宏模板。

4 實驗驗證

4.1 IMSPost加工步驟

使用IMSPost后置處理程序來生成數(shù)字化控制（Numerical Control，NC）加工程序的具體步驟如下：

（1）選擇刀具路徑，即高亮選擇 WCUT＝1（自定義程序名）程序，并通過檢視刀具路徑，確認程序正確。

（2）單擊后置處理POST程序，即選擇POST選項，單擊中鍵進入后處理操作。

（3）確認開始后處理，即單擊YES確認后處理。

（4）選擇后處理方式。

（5）確認原點，即按默認值，X＝0，Y＝0，Z＝0。

（6）設(shè)置后處理參數(shù)，即設(shè)置程序號、刀補號、換刀程序、子程序使用、程行編號等參數(shù)。

（7）在后置處理對話框中輸入刀位數(shù)據(jù)文件名和輸出的NC程序文件名。

（8）選擇GO，生成該工序數(shù)控加工程序，完成后處理，系統(tǒng)將產(chǎn)生一個后綴名為.NC的文本文件。

（9）檢視NC程序文件，使用記事本或?qū)懽职宓任谋揪庉嬡浖蜷_后處理產(chǎn)生的文件，可以對程序進行檢查，并作局部的修改。如將程序頭部分更換成符合機床控制器標(biāo)準(zhǔn)的語句，或者按照企業(yè)中的規(guī)范對程序頭進行部分調(diào)整。

4.2 使用UG Post Builder后置處理程序步驟

（1）設(shè)置機床參數(shù)。配備Siemens數(shù)控系統(tǒng)，一般參數(shù)General Parameters、第4軸Fourth Axis、第5軸Fifth Axis窗口編輯設(shè)置圓弧刀軌輸出、直線軸行程極限、機床零點、直線插補最小分辨率、機床快速移動速度、初始軸坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)軸等相關(guān)機床參數(shù)。

（2）設(shè)置程序和刀桿參數(shù)。在程序和刀桿（Program ＆Tool path）窗口中定義、修改和用戶化所有機床動作事件的處理方式。

（3）NC數(shù)據(jù)格式設(shè)置。在NC數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置（NC Data Definitions）窗口中，定義NC數(shù)據(jù)格式、使用的G和M字地址以及使用的FORMAT格式。完成上述設(shè)置后，生成定義文件.def、事件處理文件.tcl和參數(shù)文件.pui。

由IMSPost和Post Builder兩者后置處理器輸出的NC數(shù)控加工程序應(yīng)用于DMU70V五軸數(shù)控機床進行加工，驗證了兩者后置處理程序的正確性。加工過程中沒有運動干涉，加工的零件經(jīng)過檢驗后其尺寸精度等滿足工程要求。如圖5所示為刀位處理圖。

圖5 曲面工件刀位處理

5 結(jié) 語

本文對五軸聯(lián)動加工中心的后置處理問題進行研究，分別采用Cimatrion IMSPost和UG Post Builder兩種后置處理器。通過在DMU70V型五軸數(shù)控機床銑削，實踐后發(fā)現(xiàn)了兩者在加工刀路處理方面不同的優(yōu)勢。對于五軸加工機床，此兩種后置處理器能夠進行資源整合，可以達到最恰當(dāng)?shù)氖褂煤吞幚斫Y(jié)果。

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