一、引言

我們知道，數控機床的控制系統不同，機床結構形式和運動方式也存在差異，所使用的NC程序格式也是不一樣，因此，數控操作中的刀具軌跡必需經過處理轉換成特定機床控制器能夠接受的特定格式的NC程序，這樣的處理過程就是后置處理。正是由于機床運動方式的不同，特別是五坐標擺角結構的不同，保證刀位文件通過后置處理生成NC程序與編程人員在CAD/CAM軟件數控操作設計的符合性，便成為后置處理的關鍵內容。

二、現狀

目前，常用的后置處理方法主要有以下兩種：

利用CAD/CAM軟件的通用后置處理模塊，定義數控機床的運動方式，通過選取CAD/CAM軟件提供的機床標準控制系統，定義某一類型或某臺數控機床的后置處理，如CATIA的PPBUILD模塊，UG的UGPOST模塊；

利用C/C++等計算機語言，按數控機床的運動方式和控制系統的編程規范，歸納出計算空間點坐標的數學公式，通過編制專用的后置處理程序并生成可執行文件，定義數控機床的后置處理。

第①種方法，其特點是操作簡單，對后置處理模塊定義人員的數控專業技能要求不高，缺點是靈活性較低，滿足對程序格式有特殊要求的能力低。

第②種方法，其特點是，能夠滿足機床對程序格式的各種特殊要求，針對性強，能夠完全保證數控操作設計與NC程序的符合性，缺點是需編寫后置處理的計算機程序，第一次開發工作量大，需軟件開發人員和數控編程人員共同完成。

三、解決方案

由于加工航空結構件使用的數控機床結構多，控制系統多，前置類型多。開發通用后置平臺是解決這種情況的最好辦法。通用后置平臺需要滿足以下幾點要求：

可以識別多種CAD/CAM軟件產生的前置程序（如UG，CATIA）。
對于不同結構的機床和控制系統，能夠輸出該機床能夠識別的NC代碼。
對一些特殊機床，可以滿足其對程序運算、程序格式、輔助信息的要求。
可擴展性，用戶可以根據自己的需求，定義實現新機床的處理輸出。
可升級性，可根據實際需求，不斷擴展完善核心處理模塊。

現在國內后置處理程序（尤其是多軸機床）的開發還僅僅處于初始階段，國內后置處理程序開發方面還很落后。主要依靠國外有關公司進行開發，價格昂貴，且只對單一機床或系統進行后置，通用性不強。開發通用后置處理軟件，可以有效的保證NC程序正確性，提高程編人員的后置處理效率，還可以把加工信息（如圖號、工序號、刀具規格、程序加工時間等參數）嵌入NC程序中，增加程序的可讀性，減少操作人員的人為加工誤差。

四、后置處理技術

UG的CLS文件是標準的APT語言生成的刀位文件（APT是一種自動編程工具（Automatically Programmed Tool）的簡稱，是對工件、刀具的幾何形狀及刀具相對于工件的運動等進行定義時所用的一種接近于英語的符號語言）。

采用APT語言自動編程時，計算機（或編程機）代替程序編制人員完成了繁瑣的數值計算工作，并省去了編寫程序單的工作量，因而可將編程效率提高數倍到數十倍，同時解決了手工編程中無法解決的許多復雜零件的編程難題。

下文著重分析論述了利用計算機語言，針對UG軟件CLS刀位文件，開發專用后置處理軟件的技術要點和解決方法。

4.1 CLS刀位文件

CLS刀位文件是UG生成的前置程序，通過對CLS文件不同后置處理，可以生成各種機床系統的NC加工程序。

以下是UG的一個標準CLS刀位文件,現對部分程序段進行解釋：

TOOL PATH/PLANAR_MILL, TOOL, FLAT20R2
注:為刀軌說明，每個CLS頭均有這一語句
TOOL PATH/PLANAR MILL——刀軌名稱,名稱為“PLANAR MILL”
TOOL，FLAT20R2?——使用刀具，刀具名稱為FLAT20R2
TLDATA/MILL,20.0000,2.0000,75.0000,1.0000,1.0000
注:為刀具說明
MILL——表示刀具為立銑刀，其它參數還有 TCUTTER：T型刀; DRILL:鉆頭等等。
為刀具參數，各參數對應下圖（D＝20，R1＝2，L＝75，B＝1，A＝1）

MSYS/0.0000, 0.0000, 0.0000,1.0000000, 0.0000000,0.0000000, 0.0000000, 1.0000000, 0.0000000
注:加工坐標系的說明，不參與后置處理
PAINT/……
注:在UG中顯示刀軌用，不參與后置處理
RAPID
注:進行快速定位，隨后會跟一段GOTO語句，后置的NC代碼為“G00”。
GOTO/70.2739,56.1953,-8.8824,0.5773503,-0.5773503,0.5773503
注：定位語句，格式為GOTO/X,Y,Z,I,J,K。
參數說明：空間刀軌坐標點（X,Y,Z）值，以及單位刀軸矢量在X軸的投影I、在Y軸的投影J、在Z軸的投影K。
注：當I,J,K值為0，0，1時，機床為三軸加工。當I,J,K為其它值時，機床為四軸或五軸加工。
FEDRAT/MMPM, 250, 0000
注：走刀速度
CIRCLE/66.1128,52.2324,-13.8804,-0.5773503,0.5773503,-0.5773503,7.0000,0.0600,0.5000,20.0000,2.0000
GOTO/63.2551,55.0901,-8.1650
注：圓弧定位語句，是由兩段組成，第一段指定圓弧起點和圓弧半徑等參數。第二段指定圓弧終點。
參數說明：格式為CIRCLE/X,Y,Z,I,J,K,R,公差1,公差2,刀具直徑,刀具底角
(X,Y,Z)=軌跡的起點坐標
(I,J,K)=圓弧在空間的矢量坐標
(R)=圓弧的半徑值
(公差1,公差2)=圓弧擬合為線段所使用的公差
(刀具直徑,刀具底角)=加工圓弧時所使用的刀具參數
END-OF-PATH
注：走刀結束

UG還有很多其它語句，如開關冷卻液、鎖定主軸、延時等等，需在UG中手動輸入，平時使用上較少，這里不一一累述。

4.2  軸加工中擺角的算法

在UG的前置文件中，出現的最多的語句是“GOTO/X,Y,Z,I,J,K”，后置的主要工作也就是把這段語句轉化為機床能夠識別NC語句。

這里我在算法上說明了怎樣將I,J,K語句后置為五軸機床的轉角A，B，C。

機床主軸頭AB擺角的五坐標后置處理

主軸頭AB擺角的五坐標數控銑床主要有三種：

第1種：B為主擺角，A為副擺角，刀具軸在Z軸上，見圖1；
第2種：A為主擺角，B為副擺角，刀具軸在Z軸上，見圖2；
第3種：A、B擺角，刀具軸在X軸上，見圖3。

第1、2種擺角類型在龍門結構和單柱結構的數控機床上均廣泛采用；第3種類型機床主要是臥式結構的機床；

根據GOTO語句中的數據信息，通過數學推導，可以利用單位刀軸矢量在X、Y、Z軸的投影值I、J、K計算出A和B的坐標值。如B為主擺角，A為副擺角的，利用IJK推導AB的運算過程如下，見圖4。

同理，推導A為主擺角和刀軸在X軸上的刀軸矢量與坐標角度的計算公式見表1。

AC或BC擺角的五坐標后置處理

帶C坐標的機床主要有三種，前兩種都是機床主軸頭擺動的結構形式，AB或BC，分別見圖6和圖7。還有一種是主軸頭擺動A坐標或B坐標，工作臺繞Z軸轉動構成C坐標，這種機床后置處理計算復雜，且很少使用。在本文主要分析前兩種的后置處理計算。

根據GOTO語句中的數據信息，通過數學推導，可以利用I,J,K值計算出AC或BC的坐標值，推導的公式見表3。

表3  第④、第⑤種機床結構的坐標點計算公式

由于AC或BC擺角的機床同一擺動位置具有坐標值的不唯一性，會造成C坐標插補過大（大于180°）導致銑傷工件，所以必須按一定原則，對AC或BC坐標值進行優化計算。結合實際情況，選擇C坐標插補絕對值最小的優化計算原則。

假定前一段空間點的坐標值為X1、Y1、Z1、A1、C1，按表3公式計算的坐標角度為A2、C2，則當前段坐標角度值A3、C3按如下邏輯運算。

第一步：C3= Min(ABS((n×(±180°))+C2- C1))，確定n和180°的正負號；
第二步：A3=(-1)n×A2

運算結束，將計算得到的值寫入NC程序中后，將當前段計算的坐標值X、Y、Z、A3、C3分別賦予X1、Y1、Z1、A1、C1，按上述方法依次優化計算每一段的坐標值并寫入NC程序，直至刀位文件結束。

4.3法向抬刀

在AC或BC擺角的五軸加工中，由于C角有一定的限程，當C坐標連續插補過大時就會造成C向反向旋轉。在加工中C反向旋轉，很容易銑傷零件。為了解決這一問題，常用的方法就是采用法向抬刀算法。

法向抬刀指的是當C旋轉角度過大時，機床按當前刀軸方向退刀，在空中旋轉C角，再進行軸向進刀，繼續切削加工。采用這種算法可以有效的防止機床在零件上進行C軸旋轉操作。

各種CAM軟件提供的通用后置無法做到這一算法，出現這種情況時，有可能會直接跟一個不合適的C值，造成零件過切。

法向退刀的數學公式：

設定前置CLS段為GOTO/X,Y,Z,I,J,K為，設定當前法向抬刀距離為TLPARK。退刀點坐標為：

五、結束語

隨著計算機CAD/CAM技術的發展，專家加工策略、智能化等數控操作建模技術越來越得到重視，與之相反，在廣大數控工藝編程人員中，掌握后置處理原理理論的人卻越來越少，導致在生產現場處理NC程序錯誤的綜合能力始終不能得到提高。數控工藝程編技術人員通過對后置處理技術，特別是五坐標后置處理技術的研究，不但可以在提高NC程序的準確性的同時，滿足不同企業、不同機床對程序的特殊要求，更加方便數控廠對NC程序的管理，還有助于提高自身的綜合技術水平。

本文敘述了UG刀位文件的格式與一些基本算法，希望各位程編人員能夠深入的了解后置處理，提高程編水平，提高處理NC程序錯誤的綜合能力。