Cimatron和UG软件后置处理的比较及应用

Cimatron和UG软件后置处理的比较及应用尹冠群;周吉;程松 【摘 要】针对五轴数控加工机床的应用,分别基于 Cimatron 和 Unigraphics(UG) 软件的后置处理系统,对零件刀路轨迹文件的后置处理及生成五轴加工系统可识别 的代码等问题进行了研究;分析与研究了 DMU70V型五轴数控机床中心坐标转换 数学模型.比较此两种软件的后置处理情况、资源整合合理利用达到最恰当的使用 和处理结果,为不同场合选用不同的后置处理提供依据.期刊名称】上海电气技术年(卷),期】2011(004)002【总页数】5页(P23-27)【关键词】五轴联动加工中心;后置处理;Cimatron;Unigraphics(UG)【作 者】 尹冠群;周吉;程松【作者单位】 上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海,200070;上海电气集团 股份有限公司中央研究院,上海,200070;上海电气集团股份有限公司中央研究院,上 海,200070【正文语种】 中 文【中图分类】 TG659随着数控加工技术的不断发展，五轴和高速加工必将成为主流。后置处理是数控加 工中一个重要的环节，主要任务是把计算机辅助设计(Computer Aided Design， CAD )/计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing , CAM )软件生成 的加工刀位语言格式文件APT转换成特定机床可接受的数控代码文件(NC)17。 CAM 部分主要都由5个基本模块组成：交互工艺参数输入模块、刀位轨迹计算模 块、刀位轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理(Post Processing) 模块，其中后置处理模块是CAD / CAM系统的一个重要部分。五轴后处理的目的 就是把CAM生成的点坐标及刀轴矢量转换为机床坐标系的X,Y,Z,A,C这5 个轴坐标。后置处理的过程实际上是一种解释执行，即读出刀位文件中的一个完整 记录，然后分析该记录，根据记录类型确定是进行坐标变换还是进行文件代码转换， 前一种变化在五轴加工中很常用。后置程序是将这些性能和特色反映到CAM系统 的工具。从信息技术的角度来看，后置程序确实对CAM系统输出的刀具轨迹数据 进行了处理。存在的问题是：没有根据五轴加工机床的特点进行必要的二次开发， 由此生成的代码还需要人工做大量的修改，严重影响了 CAM模块的应用效果。 目前，后置处理技术的发展方向2:面向通用化；面向高速加工；校核 与处理非线性运动误差；发展到基于制造特征进行编程的STEPNC数据模型， 要求计算机数字控制机床(Computer Numerical Control , CNC )系统直接使 用符合产品模型数据交换标准(Standard for the Exchange of Product Model Data , STEP )的CAD三维产品数据模型(包括几何数据、设计和制造特征)， 加上工艺的信息和刀具信息，直接产生加工程序来控制机床。 寻求更加高效、易于理解和操作、描述性更强的后置处理程序是五轴数控加工技术 发展的重要因素。后置处理最重要的是良好的适应性，当前的高水平智能数控系统 拥有很多自动化的子程序，都能被模板调用。这使数控程序简短易懂、易于快速仿 真验证、高效运行。模板还可帮助程序员跟踪检查G代码和M代码的调用情况。 后置处理的任务主要有机床运动变换、非线性运动误差校验、进给速度校验、数控 加工程序生成等。不同的数控机床或加工中心，对于相同的加工，其代码格式也各不相同，要求CAM软件能够提供不同机床的后置处理2 - 3。1 软件简介1.1 Cimatron后置处理功能自从Cimatron （思美创）公司1982年创建以来，Cimatron中的后置处理器在 处理编程后置方面已经有了 20多年历史，在CAM中得到了广泛的应用，它的作 用是将编程信息转化成适合机床的程序代码。其界面简洁，易于理解，功能强大， 使用也方便。Cimatron系统提供了后置处理程序可选用通用处理器二代（General Purpose Processor 2 , GPP2 ）和IMSPost （美国IMS公司为广大用户提供的基于宏汇编 的后处理程序编辑器）两种后置处理方式，生成数控机床可识别加工的程序代码文 件。GPP2具有丰富的定制功能，能生成任意形式的后置处理文件，从而可更好地 提供支持高速加工、多轴加工的后置处理，用户需要的后处理程序都可以通过执行 GPP2后生成。后置处理的主要内容是定义编程方式、数据格式、机床配置代码、 机床运动参数、直线插补、圆弧插补和固定循环等4。利用IMSPost后处理可以非常方便地对相应的数控系统进行设置。IMSPost提供 了如 Fanuc （发那科）、Siemens （西门子）、Deckel Maho （吉特迈）、 Heidenhain （海德汉）、Centurion （森特恩）等数控系统的后置处理程序，同 时充分利用其提供的宏程序功能，可根据需要定制自己的数控系统。用户宏程序由 一些变量和控制语句语法组成，可以完成用户需求和特定数控系统的功能。Cimatron系统的IMSPost后置处理工作模式可表述如下。（1）可以让用户建造自己的机床（主要应用于多轴机床的后置处理）。用数字参 数来控制机床的构造和运动自由度，并以空间造型和对话框的形式显示，同时将机 床各组件的装配结构用树状列表，方便使用人员填写和修改。在填写各组件的运动 形式、行程等后，就可以在短时间内完成一个机床的定义。用户还可以让建立的机 床进行模拟运动，以检查结果的正确性。(2) 可以定义符合机床的程序代码，如程序的开头和结尾的形式、直线或圆弧运 动等。(3 )可定义控制器。用来定义各个代码的数值形式及顺序等。IMSPost简单易懂， 每种命令都以图片或对话框的形式显示出来，让编程人员上手容易，方便学习和程 序代码的定制。IMSPost不仅使对通用数控机床后置程序的编写更容易，而且由 于可以把机床和程序代码联系起来，使得它能处理任何特殊的机床和代码。(4)具有代码优化的功能。用户可以指定优化精度，后置处理器则在精度范围内 把G代码用更精练的直线差补或用圆弧差补替代大量的短直线差补运动，从而减 少数据传输量，提高加工质量。1.2 UG后置处理功能UG软件是Siemens PLM Software公司的软件，它提供了自己特有的后置处理 工具图形后处理模块(Graphics Postprocessor Module，GPM)，用户通过运 行一个生成数控系统数据文件的交互式对话程序，依次回答其中的问题，便能生成 个所需数控机床的数控系统数据文件(Machine Data File，MDF)。通用后置 处理程序不能直接控制数控机床，用户必须进行适当修改，另外，UG后置处理不 能适应不同数控系统的多坐标数控加工。专用后置处理程序的开发必须在充分掌握 数控机床的结构信息、控制系统和机床编程规则等方面的基础上才能进行16。UG Post Builder ( UG后置处理器)提供了开放式的后置处理自定义功能，采取 问答的方式帮助用户定义特殊的后置处理功能，使用户能非常方便地完成复杂的后 置处理自定义过程5。DMU70 V型五轴数控机床，垂直轴是Y轴，旋转轴是A轴和B轴，数控系统为 Siemens。本文针对DMU70 V型五轴数控机床，利用CAD / CAM进行零件的 五轴加工后置处理，将理论设计转化为实际生产的重要环节，在生产中有着重要的 作用。2 5坐标后置处理数学基础 图1和图2分别为五轴加工中心刀轴矢量转动关系和几何关系图。通过矩阵代数 的旋转变换，三维旋转变换指空间立体绕某一轴旋转一个角度e(分别为a,b,C)O0的正负按右手法则确定：右手大拇指指向旋转轴的正向，其余4个手指的 指向即为e的正向6。图1五轴加工刀轴矢量转动关系a X,aY,a Z合成矢量在X,Y,Z方向上的 偏移量；XW,Y W, ZW水平方向的三轴坐标系；XR,Y R, ZR旋转之后的 三轴坐标系；A , C旋转角度；OW , OR坐标原点图2五轴加工中心刀轴矢量转动几何关系图B , C旋转角度；O,X,Y, Z水 平方向三轴坐标系；B一旋转变换后的刀轴矢量；V(i,j,k)水平方向三轴坐 标系空间矢量；V(i,j,O)水平方向三轴坐标系X、Y平面矢量；V B(i B, j B,k)旋转变换后空间矢量；V Bf( i B , j B,0)旋转变换后平面空间矢量; OB , OC旋转变换B , C角度后坐标原点；V ZZ轴合成单位矢量；M两坐 标系间的中间量(1)绕X轴旋转A角3 后置处理构建及处理在通用三轴后置处理器的基础上，将角度计算和新刀位点的计算通过Cimatron和 UG的后置处理程序加入到通用三轴后置处理器中，快速开发了该机床的五轴专用 后置处理器，并开启第4轴B和第5轴C角度的输出。3.1 Cimatron IMSPost 后置处理Cimatron所有工步的刀具轨迹生成后，通过专用的后置处理程序，转为机床的加工代码,能对未加工区域自动识别和清根处理。Cimatron系统采用了 IMSPostIMSPost是基于宏汇编的后处理程序编辑器， 可支持各种CAD / CAM软件生成的刀位文件的后置处理，并提供了多种后置处理 文件库，可支持更广泛的数控机床。同时，它也提供了丰富的定制功能，可生成任 意形式的后置处理文件，从而更好地提供支持高速加工、多轴加工的后置处理。在 IMSPost对话框中选择相应的控制器、机床类型，设定相关参数的值，定义输出 文件的格式、输出文件的位置，对刀位数据进行后置处理。用户可以根据自己的需 要，通过修改事件解释器文件和定义文件，定制自己的后置处理器。IMSPost后 置处理的流程图如图3所示。图3 IMSPost后置处理流程图采用双转台五轴联动加工中心，Cimatron后置处理使用IMSPost后置编译器。 后置处理构建方法：新建f选择Siemens849.libf Input（输入）和Output （输 出）选择Metric （材料）f机床类型选择5 - axis C on B （五轴，C轴在B轴之 上）f根据机床实际情况设置各轴的正负限位fReferencel Z（ Z向参考）设置值 为B轴旋转中心到工件原点的值，后面的设置都采用默认设置。采用Cimatron软件编制后置处理程序文件的关键在于：CAM加工坐标系与数控 机床的实践加工坐标系要进行坐标转换，同时，在CAM坐标系中相当于机床程序 的回转体的直径坐标值要进行关系运算。新编译的后置处理文件（水.EXF ）在 Cimatron上调试编译通过（生成* .DEX ）后，刀路文件通过该文件进行处理即产 生适合机床加工的数控铣削程序。3.2 UG Post Builder 后置处理UG后置处理器的原理如图4所示。其后置处理程序制作的关键是按照机床结构和 数控系统规则定制机床数据文件：* .tcl （事件处理文件），* .def （事件定义文 件），* .pui （后处理用户界面文件）。其中，pui文件用于利用图形化UG Post Builder构造器，在其构件后置处理器，方便用户操作7。UG Post Builder进行 后置处理的过程为：由事件生成器读取刀具轨迹信息，并将刀具轨迹信息整理成事 件和变量后传递到加工输出管理器进行处理，加工输出管理器把带有相关数据信息 的事件传递到事件管理器(水.tel),处理结果再返回到加工输出管理器，由加工 输出管理器根据 .def 来决定加工程序的输出格式，并输出加工程序，直到结束。 图4 UG Post Builder后置处理原理UG后置处理程序开发包括：设定机床参数，程序和刀轨参数设置，Custom Command子参数设置和5坐标后置处理器与UG集成。UG后置处理必须具备 两个要素：刀具轨迹数据和后置处理器。刀具轨迹数据在UG CAM中自动生成， UG后置处理器由事件管理器和事件定义文件构成。UG Post Builder提供一系列 事件解释器和定义文件的模板，可用于其他数控机床，事件解释器是用TCL语言 编写的，定义文件主要包括3种信息：Format (格式)、Address (地址)和程 序段模板BLOCK_TEMOLATE。其中，Address为控制机床的变量，Format为 地址的数据格式，BLOCK_TEMOLATE为一系列描述地址如何组合的宏模板。4 实验验证4.1 IMSPost加工步骤使用IMSPost后置处理程序来生成数字化控制(Numerical Control , NC)加工 程序的具体步骤如下：(1)选择刀具路径，即高亮选择WCUT二1 (自定义程序名)程序，并通过检视 刀具路径，确认程序正确。(2 )单击后置处理POST程序，即选择POST选项，单击中键进入后处理操作。(3 )确认开始后处理，即单击YES确认后处理。(4)选择后处理方式。(5 )确认原点，即按默认值,X = 0,Y = 0,Z = 0o(6) 设置后处理参数，即设置程序号、刀补号、换刀程序、子程序使用、程行编 号等参数。(7) 在后置处理对话框中输入刀位数据文件名和输出的NC程序文件名。(8) 选择GO,生成该工序数控加工程序，完成后处理，系统将产生一个后缀名 为.NC的文本文件。(9) 检视NC程序文件，使用记事本或写字板等文本编辑软件打开后处理产生的 文件，可以对程序进行检查，并作局部的修改。如将程序头部分更换成符合机床控 制器标准的语句，或者按照企业中的规范对程序头进行部分调整。4.2使用UG Post Builder后置处理程序步骤(1) 设置机床参数。配备Siemens数控系统，一般参数General Parameters、 第4轴Fourth Axis、第5轴Fifth Axis窗口编辑设置圆弧刀轨输出、直线轴行程 极限、机床零点、直线插补最小分辨率、机床快速移动速度、初始轴坐标、旋转轴 等相关机床参数。(2) 设置程序和刀杆参数。在程序和刀杆(Program & Tool path )窗口中定义、 修改和用户化所有机床动作事件的处理方式。(3) NC数据格式设置。在NC数据参数设置(NC Data Definitions )窗口中， 定义NC数据格式、使用的G和M字地址以及使用的FORMAT格式。完成上述 设置后，生成定义文件.def、事件处理文件.tel和参数文件.pui。由IMSPost和Post Builder两者后置处理器输出的NC数控加工程序应用于 DMU70V五轴数控机床进行加工，验证了两者后置处理程序的正确性。加工过程 中没有运动干涉，加工的零件经过检验后其尺寸精度等满足工程要求。如图5所 示为刀位处理图。图5 曲面工件刀位处理5结语本文对五轴联动加工中心的后置处理问题进行研究，分别采用CimatrionIMSPost和UG Post Builder两种后置处理器。通过在DMU70V型五轴数控机 床铣削，实践后发现了两者在加工刀路处理方面不同的优势。对于五轴加工机床， 此两种后置处理器能够进行资源整合，可以达到最恰当的使用和处理结果。参考文献【相关文献】1 安杰，邹昱章.UG后处理技术M.北京：清华大学出版社，2003.2 邓奕，彭浩舸，谢骐.CAM后置处理技术研究现状与发展趋势几湖南工程学院学报，2003， 12（4）：4649.3 田荣鑫，任军学，孟晓贤，等斜摆头五坐标数控加工机床的后置处理算法研究J.机械设计与制 造，2007（12）：117118.4 唐国良.Cimatron数控编程与后处理详解M.北京：人民邮电出版社，2005.5 Chen Shangliang， Wang Wentsai.Computer aided manufacturing technologies for centrifugal compressor impellersJ.Journal of Material Processing Technology，2001， 115（3）：284293.6 张继红，高佑芳，王恩俊基于CAM的数控加工后置处理方法的研究与实践J.机电产品开发与 创新，2007（1）：3840.7 李铁钢基于UG / Post builder的五轴后置处理器设计J.机床与液压，2009 ,37 （ 10 ）:72 74.