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數(shù)控編程是CAD/CAM系統(tǒng)中最能明顯發(fā)揮效益的環(huán)節(jié)之一。對于復(fù)雜形狀零件，數(shù)控編程通常采用自動編程系統(tǒng)，在實現(xiàn)設(shè)計、加工自動化、提高加工精度和加工質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研制周期等方面發(fā)揮著重要作用。后置處理是數(shù)控編程技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，并作為CAD /CAM系統(tǒng)與機械制造連接的紐帶。后置處理直接影響自動編程的使用效果、零件的加工質(zhì)量和機床的運行可靠性。 

國外對后置處理技術(shù)研究十分重視， 各CAD/CAM軟件廠家都研究開發(fā)了各自的通用后置處理系統(tǒng)；國內(nèi)對后置處理理論與技術(shù)也進行了深入研究，取得了一定的研究成果。但是，目前很多CAD/CAM系統(tǒng)的用戶對軟件的使用主要是CAD模塊，對CAM?？斓膽?yīng)用效率不高，其中一個關(guān)鍵的原因是軟件只配備通用后置處理而用戶沒有根據(jù)具體的數(shù)控機床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。

研究特定結(jié)構(gòu)機床的坐標轉(zhuǎn)換是開發(fā)該類機床專用后置處理程序必須解決的一項關(guān)鍵技術(shù)。本文在詳細分析雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機床坐標系及運動學的基礎(chǔ)上，推導出該類機床后置處理轉(zhuǎn)角計算公式、坐標轉(zhuǎn)換計算公式，開發(fā)出UCP600五軸數(shù)控機床專用后置處理程序，并加工出慣性平臺臺體等復(fù)雜零件，證明了本文提出的方法是可行的。

一、后置處理程序的作用

用CAD/CAM軟件進行編程時，按規(guī)定均視工件不動，而由刀具運動來完成加工動作，經(jīng)過處理可得到一個不針對具體機床的中性刀位文件。在多軸加工中，CAD/CAM軟件生成的刀位文件中包含刀具參考點坐標值和刀軸矢量。

在實際機床上，運動的實現(xiàn)方式各異，有的運動由工作臺實現(xiàn)，有的運動由刀具實現(xiàn)。在3直線軸(X、Y、Z )聯(lián)動情況下，編程員一般不需關(guān)心是工作臺運動還是刀具運動，因為機床廠家均按國際標準來定義機床的坐標系及其運動方向。多軸聯(lián)動的回轉(zhuǎn)軸運動，包括刀具擺動、工作臺回轉(zhuǎn)，這就要求后處理程序針對不同情況進行不同的計算將刀位文件中刀具軌跡坐標轉(zhuǎn)換為機床坐標及相應(yīng)的回轉(zhuǎn)角度，通過代碼轉(zhuǎn)換將它們轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機床能執(zhí)行的數(shù)控程序。

二、雙轉(zhuǎn)臺式五軸數(shù)控機床的機床運動學求解

機床運動學求解，主要包括轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動角度計算和經(jīng)過轉(zhuǎn)動后的3個移動坐標X、Y、Z 值的求解。對于不同類型運動關(guān)系的數(shù)控機床， 運動學求解算法是不同的。下面以較復(fù)雜的雙轉(zhuǎn)臺式五軸數(shù)控機床(圖1)為例來討論后置處理坐標轉(zhuǎn)換及回轉(zhuǎn)角度計算方法。

雙轉(zhuǎn)臺式五軸數(shù)控機床的運動坐標包括3個移動坐標X、Y、Z和2個轉(zhuǎn)動坐標A、C， A、C回轉(zhuǎn)軸交于一點。

如圖2所示，CAM加工坐標系為OmXYZ，機床加工坐標系為OrXYZ， 工作臺C 回轉(zhuǎn)軸與Z 軸方向一致，工作臺A 回轉(zhuǎn)軸與X 軸方向一致，OrXYZ坐標系原點設(shè)在A 、C回轉(zhuǎn)軸交點上。CAM加工坐標系OmXYZ與機床加工坐標系OrXYZ的Z軸的方向一致，其余二軸相互平行，OmOr=d工件可繞 坐標系X 軸轉(zhuǎn)動A

1、A、C轉(zhuǎn)角的計算

工作臺(工件)相對刀具轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)角以順時針方向為正方向。將刀軸矢量a 繞軸順時針轉(zhuǎn)動C角到 平面上， 再將刀軸矢量繞Xc軸順時針轉(zhuǎn)動A角到與Zc坐標方向一致，如圖2所示(這樣，轉(zhuǎn)動可以保證。這樣就完成了刀軸矢量的轉(zhuǎn)換，即刀具相對于工件的轉(zhuǎn)動或擺動。對于雙轉(zhuǎn)臺式五軸數(shù)控機床，為實現(xiàn)以上轉(zhuǎn)換，工作臺的動作為工作臺繞C回轉(zhuǎn)軸順時針轉(zhuǎn)動C角，工作臺A回轉(zhuǎn)軸順時針轉(zhuǎn)動A角。

2、機床運動坐標X、Y、Z的計算

求刀具參考點 經(jīng)工作臺(工件)轉(zhuǎn)動后在機床加工坐標系OrXYZ中的位置坐標，即機床的運動坐標X、Y、Z。

(1)將CAM加工坐標系OmXYZ平移到機床加工坐標系OrXYZ，變換矩陣為

(2)刀軸矢量繞Z軸旋轉(zhuǎn)C角，變換矩陣為

(3)刀軸矢量繞X 軸旋轉(zhuǎn)A 角，變換矩陣為

則

　將式(6)展開可得

五坐標加工的機床運動坐標是刀具相對于機床加工坐標系的坐標，而不是刀具相對于CAM加工坐標系的坐標，這也是本步計算的依據(jù)。一般情況下，由于CAM加工坐標系能夠較為方便地移動及設(shè)置，為了減少參數(shù)設(shè)置及計算方便，將CAM加工坐標系OmXYZ 與機床加工坐標系OrXYZ 設(shè)置為同一坐標系，OmOr=d=0 即 。由此，式(7)便可簡化為式(8) ，亦即

三、CAM加工坐標系設(shè)置與UCP600五軸數(shù)控機床專用后置處理程序?qū)崿F(xiàn)

1、CAM 加工坐標系設(shè)置

刀位文件是相對CAM坐標原點和坐標軸生成的。CAM加工坐標系的原點就是機床上的程序零點(對刀點)，CAM加工坐標系的3個軸的方向就是機床刀軌的方向，所以在確定CAM加工坐標系的方向和原點位置時，應(yīng)當從現(xiàn)場加工的實際需要出發(fā)，保證毛坯在機床上的位置便于裝夾、找正和加工。

對于多軸(4軸或5軸)聯(lián)動加工，由于刀位文件數(shù)據(jù)需要通過后置處理程序進行坐標轉(zhuǎn)換，CAM加工坐標系的設(shè)置需反映機床部分信息及數(shù)據(jù)。

后置處理數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換是圍繞機床加工坐標系坐標原點和坐標軸進行的，對于雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心，機床加工坐標系原點只有設(shè)在A、C旋轉(zhuǎn)軸的交點，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換后加工程序的正確性。為保證與機床加工坐標系一致，CAM加工坐標系坐標原點要設(shè)置在沿C旋轉(zhuǎn)軸、距工作臺端面向下一個旋轉(zhuǎn)軸偏置值處(見圖1) 。

2、UCP600五軸數(shù)控機床專用后置處理程序的實現(xiàn)

UCP600五軸數(shù)控機床屬雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心，配置了Heidenhain 430控制系統(tǒng)。根據(jù)解釋執(zhí)行的原則，后置處理程序采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)，采用公式(1)、(2)、(8)進行坐標轉(zhuǎn)換部分程序設(shè)計；根據(jù)機床控制系統(tǒng)要求進行代碼轉(zhuǎn)換部分程序設(shè)計。后置處理流程如圖3所示，程序讀入刀位文件中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換和代碼轉(zhuǎn)換，將數(shù)控程序輸出到相應(yīng)文件中。

四、結(jié)語

本文對運動形式復(fù)雜的雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機床運動學求解進行了較為詳細的論述，推導出該類機床后置處理轉(zhuǎn)角計算公式和坐標轉(zhuǎn)換計算公式。并且實現(xiàn)了UCP600五軸數(shù)控機床專用后置處理程序。在該設(shè)備上加工慣性平臺臺體等復(fù)雜零件的應(yīng)用表明，本文開發(fā)的專用后置處理程序生成的數(shù)控程序可以滿足UCP600五軸數(shù)控機床加