IMSPost的五坐标数控铣削编程后处理程序开发应用

　　数控编程后处理程序的开发具有非常高的实用意义。首先可大量节省数控程序编制时间和减少程序的错误率及校对时间，提高数控程序的编制效率和程序质量的同时提高产品的生产效率和产品质量;其次，可使数控人员更深刻透彻地了解数控系统功能和CAD/CAM软件包提供的后置处理模式及解决手段，进一步提高数控技术人员的数控水平。同时对数控机床的升级改造、提高数控机床功能开发和应用水平具有很现实的意义。

　　数控机床与CAD/CAM软件推动了制造业的飞速发展，现有的数控系统和CAM软件系统种类很多。数控机床NC程序和CAM软件的刀位文件格式也表现出多样性。主要表现各数控系统之间存在一定的差别，程序的兼容性较差，如典型的数控系统FANUC、Heidenhain、Siemens、Mazak、FIDIA、FADAL、华中数控等这些数控系统在程序格式、子程序调用、循环控制、插补算法、输出控制、刀具补偿等方面还是存在较大差异。各数控系统之间的数控程序无法做到共用，从而增加了从事数控加工人员的难度和重复性。

　　另一方面，CAD/CAM软件产生的刀具路径文件格式的多样性主要表现在刀具路径文件采用APT语言格式，这种语言接近于英语自然语言，它描述当前的机床状态及刀尖的运动轨迹。它的内容和格式不受机床结构、数控系统类型的影响。但不同的CAD/CAM软件生成的刀具路径文件的格式均有所不同，如“调用n号刀具，长度补偿选用a寄存器中的值”，表示这一功能的指令在不同的CAM系统表述格式不同。例如几种CAD/CAM系统刀位文件的表述格式如表1所示。Imspost由于其基于异构数控系统和CAM软件的通用后处理软件平台，正好解决了这些难题。

　　表1 典型CAM平台刀位文件格式

　　一般刀具路径的文件有两大类，包括标准的可读编译APT文件和无法编辑的二进制文件Binary CL file。大部分的CAM都提供两种格式，如CATIA、UGNX、Surfcam、PRO/E、Euclid等，这些CAM软件平台输出的刀位文件差别还是比较大的。另外MasterCAM的NCI则是自己的文字格式档案。后处理则各CAM软件大都不同，如UGNX提供的UG/POST和Postbuilder、SurfCAM的SPost, Pro/NC的GPost、CATIA则用IMSPOst或德国Cnet。同时 还有专业后处理系统如加拿大ICam的CamPost，美国SMI的IntelliPost等。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开发，IMSPOST提供了如Funuc、Siemens、Heidenhain、Mazak、FIDIA等数控系统的后处理程序;其提供的宏程序功能能处理绝大多数CAM软件的刀位文件和数控系统的匹配性。

　　1 Imspost的基本功能与先进性介绍

　　IMSPOST是美国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，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。同时它也提供了非常丰富的定制功能，可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。所有用户需要的后处理程序都可以通过执行IMSPOST后生成。在大多数情况下，用户只需在IMSPOST软件的对话窗口和菜单项中编辑和定义宏参数，不必进行任何宏程序的编制就可以得到为自己机床定制的后处理文件。由于它通过对刀位文件的求解算法与程序开发，解决异构数控系统与 CAM 平台之间数控程序与刀位轨迹的无缝转换。支持异构 CAM 平台与数控系统的后处理及其转换，同时提供的宏程序非常适合于用户进行定制开发，同时可进行程序代码的刀位轨迹反求，进行数控机床加工的仿真模拟等。

　　1.1 异构转换(多CAM系统与数控系统)

　　Imspost系统提供了多种类型的机床库和数控系统库，是目前最好的后处理程序开发软件包，能满足所有数控机床后处理程序开发需求，方便企业生产需要。系统支持多个 CAM 平台与数控系统的异构转换，包括典型 CAM 平台的多种刀位源文件处理能力，多数控系统格式输出与机床运动学原理的处理、数控程序的刀位源文件反求、异构CAM平台与数控系统之间的直接转换。如表 2 所示为Imspost支持的典型CAM平台与数控系统，从表 2 中可以看出，该系统支持几乎现所有流行的CAM软件包和数控系统后处理程序开发。如图1～3所示为针对CATIA环境下的刀具轨迹，针对FIDIA KR214和FIDIA DR218两种不同类型的五坐标高速铣削加工中心，采用Imspost软件包后处理生成的机床加工代码，用户可自由地对相应的机床和数控系统进行处理，不需要单独进行专业开发。

　　1.2 后处理开发流程

　　使用Imspost进行数控机床后处理程序开发的基本流程如下图4～9所示。首先选择数控系统的;然后针对相应的机床进行其运动学设置进行机床组件配置。尤其是五坐标机床其设置一定要正确，其原因是由于五坐标机床的类型比较多，典型的配置主要有五轴转台回转与摆动、五轴转台回转与主轴摆动、五轴主轴回转与摆动、五轴主轴复合摆动回转、五轴工作台复合摆动回转等。其中五坐标后处理一般都通过使用RTCP(旋转刀具中心编程)功能来提高五坐标数控机床的编程效率和机床精度调整，尤其是多轴机床的偏心和摆长问题;第三步主要进行细节设置，包括机床坐标轴行程、程序起始终止控制、直线圆弧插补控制、机床主轴及其润滑控制、刀具补偿等;第四步如图 7 所示主要对常用的子程序调用、循环加工控制(铣削中心的钻孔、镗孔循环，车削加工的端面、外圆、镗孔、轮廓循环控制)等;第五步主要进行程序代码的测试，如图 8 所示;第六步是针对数控系统特殊的处理，进行用户的宏程序开发;第七步则是利用Imspost提供的机床加工仿真模拟，对相应的数控机床系统进行产品仿真加工，以验证用户的后处理程序开发的正确性。

　　表2 IMSPost所支持的CAM平台和数控系统

　　图1 基于CATIA的变锥形件五坐标加工刀具轨迹示意图

　　图2 Imspost后处理与异构数控机床系统代码转换与反求

　　图3 FIDIA KR214/FIDIA Dr218五坐标机床加工锥形件代

　　图4 数控系统与机床类型设置示意图

　　图5 机床行程与插补运动控制设置

　　图6 旋转轴及旋转刀心编程RTCP设置

　　图7 子程序调用与加工循环输出控制

　　图8 函数功能组及控制指令输出测试

　　1.3 宏程序开发调试

　　Imspost通过使用宏程序编制测试Macro Test/Debug来提高其后处理程序开发的开放性，通过提供一系列的宏操作Macro Operations、定义关键宏变量Macro Variables、宏指令与宏程序完成特定的功能。包括坐标变换、特殊格式输出、数值计算等方面的内容。系统使用一系列的宏变量和宏操作对刀位数据文件进行数值处理。采用宏变量的思想是为了控制管理刀位文件数据。用户必须了解数据文件的存储结构，宏是如何与数据进行交互处理的，如何在宏之间进行数据传递;同时必须了解IMSpost提供的宏程序语言逻辑操作，宏是如何操作用户变量和系统变量的。Imspost宏程序编程方式与C、C++、Fortran等高级语言的编程语法非常接近，系统提供了一系列的宏操作以及五种类型的变量对刀位数据结构文件进行操作。包括系统变量、模态变量、全局变量、局部变量和刀位文件数据结构变量，变量与C语言中的参数功能相同。下面分别进行简要介绍：

　　(1)系统变量System。它是用于创建维护系统信息使用的系统参数，用户可以使用关键字System及其变量名来定义，如系统时间System.Date等。任何宏均可以直接对系统变量进行操作，包括安全平面设置SYSTEM.AUTO_RETRACT_SAFE、抽刀方式 SYSTEM.AUTO_RETRACT/ SYSTEM_AUTO_RETRACT_ANGLE、旋转刀心编程RTCP功能变量 SYSTEM.COORD_RTCP、刀具交换 Tool Change Macro Variables、主轴功能控制Spindle Macro Variables、进给速率控制Feedrate Definition Macro Variables、子程序调用与循环控制宏变量Cycles Macro Variables等。部分系统变量如表 3 所示。

　　表3 Imspost宏程序系统变量

　　(2)全局变量Global。它是由用户根据数控系统需求和使用需求自己创建的，其生命周期是在宏内外部使用均有效的。其功能主要是针对寄存器存储用户设置的信息，如刀具半径补偿寄存器Global.CutCom_REG=”D”，钻孔循环中Global.Cycle.REG=”Z/Q/R/P”等。系统变量、全局变量和模态变量均在全局范围内有效。局部变量Local只在宏内部使用有效，在宏外部使用时无效。

　　(3)模态变量Mode。主要用于对不同的数控系统进行输入输出的格式控制，使用关键字Mode来标识，可以有多级结构;如直线插补运动定义模态变量Mode.Motion.Move G00/Mode.Motion.Linear=G01、刀具半径补偿Mode.CutCom.REG G41、钻孔循环Mode.Cycle.Drill G81、冷却液控制Mode.CoolNT_off M09等。

　　(4)刀位文件变量CLData/CLRead。这两组类型的变量均是系统变量的一种，其生命周期全程有效的。其作用主要是宏读取刀位文件的数据结构并进行数据信息传递的，它们都是基于文件格式的数据信息。其中CLData是从刀位文件cld(如*.cls、*.nci、*.aptsourse)中读入信息后传递到宏进行数据处理的参数;而CLRead则是宏数据处理后向外部传递信息的参数变量。这两组变量均使用关键字Minor和数据Numbers来记录信息的，Minor为存储关键字，Numbers存储关键字对应的信息，如下所述加载刀具参数信息的例子：

　　LOADTL/1.0, LENGTH, 5.0, OSETNO, 3.0

　　①当宏LOADTL macro 被初始化时，其CLDATA存储的数据结构信息存储结构如下:

　　CLDATA.0 = 5 (3 values + 2 Minor words) //三个数值与两个关键字

　　CLDATAN.0 = 3 //数值信息为3个

　　CLDATAN.1 = 1.0

　　CLDATAN.2 = 5.0

　　CLDATAN.3 = 3.0

　　CLDATAM.0 = 2 //关键字信息2个

　　CLDATAM.1 = "LENGTH"

　　CLDATAM.2 = "OSETNO"

　　②当刀具采用右补偿时，其存储的信息表达如下：

　　CLDATAN.RIGHT.LENGTH.0 = 1

　　CLDATAN.RIGHT.LENGTH.1 = 5.0

　　CLDATAN.RIGHT.OSETNO.0 = 1

　　CLDATAN.RIGHT.OSETNO.1 = 3.0

　　GLOBAL.CUTCOM_REG = "D" //刀具寄存器存储

　　MODE.CUTCOM.LEFT ://G41刀具左补偿

　　MODE.CUTCOMO.RIGHT : //G42刀具右补偿

　　MODE.CUTCOM.OFF ://G40刀具补偿取消

　　③钻孔循环的实例：

　　MODE.CYCLE.OFF="G80" //循环控制关闭

　　MODE.CYCLE.DRILL="G81" //模态钻孔循环

　　CYCLE/DRILL, 0.5, IPM, 72, 0.4, 0.4

　　GOTO/1,2,3 //G81 X1. Y2. Z2.5 R3.4 F72.

　　GOTO/4,5,3 //X4. Y5.

　　CYCLE/OFF //G80

　　Imspost系统提供的宏操作功能函数主要用于宏之间的数据信息处理、内外部文件信息的处理、宏内部的逻辑控制。　　Imspost系统提供的宏操作主要有如IF、WHILE 、LOCATE、BREAK 、CALL 、CASE 、CLREAD 、ADD 、BOUND 、COPY 、CUT 、DELETE 、FILE 、DISPLAY 、MOVE 、OUTPUT 、PRINT 、PRIORITY 、RETURN 、RUN 、SEQNO 、SOLUTION 、SORT 、SPLIT 、TABLE 、UPDATE 。如当后处理处理SPINDL/OFF时，系统输出M5，使用宏可以在代码行后续输出冷却液关闭的功能M9。同时宏操作对于数控机床加工的程序G代码的首尾输出控制也非常方便有效。

　　1.4 机床仿真加工模拟

　　使用Imspost开发的后处理程序后，对其进行机床代码的调试和机床仿真加工可非常方便的检测后处理程序的正确性，该系统提供了集成环境的程序调试与机床仿真加工模拟功能，如图9所示。尤其是对于五坐标机床的加工，由于其机床运动复杂，手工编程很难解决程序的正确性，采用机床仿真加工模拟可以大幅度提高编程的质量和效率，同时可以避免传统的试切方式来验证程序的正确性，不仅降低了成本，提高了产品质量、同时大量缩短了制造周期。

　　图9 Imspost后处理开发宏程序调试与机床仿真加工模拟

　　1.5 基于FIDIA KR214/DR218的应用实例

　　FIDIA KR214/FIDIA DR218均为六轴五联动高速铣削加工中心，主轴头绕Z轴回转和绕X轴或Y轴摆动，同时工作台绕Z轴旋转。由于采用六轴五联动，因此其灵活性很大，使用非常方便。对于该类型的机床的运动配置如FIDIA DR218可以分解为主轴旋转摆动X、Y、Z、B、C结构形式和主轴摆动工作台旋转的X、Y、Z、B、W的结构形式，如图10所示。

　　图10 FIDIA Dr218五坐标运动方式示意图

　　图11 基于CATIA的叶轮五坐标加工刀具轨迹示意图

　　图12 基于Pro/Engineer的叶轮五坐标加工刀具轨迹示意图

　　图13 基于UnigraphicsNX的叶轮五坐标加工刀具轨迹示意图

　　使用ImsPost进行后处理程序开发，用户可以很方便地对程序起始块控制指令的输出、格式转换进行控制。包括数据类型转换与圆整、字符串处理、绝对增量编程、单位输出、程序号、准备功能、辅助功能、快速运动控制、直线圆弧插补、进给运动控制、暂停控制、主轴控制、刀具补偿、冷却控制、子程序调用、固定循环控制等。同时可以很方便地进行坐标变换、跨象限处理等算法处理。

　　如图11～13所示的某叶轮的五坐标加工，分别编制的基于Catia、Pro/E、UGNX平台下的刀具轨迹。针对FIDIA KR214/FIDIA DR218五坐标机床的后处理程序开发与转换的需要，采用Imspost软件对三种CAM平台的刀具轨迹进行后处理，生成的机床加工代码经过仿真模拟和产品实物的加工，完全符合产品科研生产需要。采用FIDIA KR214和FIDIA DR218加工某叶轮流道的精加工程序G代码：

　　①FIDIA KR214叶轮流道加工程序代码段：

　　(YELUN_LIUDAO_FINISH_OF_FIDIA KR214)

　　N0010 G96

　　N0020 G17

　　N0030 T16 M06

　　N0040 G01 X-7.888 Y70.465 Z105.543 A-68.746 C+6.387 F1500 S18000 M03

　　N0050 X-7.891 Y70.498 Z105.458 A-68.739 M08

　　N0060 X-7.906 Y70.63 Z105.117 A-68.71

　　N0070 X-7.965 Y71.159 Z103.755 A-68.584

　　N0080 X-8.085 Y72.227 Z101.036 A-68.278

　　N0090 X-6.472 Y73.587 Z98.072 A-67.864 C+5.026

　　……………………………………

　　N5100 X154.426 Y198.957 Z4.631 C-37.818

　　N5110 M02

　　②FIDIA DR218叶轮流道加工程序代码段：

　　(YELUN_LIUDAO_FINISH_OF_FIDIA DR218)

　　N0010 G17

　　N0020 G96

　　N0030 T16 M06

　　N0040 G01 X-7.888 Y70.465 Z105.543 B-68.746 C-83.613 F1500 S18000 M03

　　N0050 X-7.891 Y70.498 Z105.458 B-68.739

　　N0060 X-7.906 Y70.63 Z105.117 B-68.71

　　N0070 X-7.965 Y71.159 Z103.755 B-68.584

　　N0080 X-8.085 Y72.227 Z101.036 B-68.278

　　N0090 X-6.472 Y73.587 Z98.072 B-67.864 C-84.974

　　……………………………………

　　N5050 X152.138 Y200.734 Z4.631 B.085

　　……………………………………

　　N5100 X154.426 Y198.957 C-127.818

　　N5110 M02

　　2 结束语

　　基于异构数控系统和CAM平台的数控编程后处理专用程序ImsPost，不仅方便了用户编程，同时大大提高了企业不同数控系统和CAM平台的兼容性问题，保证数控程序质量的同时提高了效率，提高数控程序与数控设备的管理效率。Imspost系统支持众多的CAM平台和数控系统，丰富的后处理程序开发调试与机床加工仿真模拟功能是从事数控加工的技术及管理人员不可或缺的后处理开发软件平台。