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catia数控加工逆向程序转换


基于 CATIA 的 数控加工程序逆向转换软件 的开发与应用

单位: 哈尔滨飞机工业(集团)公司数控技术科 姓名: 李薇 张永岩

基于 CATIA 数控加工程序逆向转换软件的开发与应用
Development and application of Conversion software of NC program based

on CATIA 哈尔滨飞机工业(集团)公司 李薇 张永岩 [摘要] :论述了利用 CATIA 软件进行数控编程时由专用数控代码程序向

APT 命令文件逆向转换的实现方法. [ABSTRACT]:This paper discusses the methods for converting oprietary NC code into the APT file by using CATIA.
Keywords: NC
CATIA APT

数控机床由于具有加工精度高、加工质量稳定可靠和生产效率高等特点而 在机械制造领域中获得越来越广泛的应用.在使用数控机床的过程中,数控程 序编制的时间及其检查效率是影响数控加工效率高低的重要因素之一. 通常的数控加工模拟仿真主要有两种方法: 一种是对刀位文件进行的模拟 仿真,称为正向仿真;另一种是对数控程序代码进行的模拟仿真,称为逆向仿 真.目前的 CATIA 数控模块只能进行正向仿真,其逆向转换是一个值得研究 的课题.另一方面,在航空产品中由于结构件较多,在机床控制系统进行改造 和不同机床系统间移植时, 为节省生产周期, 必然涉及到原有数控程序代码的 重新利用问题. 本文所论述的数控加工程序逆向转换,是指在保证数据意义对应的情况下, 将机床专用的加工程序转换为工作站中 CATIA 软件数控功能所能识别的通用 APT 命令语言文件,利用 CATIA 的 NCFILE、NCEDIT 功能模块,可以进行数 控加工过程模拟、数据浏览、数据修改、对数据进行整体或局部几何变换等操 作.此外,在 CATIA 环境中,其 aptsource 刀位文件数据可直接按 CATIA 的基本 图形元素处理, 因此在某些情况下可利用逆向获得的图形数据进行再次数控编 程, 还可根据其结果文件利用后置处理器生成相应的机床加工程序, 这一点在 我公司的数控编程工作中已经得到了很好的验证.

1 转换软件与 CATIA 的接口
由于我们的开发初衷是数控代码的重利用,因此我们避开了进行模拟演示 中图形图像处理方面庞杂的程序开发工作,而作为 CAD/CAM 主流软件的 CATIA 已经具备非常优秀的数控加工模拟演示模块,所以可以用来对逆向数据 进行操作.值得注意的是 aptsource 文件在 CATIA 环境中的管理有一些限 制,如文件的命名以及三轴、多轴坐标系命名等细节,在转换过程中应该充分 考虑这些问题. 这种逆向转换与 CATIA 的接口可用如下结构示意图(图 1)表示.从图 1 中我们可以看出,利用后置处理软件和逆向转换软件,使加工程序的生成﹑检验 和不同机床系统间移植变得更加简单流畅.图 2 是 CATIA 环境下的模拟演示 实例.
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CATIA 中 APT 命令文件 后置处理软件 逆向转换软件

CATIA 功能模块 NCEDIT NCFILE

数控加工程序 ( 图 1 ).与 CATIA 的接口示意图 Fig.1 Interface illustration of reserve conversion with CATIA software

( 图 2 ).基于 CATIA 环境的走刀模拟实例 Fig 2. Simulation demonstration of tool path based on CATIA environment

2 数控加工程序和转换软件的内部结构
数控程序是驱动数控机床完成加工任务所需信息的来源, 一般应包含刀具 运动类型信息、主轴转速信息、切削参数信息和冷却液开关信息等.这些信息 是以功能代码(或称指令代码,即 G 代码、S 代码、F 代码、T 代码、M 代码 等)的形式出现在数控程序中,并满足一定的使用格式和要求(包括同一信息 段内的代码分类及分组、同组代码的优先级别等) .每种控制系统的实现方法 的不同,增加了逆向转换的难度,特别是在圆弧插补功能的实现及多轴转角的矢 量换算.本文讨论的对象为三轴﹑四轴﹑五轴普通数控铣床. 一般情况下, 后处理过程已将相应于机床的工艺信息和加工数据存贮到 NC 程序中,我们所从事的工作就是将具体的加工指令转换为相应的 APT 代码信 息,并形成与之对应的刀位文件.由于在 CATIA 环境中,APT 刀位文件是 ASCII 格式,CLFILE 文件是二进制格式,为简化数据结构和考虑到刀位文件 的可读性,在此应用 aptsource 文件格式.

3 普通数控铣床逆向转换功能的实现
逆向转换软件的内部结构如下流程所示:

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开始执行 将 NC 文件及 APT 文件打开 NC 文件结束 否 读取一行 NC 代码数据 语法分析 有误 报告出错信息 是 执行结束

辅助指令 处理相应 APT 语句 (刀具处理、工艺参数、辅助命令)

线性插补指令 根据指令特性计算 APT 数据 (圆弧插补及多轴要特殊处理)

( 图 3 ).转换软件的内部结构 Figure 3. The interior structure of the convertion software (1)各种辅助功能指令及刀具补偿指令的实现 此类指令包括主轴转动﹑进给速度﹑半径补偿及取消﹑冷却液开启关闭 等.一般这些指令的结果是唯一的,只要按照一一对应的关系并遵守一定的规 则,即可得到相应的 APT 命令行. (2)换刀指令及刀具补偿寄存器的处理 对于换刀指令,由于同一时刻无法将刀具编号及半径补偿寄存器都确定下 来(否则将增加程序的复杂性,而且没有太大的价值),因此在不影响对应关系的 情况下在遇到换刀指令时将单独输出刀具编号信息,而在补偿寄存器(长度或 半径)发生变化时,再根据需要输出完整信息.如此可获得如下几种换刀语法 结构: ① LOADTL/,&TOOLCOML,&TOOLCOMR ② LOADTL/&TOOLNO ③ LOADTL/&TOOLNO,&TOOLCOML,&TOOLCOMR 由于后置处理软件是根据字段结构获取相应信息. 所以以上处理方式将不 会影响换刀完成以及刀补指令的获取. (3)固定钻孔循环的处理 固定循环中钻孔指令主要包括 G80~G89, 这些指令由加工程序转换为 APT 格式数据时一般没有二义性.但是在 CATIA 的模拟仿真过程中无法将钻孔循 环数据在模拟显示时解释为钻孔数据而只有点信息有效. 所以模拟时无法看到
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钻孔时的真实效果,但为了转换数据的一致性,本次开发将部分机床的常用钻孔 循环也转换过去.操作者可利用 CATIA 提供的浏览功能察看固定循环的各种 信息,其主要实现如下: CYCLE/DRILL(DEEPHL,.etc),&TOTAL_DEEP,&CLEAR_TIP · · · · · · GOTO … … … ∶ ∶ CYCLE/OFF 其中 TOTAL_DEEP 为孔深度,CLEAR_TIP 为安全高度,其它参数在此忽略. (4)线性插补指令的转换实现 线性插补指令主要包括直线插补指令和圆弧插补指令,主要为 G00 (快速 点位运动)、 G01(直线差补)、 G02(顺时针圆弧插补)、 G03(逆时针圆弧插补). 对 于直线插补处理时只要找准其对应关系即可实现,相对较容易,而圆弧差补由 于类型复杂,在转换为 APT 命令语言时将经过一定的分析处理.下面针对圆 弧插补 G02﹑G03 指令的逆向转换所涉及到的内容作以讨论. 圆弧指令的 APT 数据格式如下: INDIV /Vx,Vy, Vz TLON,GOFWD(CIRCLE /Xcp,Ycp,Zcp,radius),ON (LINE /Xcp, Ycp, Zcp,Xep,Yep,Zep) 其中: Vx,Vy,Vz 为运动方向的方向矢量分量. Xcp,Ycp,Zcp,Xep,Yep,Zep 为各端点的坐标值. 另外,如果圆弧起﹑终点重合时,则 ON 后需包括如下信息 … … ,ON,2,INTOF,$ … … INDIV 命令使轨迹沿着中心点在一圆弧上运动到由 LINE 命令定义的终点 上,圆弧插补运动的起始运动方向由一垂直矢量定义(为单位矢量).此矢量的 起始点与圆弧相切.X,Y,Z 三向的矢量分量输出到 INDIV 之后. 在加工程序中与圆弧有关的信息有如下几个:①圆弧起点坐标值 ②圆弧 终点坐标值③圆心坐标值. 要通过这三个数值计算出 Vx,Vy,Vz 时开发的关键, 其算法如下:
C(x3,y3) A(x1,y1) 如图 4:A(x1,y1) 为起点坐标,B(x2,y2)为终点坐标 O(x0,y0)为中心坐标.起点切矢方向上某一 B(x2,y2) 点 C(x3,y3). 令 r1=(0,0,1)为 Z 正向单位矢量. O(x0,y0)

( 图 4 )与圆弧有关的矢量关系 Fig 4 Vector relation about circular

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当判断为 G02 顺时针旋转时(符合右手向量差积律)
则:

式中 i,j,k 表示单位矢量在坐标轴上的矢量分量. 当判断为 G03 时为逆时针旋转,则

可知与 G02 相比公式中只差一个负号. 由此 C(x3,y3)求出,通过 C 点坐标与 A 点坐标结合即可算出 Vx,Vy,Vz. (5).关于多轴加工中角度与矢量的换算 在 APT 命令语言中关于点位的数据信息可用如下格式表示: POINT / x , y, z , Vx, Vy, Vz 一般多轴加工转动轴为 A,B,C.下面用 A﹑C 为例说明转角与矢量的关系(FIDIA 系 统).设某一机床转角状态为 A,C.对应矢量 为(Vx,Vy,Vz),A﹑C 转角初始平面为 X=0 平 ( 图 5).五轴矢量关系图 面.A﹑C 逆时针为正角,顺时针为负角. 则 | Vx | = | SinA*SinC | Fig 5 5 axes vector relation graph
| Vy | = |SinA*CosC | | Vz | = | CosA |

4 结束语
按上述方法,在 UNIX 工作站中利用 ANSI C 语言基本实现逆向转换功能, 为 CATIA 数控编程的仿真功能提供了与加工代码程序之间的接口,为加工程 序的校验提供了有用工具, 在我厂 Y12Ⅳ型机关键产品数控编程应用中发挥了 作用,同时使软件的使用价值和可靠性得到了进一步的验证.

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