摆头转台加工中心五轴联动加工的后置处理与仿真验证_吴海兵
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3.3.1 C 轴旋转的坐标转换
编程坐标系跟随工件旋转了 C 角，如图 5 所示。
ZP
Y
ZP Y
X ZM
Y
X X ZM
图 5 C 轴旋转
Y
假设在图 3 初始状态下，编程坐标系原点在加工坐标系中
的坐标为［x0，y0，z0］，经过 C 角旋转后的坐标为［x1，y1，z1］。从刀位
X
文件中读入任一行记录的刀轨坐标为［x2，y2，z2］，从编程坐标系转
（2College of Mechanical Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai’an 223003，China）
【摘 要】在对东芝 BTU-14 五轴加工中心结构特性、东芝 TOSS999 控制系统特性以及五轴联动 加工编程特点进行分析的基础上，提出其五轴联动加工的后置处理算法。在该算法基础上，利用 Visual C++ 6.0 开发出单独的后置处理程序，将加工刀轨的刀位文件处理生成东芝格式的 G 代码文件。为了验 证后置处理程序的正确性，利用数控仿真软件 Vericut 7.0 建立机床的仿真模型，对后置处理程序生成 的 G 代码文件进行仿真。最后实际加工了一个测试样件，证明了后置处理程序的正确性。
4x4 y4 z4 4=［0 LsinA L（1-cosA）］
（8）
为了让刀位点在 A 轴旋转后回到原来的点，则读入的刀轨
容易得到如下的公式： （1）i0＞0，j0≥0 时：C=270+arctan（j0/i0）
坐标最终经过 RTCP 补偿的坐标［x，y，z］为：
（2）
［x，y，z］= 4x3 y3 z3 4- 4x4 y4 z4 4
换到加工坐标系的坐标为［x3，y3，z3］。则有如下的公式[5]：
4 4 co（s -C） sin（-C） 0
4x1 y1 z1 4= 4x0 y0 z0 4-sin（-C） co（s -C） 0
0
01
4x3 y3 z3 4= 4x1 y1 z1 4+
4 4 co（s -C） sin（-C） 0
4x2 y2 z2 4-sin（-C） co（s -C） 0
图 3 加工坐标系与编程坐标系
3.2 A、C 角的计算
假设从刀位文件中读入任一行记录的刀轴向量为［i0，j0，k0］， 则 A、C 角与这个向量有关。为了计算简便起见，假设工件不动， 刀具轴分别经过 A 轴旋转和 C 轴旋转这两步后与［i0，j0，k0］一致。 A 角的取值范围应为［-120，0］，C 角的取值范围限定在［0，360］。
有区别。对于五轴联动加工，如果机床控制系统不具有 RTCP 功
能，则加工坐标系（即 NC 程序所用的坐标系）原点一般只能置于
工作台的旋转中心上；编程坐标系（即刀位文件所用的坐标系）原
点为了编程方便，通常置于工件上，与机床无关，故又称为工件坐
标系。如图 3 所示，带 M 下标的是加工坐标系，其原点置于工作
但是在 UG NX 中：五轴后置处理速度较慢，不能令人满意；TCL 刀位点位置保持）可选购功能，TOSS999 系统的 RTCP 解决方案
语言可用于编写用户代码[4]，但是不能实现一些特殊的功能。故用 是 G143 指令。但是该机床由于成本考虑，没有购买上述 RTCP
C++语言开发专用的后置处理程序，将 UG NX 的 CLSF 文件处理 可选模块，因此后置处理程序必须能够实现 RTCP 功能。
手段。该技术具有技术含量高、精密度高、适于加工复杂曲面的特
点，对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设
图 1 机床照片
备等行业具有重要的意义。
机床控制系统采用东芝 TOSS999 系统，该系统基本与 FAN
采用的 CAM 系统是 UG NX，其拥有通用的后置处理模块。 UC 系统相似。高级五轴控制系统一般都带有 RTCP（即旋转刀具
件产生运动轨迹；而在实际加工中，刀具和工件的运动方式多种多
样。因此，必须对由 CAM 系统生成的刀位文件进行坐标转换。[2-3]后
置处理的主要功能之一就是将 CAM 系统生成的刀位文件中的刀
位点坐标和刀轴矢量转换成机床各轴的运动数据。
目前，五轴联动加工技术是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重
型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等零件加工的唯一
（9）
No.11 Nov.2011
机械设计与制造
137
Z Y
后置处理程序在运行前必须输入初始状态数据，如图 8 所示。 其中，刀具长度指刀位点到主轴端面的距离。这些数据由操作者测 得，即后处理生成 NC 程序必须在工件、刀具装夹完成后进行。
Z4 图 8 初始状态数据
Y4
5 仿真与样件加工
图 6 A 轴旋转
第 11 期
Baidu Nhomakorabea
机械设计与制造
2011 年 11 月
Machinery Design ＆ Manufacture
135
文章编号：1001-3997（2011）11-0135-03
摆头转台加工中心五轴联动加工的后置
处理与仿真验证 *
吴海兵 1 陈小岗 1 许兆美 2 （1 淮阴工学院 数字化制造技术重点建设实验室，淮安 223003）
0
01
（6） （7）
3.2.1 刀具轴先进行 A 轴旋转
如图 4 所示，OA —刀具轴初始单位向量即［0，0，1］，OB —
OA 绕 X 轴顺时针旋转 A 角后的向量，OC —OB 绕 Z 轴逆时针旋
转 C 角后的向量即［i0，j0，k0］。显然，OB 与OA 的夹角（即 A 的绝
对值）等于OC 与OA 的夹角，因此有：A=-arccosk0
A
B
（3） （4） （5）
C
Z Y
X O
图 4 刀具轴单位向量的旋转路径
3.3 RTCP 的实现
RTCP 功能的实现，分为以下两步：加工坐标系始终固定在 工作台上表面旋转中心，编程坐标系和刀轨跟随工件进行 C 轴 旋转运动（即相对工件静止），此时进行刀轨坐标从编程坐标系向 加工坐标系的转换运算；接着进行 A 轴旋转，刀位点将偏离原来 的位置，此时对该偏置进行补偿运算。
读入本行记录由 3.2 计算出来的 C 转角为 C2，经过符号处理后变
为 C3。读入上一行记录计算并经过符号处理的 C 转角为 C1，则容
易有如下的公式：（1）0燮C2 - C1 <180 时 l：C3 =C2
（10）
（2）C2 - C1 叟180 时：C3 =-C2
3.2.2 刀具轴再进行 C 轴旋转
（1）
3.3.2 A 轴旋转偏置的补偿
主轴绕 X 轴顺时针旋转了 A 角（A 为负值），如图 6 所示。
假设摆头总摆长为 L，其等于摆头旋转点到主轴端面的距离
（本机床为 425.35mm）加上主轴端面到刀位点的距离，则由于 A
轴旋转造成的刀位点偏置［x4，y4，z4］公式如下：
＊来稿日期：2011-01-05 ＊基金项目：国家自然科学基金项目资助（51005117）
136
吴海兵等：摆头转台加工中心五轴联动加工的后置处理与仿真验证
第 11 期
+
-A
Z
+
-
C
-
+
+
X
Y
+ -
图 2 机床运动形式简图
3 后置处理算法
3.1 加工坐标系与编程坐标系
在三轴加工中，加工坐标系和编程坐标系是同一个概念，没
成 G 代码文件。
2 加工中心的结构、运动方式及控制系统
机床为日本某公司出品的 BTU-14 五轴加工中心，如图 1 所 示。该机床五个轴分别是 X、Y、Z、A 和 C，其运动形式，如图 2 所示。 三个线性轴 X、Y、Z；C 轴为工作台绕 Z 轴旋转，为 EIA（360°绝对）； A 轴为主轴绕 X 轴旋转，其行程范围为（-120～+30）°。
（2 淮阴工学院 机械工程学院，淮安 223003）
Postprocessor and simulation of 5-axis machining center of table-rotating/tilting type
WU Hai-bing1，CHEN Xiao-gang1，XU Zhao-mei2 （1Key Laboratory of Digital Machining Technology，Huaiyin Institute of Technology，Huai’an 223003，China）
3.4 C 轴最短距离旋转的实现
在一般情况下，五轴联动机床的两个旋转轴中：一个旋转轴
不能 360°任意旋转，只能在一定的范围内旋转，比如上述 A 轴，旋
利用 UG NX7.5 中的叶轮模块编制一个叶轮的粗、精加工刀 轨，将其处理为 NC 程序代码。加工刀具为 Φ3、锥度为 4°的锥度 球头铣刀，粗加工仿真，如图 9 所示。
比如海德汉 iTNC530 的 M126 指令。机床控制系统没有内置的最
短距离旋转的指令，因此后置处理程序还要能够实现 C 轴最短距 离旋转功能。如上所述，C 轴旋转特性为 EIA（360°绝对），即 C 转角 的正负号定义旋转方向（正号逆时针旋转，符号顺时针旋转），C 转 角的绝对值定义绝对位置。3.2.2 计算出来的 C 角显然只确定了刀
转特性与线性轴一样，不存在最短距离旋转的问题；另一个旋转轴
可以 360°任意旋转，比如上述 C 轴，刀具绕 Z 轴既可以顺时针旋
转到目标位置，也可以逆时针旋转到目标位置，因此存在最短距离
旋转的问题。在五轴联动加工中，360°旋转的那个轴必须具有最短
距离旋转功能。一些高级五轴控制系统具有最短距离旋转的指令，
图 9 粗加工仿真 仿真通过后，在机床上实际加工出叶轮实物，其经过粗加工 和大叶片精加工后的照片，如图 10 所示。
具轴从初始向量［0，0，1］绕 Z 轴旋转到达的绝对目标位置，没有考
虑相对于上一个 C 角的旋转方向。因此，3.2.2 计算出来的 C 转角
必须经过符号处理，以确保最短距离旋转方向。假设从刀位文件中
关键词：后置处理；加工中心；五轴联动；仿真 【Abstract】Based on the analysis of structural characteristics of TOSHIBA BTU-14 machining center of table-rotating/tilting type，control system of TOSHIBA TOSS999 and 5-axis milling programming，a post－ processing algorithm of 5-axis milling is presented.Based on the algorithm，a postprocessor is developed by Visual C++ 6.0 to convert tool path file to G-code file of TOSHIBA format. In order to validate the postpro－ cessor，a simulation model of the machine is established by Vericut 7.0 to simulate G-code files created by the program.Finally a testing workpiece is machined，which confirms the validity of the postprocessor. Key words：Postprocessor；Machining Center；5-axis machining；Simulation
台上表面中心；带 P 下标的是编程坐标系，其原点置于工件上表
面中心。工件在工作台上的装夹位置可以随意。初始状态下，操作
者除了通过对刀找到加工坐标系原点，还要得出编程坐标系原点
在加工坐标系中的坐标，以备后置处理程序使用，如图 3 所示。
（2）i0≤0，j0＞0 时：C=-arctan（i0/j0） （3）i0＜0，j0≤0 时：C=90+arctan（j0/i0） （4）i0≥0，j0＜0 时：C=180-arctan（i0/j0）
中图分类号：TH16，TG659 文献标识码：A
1 引言
数控加工的后置处理是指读取由 CAM 系统生成的刀位文 件，从中提取相关的加工信息；并根据指定数控机床的特点及 NC 程序格式要求进行分析、判断和处理；最终生成数控机床能直接 识别的 NC 程序[1]。
CAM 系统在计算刀具轨迹时，假设工件不动，刀具相对于工
编程坐标系跟随工件旋转了 C 角，如图 5 所示。
ZP
Y
ZP Y
X ZM
Y
X X ZM
图 5 C 轴旋转
Y
假设在图 3 初始状态下，编程坐标系原点在加工坐标系中
的坐标为［x0，y0，z0］，经过 C 角旋转后的坐标为［x1，y1，z1］。从刀位
X
文件中读入任一行记录的刀轨坐标为［x2，y2，z2］，从编程坐标系转
（2College of Mechanical Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai’an 223003，China）
【摘 要】在对东芝 BTU-14 五轴加工中心结构特性、东芝 TOSS999 控制系统特性以及五轴联动 加工编程特点进行分析的基础上，提出其五轴联动加工的后置处理算法。在该算法基础上，利用 Visual C++ 6.0 开发出单独的后置处理程序，将加工刀轨的刀位文件处理生成东芝格式的 G 代码文件。为了验 证后置处理程序的正确性，利用数控仿真软件 Vericut 7.0 建立机床的仿真模型，对后置处理程序生成 的 G 代码文件进行仿真。最后实际加工了一个测试样件，证明了后置处理程序的正确性。
4x4 y4 z4 4=［0 LsinA L（1-cosA）］
（8）
为了让刀位点在 A 轴旋转后回到原来的点，则读入的刀轨
容易得到如下的公式： （1）i0＞0，j0≥0 时：C=270+arctan（j0/i0）
坐标最终经过 RTCP 补偿的坐标［x，y，z］为：
（2）
［x，y，z］= 4x3 y3 z3 4- 4x4 y4 z4 4
换到加工坐标系的坐标为［x3，y3，z3］。则有如下的公式[5]：
4 4 co（s -C） sin（-C） 0
4x1 y1 z1 4= 4x0 y0 z0 4-sin（-C） co（s -C） 0
0
01
4x3 y3 z3 4= 4x1 y1 z1 4+
4 4 co（s -C） sin（-C） 0
4x2 y2 z2 4-sin（-C） co（s -C） 0
图 3 加工坐标系与编程坐标系
3.2 A、C 角的计算
假设从刀位文件中读入任一行记录的刀轴向量为［i0，j0，k0］， 则 A、C 角与这个向量有关。为了计算简便起见，假设工件不动， 刀具轴分别经过 A 轴旋转和 C 轴旋转这两步后与［i0，j0，k0］一致。 A 角的取值范围应为［-120，0］，C 角的取值范围限定在［0，360］。
有区别。对于五轴联动加工，如果机床控制系统不具有 RTCP 功
能，则加工坐标系（即 NC 程序所用的坐标系）原点一般只能置于
工作台的旋转中心上；编程坐标系（即刀位文件所用的坐标系）原
点为了编程方便，通常置于工件上，与机床无关，故又称为工件坐
标系。如图 3 所示，带 M 下标的是加工坐标系，其原点置于工作
但是在 UG NX 中：五轴后置处理速度较慢，不能令人满意；TCL 刀位点位置保持）可选购功能，TOSS999 系统的 RTCP 解决方案
语言可用于编写用户代码[4]，但是不能实现一些特殊的功能。故用 是 G143 指令。但是该机床由于成本考虑，没有购买上述 RTCP
C++语言开发专用的后置处理程序，将 UG NX 的 CLSF 文件处理 可选模块，因此后置处理程序必须能够实现 RTCP 功能。
手段。该技术具有技术含量高、精密度高、适于加工复杂曲面的特
点，对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设
图 1 机床照片
备等行业具有重要的意义。
机床控制系统采用东芝 TOSS999 系统，该系统基本与 FAN
采用的 CAM 系统是 UG NX，其拥有通用的后置处理模块。 UC 系统相似。高级五轴控制系统一般都带有 RTCP（即旋转刀具
件产生运动轨迹；而在实际加工中，刀具和工件的运动方式多种多
样。因此，必须对由 CAM 系统生成的刀位文件进行坐标转换。[2-3]后
置处理的主要功能之一就是将 CAM 系统生成的刀位文件中的刀
位点坐标和刀轴矢量转换成机床各轴的运动数据。
目前，五轴联动加工技术是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重
型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等零件加工的唯一
（9）
No.11 Nov.2011
机械设计与制造
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Z Y
后置处理程序在运行前必须输入初始状态数据，如图 8 所示。 其中，刀具长度指刀位点到主轴端面的距离。这些数据由操作者测 得，即后处理生成 NC 程序必须在工件、刀具装夹完成后进行。
Z4 图 8 初始状态数据
Y4
5 仿真与样件加工
图 6 A 轴旋转
第 11 期
Baidu Nhomakorabea
机械设计与制造
2011 年 11 月
Machinery Design ＆ Manufacture
135
文章编号：1001-3997（2011）11-0135-03
摆头转台加工中心五轴联动加工的后置
处理与仿真验证 *
吴海兵 1 陈小岗 1 许兆美 2 （1 淮阴工学院 数字化制造技术重点建设实验室，淮安 223003）
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01
（6） （7）
3.2.1 刀具轴先进行 A 轴旋转
如图 4 所示，OA —刀具轴初始单位向量即［0，0，1］，OB —
OA 绕 X 轴顺时针旋转 A 角后的向量，OC —OB 绕 Z 轴逆时针旋
转 C 角后的向量即［i0，j0，k0］。显然，OB 与OA 的夹角（即 A 的绝
对值）等于OC 与OA 的夹角，因此有：A=-arccosk0
A
B
（3） （4） （5）
C
Z Y
X O
图 4 刀具轴单位向量的旋转路径
3.3 RTCP 的实现
RTCP 功能的实现，分为以下两步：加工坐标系始终固定在 工作台上表面旋转中心，编程坐标系和刀轨跟随工件进行 C 轴 旋转运动（即相对工件静止），此时进行刀轨坐标从编程坐标系向 加工坐标系的转换运算；接着进行 A 轴旋转，刀位点将偏离原来 的位置，此时对该偏置进行补偿运算。
读入本行记录由 3.2 计算出来的 C 转角为 C2，经过符号处理后变
为 C3。读入上一行记录计算并经过符号处理的 C 转角为 C1，则容
易有如下的公式：（1）0燮C2 - C1 <180 时 l：C3 =C2
（10）
（2）C2 - C1 叟180 时：C3 =-C2
3.2.2 刀具轴再进行 C 轴旋转
（1）
3.3.2 A 轴旋转偏置的补偿
主轴绕 X 轴顺时针旋转了 A 角（A 为负值），如图 6 所示。
假设摆头总摆长为 L，其等于摆头旋转点到主轴端面的距离
（本机床为 425.35mm）加上主轴端面到刀位点的距离，则由于 A
轴旋转造成的刀位点偏置［x4，y4，z4］公式如下：
＊来稿日期：2011-01-05 ＊基金项目：国家自然科学基金项目资助（51005117）
136
吴海兵等：摆头转台加工中心五轴联动加工的后置处理与仿真验证
第 11 期
+
-A
Z
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-
C
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图 2 机床运动形式简图
3 后置处理算法
3.1 加工坐标系与编程坐标系
在三轴加工中，加工坐标系和编程坐标系是同一个概念，没
成 G 代码文件。
2 加工中心的结构、运动方式及控制系统
机床为日本某公司出品的 BTU-14 五轴加工中心，如图 1 所 示。该机床五个轴分别是 X、Y、Z、A 和 C，其运动形式，如图 2 所示。 三个线性轴 X、Y、Z；C 轴为工作台绕 Z 轴旋转，为 EIA（360°绝对）； A 轴为主轴绕 X 轴旋转，其行程范围为（-120～+30）°。
（2 淮阴工学院 机械工程学院，淮安 223003）
Postprocessor and simulation of 5-axis machining center of table-rotating/tilting type
WU Hai-bing1，CHEN Xiao-gang1，XU Zhao-mei2 （1Key Laboratory of Digital Machining Technology，Huaiyin Institute of Technology，Huai’an 223003，China）
3.4 C 轴最短距离旋转的实现
在一般情况下，五轴联动机床的两个旋转轴中：一个旋转轴
不能 360°任意旋转，只能在一定的范围内旋转，比如上述 A 轴，旋
利用 UG NX7.5 中的叶轮模块编制一个叶轮的粗、精加工刀 轨，将其处理为 NC 程序代码。加工刀具为 Φ3、锥度为 4°的锥度 球头铣刀，粗加工仿真，如图 9 所示。
比如海德汉 iTNC530 的 M126 指令。机床控制系统没有内置的最
短距离旋转的指令，因此后置处理程序还要能够实现 C 轴最短距 离旋转功能。如上所述，C 轴旋转特性为 EIA（360°绝对），即 C 转角 的正负号定义旋转方向（正号逆时针旋转，符号顺时针旋转），C 转 角的绝对值定义绝对位置。3.2.2 计算出来的 C 角显然只确定了刀
转特性与线性轴一样，不存在最短距离旋转的问题；另一个旋转轴
可以 360°任意旋转，比如上述 C 轴，刀具绕 Z 轴既可以顺时针旋
转到目标位置，也可以逆时针旋转到目标位置，因此存在最短距离
旋转的问题。在五轴联动加工中，360°旋转的那个轴必须具有最短
距离旋转功能。一些高级五轴控制系统具有最短距离旋转的指令，
图 9 粗加工仿真 仿真通过后，在机床上实际加工出叶轮实物，其经过粗加工 和大叶片精加工后的照片，如图 10 所示。
具轴从初始向量［0，0，1］绕 Z 轴旋转到达的绝对目标位置，没有考
虑相对于上一个 C 角的旋转方向。因此，3.2.2 计算出来的 C 转角
必须经过符号处理，以确保最短距离旋转方向。假设从刀位文件中
关键词：后置处理；加工中心；五轴联动；仿真 【Abstract】Based on the analysis of structural characteristics of TOSHIBA BTU-14 machining center of table-rotating/tilting type，control system of TOSHIBA TOSS999 and 5-axis milling programming，a post－ processing algorithm of 5-axis milling is presented.Based on the algorithm，a postprocessor is developed by Visual C++ 6.0 to convert tool path file to G-code file of TOSHIBA format. In order to validate the postpro－ cessor，a simulation model of the machine is established by Vericut 7.0 to simulate G-code files created by the program.Finally a testing workpiece is machined，which confirms the validity of the postprocessor. Key words：Postprocessor；Machining Center；5-axis machining；Simulation
台上表面中心；带 P 下标的是编程坐标系，其原点置于工件上表
面中心。工件在工作台上的装夹位置可以随意。初始状态下，操作
者除了通过对刀找到加工坐标系原点，还要得出编程坐标系原点
在加工坐标系中的坐标，以备后置处理程序使用，如图 3 所示。
（2）i0≤0，j0＞0 时：C=-arctan（i0/j0） （3）i0＜0，j0≤0 时：C=90+arctan（j0/i0） （4）i0≥0，j0＜0 时：C=180-arctan（i0/j0）
中图分类号：TH16，TG659 文献标识码：A
1 引言
数控加工的后置处理是指读取由 CAM 系统生成的刀位文 件，从中提取相关的加工信息；并根据指定数控机床的特点及 NC 程序格式要求进行分析、判断和处理；最终生成数控机床能直接 识别的 NC 程序[1]。
CAM 系统在计算刀具轨迹时，假设工件不动，刀具相对于工