基于Perl语言的四轴数控加工后处理研究

□ 杨卫国 □ 朱文华

上海大学机电工程与自动化学院 上海 200072

1 研究背景

随着现代制造业的发展，机械加工的复杂化、高精度化、自动化越趋明显。计算机辅助制造（CAM）作为必然选择，在现代机械加工中具有不可替代的作用。作为商用集成软件，CATIA的CAM模块在设定好加工工艺后，必须使用额外购买的后处理功能模块来进行转化，才能被特定的数控机床所识别，进而完成加工。笔者针对CATIA所生成的.apt格式刀路文件，使用Perl语言进行后处理，进而输出G代码，可以为企业节省购买商用后处理模块的费用。针对四轴卧式加工中心，使用Perl语言也可以进行后处理。Perl语言经过扩展和改进，可以快速适用于不同CAM软件所输出的刀路文件，并针对不同机床进行后处理。

国内研究者较多从CAM集成软件的内置后处理进行不同层次的论述，如软件的使用、优化处理等。邓奕［1］、唐立山［2］等分别对 CAM 集成软件的内置后处理进行了综述与概述，王启富［3］、张宇［4］、崔传辉［5］等分别就使用C语言和Python语言进行加工后处理的模型及实际应用进行了介绍。 王刚［6］、胡乾坤［7］等分别对通用后处理、算法原理和后置处理配置文件参数设计进行了研究。

笔者从工程实践出发，为企业降低成本，快速开发后处理应用。针对现有文献中对三轴及五轴加工论述较多，而对四轴卧式加工中心后处理研究较少，且无应用Perl语言进行后处理的现状，笔者对四轴数控加工的Perl语言后处理及坐标转换数学模型进行了推导，通过实践验证了这一方法的正确性。

2 APT语言

CATIA生成的刀路文件扩展名为.apt，而APT本身就是用于生成数控加工程序的高级编程语言［8］，使用切削刀具的刀位点来编程，是数控编程系统中应用广泛、影响深刻、具有代表性的数控编程语言，由麻省理工学院开发。APT语言于1955年推出，1958年完成APTⅡ，1961年推出APTⅢ，适用于三至五坐标立体曲面自动编程。1985年，国际标准化组织公布的数控机床自动编程语言标准就是以APT语言为基础的。APT语言的出现，使具有复杂空间刀具运动的零件加工的计算机自动编程成为可能，是现代CAM系统的基础。我国等效制定了数控机床自动编程语言标准GB/T 11292—2008［9］。

APT语言详细语法格式和用法在相关标准［9-10］中已有规定，笔者仅介绍CATIA所输出.apt格式文件中常用关键字及Perl语言相对应的处理方法，见表1。

表1 .apt格式文件关键字及对应Perl语言处理方法

CATIA输出的.apt格式文件关于刀具位置的坐标语句格式为：

其中，x、y、z 为位点在坐标系中的尺寸，i、j、k 为刀具轴向量在 X、Y、Z方向单位向量的分量［10］。

笔者根据刀具轴向量来分析B轴旋转角度及坐标变换的数学模型。

3 Perl语言

Perl是一种高级通用直译式动态程序语言［11］，其最初设计者拉里·沃尔为了使在UNIX操作系统上进行报表处理变得方便，决定开发一种通用脚本语言，于1987年12月18日发表。Perl语言借鉴了C、sed、awk、shell脚本及很多其它编程语言的特性，其中最重要的特性是Perl语言内部集成了正则表达式功能，以及巨大的第三方代码库CPAN。

Perl语言应用范围很广，除通用网关接口外，还被用于图形编程、系统管理、网络编程、金融、生物及其它领域。由于具有高度灵活性，Perl语言被称为脚本语言中的“瑞士军刀”。

因为Perl语言在处理文本方面具有高度的灵活性和强大的功能，所以选择Perl语言作为CAM后处理工具十分合适，并能高效快速地应用于生产。

使用文本编辑器来编辑代码，在Perl语言命令行环境中使用Perlname.pl来运行程序。可以使用DWIM Perl等工具包来调试Perl程序。

4 研究的问题

.apt格式刀路文件中的关键字转换为G代码，包括将.apt格式刀路文件中的有关坐标转换为G代码坐标。

数控加工中坐标轴旋转，包括A、B、C三轴旋转，均可归结为角度的数学处理问题。刀路文件提供的是角度单位向量的X、Y、Z方向的分量，因此可转化两向量的角度问题。

.apt格式刀路文件所提供的点位坐标及角度分量，在加工时均要转换为机床坐标系刀具的运动。

5 数字模型

5.1 两任意向量角度问题

▲图1 两任意向量角度

由两向量点积的定义，可知［12］：

5.2 向量与Z轴角度问题

如图2所示，针对B轴卧式加工中心，计算任意与XZ平面平行的向量与Z轴的夹角，即求刀具与Z轴的角度。在对应的坐标系中分析，易得a=［x10 z1］,b=［0 0 1］,代入式（5），得：

▲图2 向量与Z轴角度

因反余弦定义域为（0，π），当角度超过 180°时，易推导得其表达式为：

5.3 不特定点位绕坐标轴旋转后坐标的变换处理

因为CAM系统处理刀位坐标时，所给的刀位点为刀具的坐标（X，Y，Z）和刀轴的向量（i，j，k），所以必须对刀位点的坐标进行旋转变换。将.apt格式文件坐标变换为加工坐标。

一般情况，绕任意轴S［uxuyuz］作旋转变换的变换矩阵为［13］：

式中：ux，uy，uz为单位轴向量 u 的分量。

点 A［x y z］绕任意轴 S［uxuyuz］旋转角度 θ，得到点 B［x′y′z′］

如图3所示为绕Y轴旋转特例，Y轴的单位向量为：

▲图3 绕Y轴旋转的点的坐标变换

将向量代入 MR（θ），得到绕 Y 轴旋转的变换矩阵［13］：

任意点［x y z］绕［0 1 0］轴旋转，变换后为［x′y′z′］，代入式（11），建立齐次表达式：

将式（13）转换为线性方程组，得点位坐标变换方程为：

由此便可以得到变换后的坐标。

6 程序处理方法

6.1 坐标处理及直线插补

根据数学建模分析，将数据代入式（14），进行变换计算即可。

6.2 固定循环处理

钻孔循环主要用于多孔加工，以下介绍一种简单的钻孔循环处理方法。

.apt格式文件的固定循环原始字串如下：

CYCLE/OFF

CYCLE/DRILL表示钻孔循环关键字。MMPM即mm/min。 RAPTO，d对应 RAPTO，1.000000，是可选项，指定在安全平面以下继续以快速向下的附加距离。RTRCTO，d对应 RTRCTO， $100.000000，是可选项，指定沿刀轴方向附加的快速回跳距离。$是换行符号，表示此行未完，程序处理时，需要连接两行并处理。CYCLE/OFF表示循环结束。

根据标准［10］中的基本语法规定，循环语法格式为CYCLE/DRILL，DEPTH，a（PERMIN PERREV FPT），b，CLEAR，c 0：n［，｛（RAPTO，d）｝］。 根据钻孔循环图（图4），含义如下：① DRILL指定钻孔循环；②DEPTH，a指定在控制点以下钻孔操作的最终深度，是以零件参考单位测量的有符号的补偿值，且从刀具坐标负向测量；③PERMIN指定每分钟进给量，进给量的单位由零件程序定义，如G94。④PERREV指定每转进给量，进给量的单位由零件程序定义；⑤FPT指定每齿每转进给量，进给量的单位由零件程序定义，需要在TOOLNO指令中通过FLUTES定义齿数，如果没有定义齿数，则默认为单齿；⑥CLEAR，C为关键字实数，指明在控制点之上的趋近安全距离的初始值，是以零件参考单位测量的有符号值，且从刀具坐标轴正向测量；⑦ 0：n［，｛RAPTO，d｝］表示可选参数，可定义为0，或者n。

▲图4 钻孔循环图

根据以上分析可知，对应的G代码为［14］：

与CYCLE/DRILL后处理模式匹配的方法如下：（1）第 1行为加工参数，使用 G81来替代CYCLE/DRILL，增加Z，直接引用深度坐标；

（2）第2行为坐标参数，按X、Y、Z坐标处理，并增加角度运算结果。

（3）第3行为循环关闭，使用G80替代。

6.3 圆弧插补

对于腰型槽铣削，CATIA采用了直线插补替代拟合圆弧的方式输出。事实上，在CAM领域，大量使用了直线拟合圆弧，通过圆弧拟合高次曲线，使计算简化。根据不同加工精度的需要，采用不同的拟合精度，可以达到不同的使用要求。因为圆弧插补的匹配模式较为复杂，笔者不作详细展开介绍。

7 测试文本

7.1 六方体模型

为了验证方法的正确性，并进行简化，笔者使用CATIA生成由六边形拉伸而成的六方体零件模型，如图5所示。模型简要说明如下：①设定六面铣削；②6个面上钻孔，因为6个面上坐标不同，所以可便于测试方法的正确性；③1个面做简单型腔轮廓铣削；④ 为方便验证，对不同的面作了标记，分为 A、B、C、D、E、F。

▲图5 六方体零件模型

7.2 机床模型

机床模型零件由Unigraphics软件导出，然后导入CATIA Machine Tool Builder 模块进行构建［15-16］。

（1） 定义连接副，包括三个滑动副，即 X、Y、Z；一个旋转副B；一个固定副，即床身。需要注意的是，需要先将机床模型完全约束到机床原点，定义运动方向后再导入仿真环境，否则会出现一些无法预料的错误。

（2）定义运动范围。

（3）定义零件装夹点、刀具装夹点。

（4）定义其它参数，如速度、加速度等。

（5）定义数控参数。

完成机床模型构建，如图6所示。

▲图6 机床模型

7.3 刀路文件

生成试验刀路，过程如下：

（1）定义工艺过程，如铣面、钻孔、铣腰槽等；

（2）定义加工方法、刀具，选择加工特征；

（3）按CATIA给定的模式，定义加工参数；

（4）生成.apt格式刀路文件；

（5）在CATIA中进行仿真，如图7所示。

对输出的.apt格式刀路文件中的A面铣加工代码进行截取，如下：

对截取段应用Perl语言进行处理。

▲图7 CATIA加工仿真

8 Perl语言应用

操作系统为Windows Server 2016，集成开发环境为JetBrains Clion，包含Perl插件。

编写Perl语言处理程序框图，如图8所示。

程序中主要涉及的算法为字符串替换、处理。由式（8）、式（9）、式（14）对坐标进行处理转换并输出，主要应用的技术为数学计算处理和正则表达式匹配、替换［17］。

9 验证

将Perl程序处理输出结果与IMSpost处理结果进行对比，见表2。

由对比可知，G代码完全相同，即Perl程序未对重复的坐标进行简化处理。

将Perl程序生成的代码在Vericut软件中进行仿真，得到的结果与CATIA仿真相同。

笔者所述程序为演示验证程序，若能增加如下功能，则可更加方便用于生产：

（1） 应用 G41、G42、G43 对刀长、刀具直径进行补偿；

（2）对重复的坐标进行简化处理；

（3）对部分关键字进行处理，并根据标准进行扩展。

通过代码运行与结果验证，确认完全可以应用Perl语言对.apt格式刀路文件进行快速后处理，并可得到正确结果。

10 结束语

关于.apt格式刀路文件的后处理，目前已有很多商用软件，但随着智能加工技术的发展，在加工数据的生成与转换方面必然会发生革命性变化，如目前发展势头强劲的STEP-NC技术，将零件几何信息、公差数据、加工工艺数据集成在数据包中，实现数据共享，以及前端计算机辅助设计与后端计算机辅助制造相互关联［18］。基于数控系统开放性［19］、智能化、网络化［20］、标准化的发展，对后处理的研究显得越来越重要。所有的数据转换及计算机处理都离不开相应的数学模型，笔者所述应用Perl语言的方法可以为相应研究提供参考。按笔者所述方法，如果增加一轴，并新增相应的边界条件，则很容易用于处理五轴加工问题。

笔者关于刀具坐标转换等数据模型的研究，对数控加工数据模型的建立，以及未来数据共享处理具有参考意义。在不需要大量改变现有系统模块的基础上，可以平顺实现数据共享。

表2 处理结果对比

▲图8 Perl语言处理程序框图

上海电气首台百万千瓦等级核电焊接转子进入冷加工阶段

日前，上海电气自主研发的全球最大核电焊接转子在浦东临港工厂制成，发运至巴基斯坦卡拉奇百万千瓦核电项目现场。

据了解，卡拉奇2号、3号机组合同签订于2013年底，常规岛主机设备及辅机由上海电气提供。该项目是中国首次出口海外的三代百万千万等级核电机组。

根据合同要求，核电低压转子将首次采用焊接转子，这也是百万千瓦等级核电焊接转子首次出口海外。百万千瓦等级核电焊接转子具有成本低、启动和负载更加灵活等优势。该技术取得突破，有效解决了整锻转子锻造难、交货期难以保证等诸多问题。

上海电气首台百万千瓦等级核电焊接转子从2017年2月开始装配焊接，经过5个月的焊接，正式进入冷加工阶段。该转子质量约280 t，长13 m，为上海电气浦东临港工厂加工过的最大转子，目前已具备批量生产能力。

（尔 东）

上海电气海上风电后市场蓄势待发

日前，上海电气风电集团亮相“2018年海上风电优化设计与运行维护专题交流研讨会”，以“全生命周期专业运维服务创造有未来的能源”为主题作了展示。

上海电气风电集团致力于创造有未来的能源，可以为客户提供全生命周期解决方案。作为国内最大的海上风电整机商，上海电气在海上风电后市场有着得天独厚的优势——国内最为丰富的海上风电运行实践经验和最为专业的业务团队，可以提供全生命周期的专业运维服务；基于大数据的预防性定检和消缺、一站式大部件更换与维修，可以提供准确率高达90%的远程实时振动诊断、全天候远程风机监护和快捷备品备件供应；智能无人机加智能水下机器人立体式巡检，可以为海上风电场提供360°无死角专项运维。

中国海上风电目前正进入快速开发期，风电后市场红利将在2019年开始逐步释放。在这样的背景下，上海电气风电集团正努力推进三个转变，重点布局海上风电后市场，蓄势待发。

（尔 东）