臺灣博碩士論文加值系統

多軸工具機在加工業有非常重要的地位，尤其對於具有複斜面及曲面干涉的零件加
工，可減少三軸工具機需要多次翻面加工與重複定位的問題，不僅節省加工時間也提升
加工件精度，但因為多軸路徑複雜難以用手動撰寫程式，通常需要使用電腦輔助輔助設
計與製造軟體去編程刀具路徑，並利用後處理轉換成控制器能讀取的數控程式，因此後
處理為加工程式設計與製造間重要的溝通橋樑。
現今後處理求解方式有圖解、座標轉換及數值疊代方式，本文則使用座標轉換的方
式求解，需要依多軸工具機構型推導出工具機的形狀創成函數(Form-shaping function)矩
陣，並藉由逆向運動學，解出控制工具機的各軸參數方程式。一般後處理的功能為將刀
具路徑檔(Cutter Location Source File)轉換成控制器所能讀取的 NC 座標點，此為正向後
處理，若業界加工廠承接上游廠商的 NC 代工，但因排程需求必須用不同機型加工時，
則需將原有 NC 程式轉換為特定構型的 NC，才能進行加工，此種轉換需藉由逆向後處
理得到刀具路徑檔後，再進行正向後處理。目前市面上商用後處理主要為正向後處理，
但是較少有逆向後處理可以對特定構型數控程式作加工路徑轉換。本文所開發的後處理
中利用正逆向後處理進行多軸非線性誤差之插補演算，可以透過逆向得知刀具路徑點並
在點與點之中進行多點插補，並控制路徑在設定的弦高誤差內。
本文利用 Unigraphics NX CAD/CAM 商用軟體對工件進行刀具路徑規劃，將工法路
徑產生出刀具路徑檔，擷取內部刀尖點、刀軸向量，並用 Visual C#開發的程式轉換介面，
透過數學模組轉換出各軸座標點。最後利用商用模擬切削軟體 VERICUT 進行模擬驗證，
確認本文所開發的轉換介面產出程式的正確性，再進行實際上機加工實測。

Multi-axis machine tools play an important role in the processing industry, especially for
parts with complex bevel and curvature, as it can minimize the issues of requiring multiple
turnings and repetitive positioning, saving more time and improving the overall processing
precision. However, since it is difficult to manually program the complex path of a multi-axis
machine tool, it generally requires computer-aided designing and manufacturing software to
project the tool path, in which it is post-processed and converted to NC program for the
controller; hence, the post-processing procedure is an important bridge of communication
between programming and manufacturing.
Currently, the post-processing solutions may involve graphs, coordinate conversion and
numerical iteration, where this study would employ the method of coordinate conversion, in
which it is necessary to derive the form-shaping function matrix of the machine tool from its
multi-axial configuration, in order to solve for all parameter equations of various control axes
for the machine tool through inverse kinematics. Generally, when post-processing functions to
convert the Current Location Source File into NC coordinates for the controller, it is referred to
as forward post-processing. But, if the processing plant undertakes the NC program from the
previous manufacturer, which requires different models for processing, it is then necessary to
iii
convert the original NC program into a specific configuration for further processing; thus, it is
called reverse post-processing to obtain the tool path file before proceeding to forward postprocessing. At present, commercially, it is mostly forward post-processing and rarely there is
reverse post-processing for converting to tool path file from NC program of specific
configuration. The interpolation algorithm developed for multi-axis non-linear error during
forward and reverse post-processing in this study could inversely acquire the tool path point,
while engaging in interpolation between points to control the path within the set chord height
error.
In this study, the Unigraphics NX CAD/CAM software was used to plan the workpiece’s
tool path and would be included in a tool path file, along with the internal tool tip point and the
tool axis vector. A program interface developed under Visual C# would be used with the
mathematic module to convert each axis’ coordinates. Lastly, a cutting simulation software,
VERICUT, was used to simulate and verify the accuracy of conversion by the developed
software in this study, before it was actually tested in the machining process.

摘要...i
Abstract...ii
誌謝...iv
目錄...v
表目錄...viii
圖目錄...ix
符號說明...xii
中英文對照表...xiii
第一章 緒論...1
1.1 研究動機與目的...1
1.2 文獻回顧...2
1.2.1 多軸後處理演算...2
1.2.2 商用後處理應用...5
1.2.3 路徑插補...7
1.3研究方法與步驟...9
1.4論文架構...11
第二章 相關技術...12
2.1 多軸工具機座標系統...12
2.1.1 機械座標系統...12
2.1.2 齊次型座標轉換矩陣...13
2.2多軸控制器應用...16
2.2.1控制器斜平面加工...16
2.2.1 控制器刀尖點控制...17
2.3 使用軟體介紹...18
2.3.1 CAD/CAM商用軟體Unigraphics NX10.0...18
2.3.2切削模擬軟體Vericut 7.3...18
2.3.3 Visual Studio 2010...19
2.3.4 Wolfram Mathematica[28]...20
2.4五軸工具機構型...21
第三章 相關理論...24
3.1 Unigraphics NX 刀具路徑檔...24
3.2 五軸後處理...27
3.2.1後處理概述...27
3.3.2 Unigraphics NX後處理概述...28
3.3 正向後處理...29
3.3.1 A-Type CA主軸傾斜型數學模組推導...29
3.3.2 A-Type BA主軸傾斜型數學模組推導...32
3.3.3 B-Type AC工作台傾斜型數學模組推導...35
3.3.4 B-Type BC工作台傾斜型數學模組推導...39
3.3.5 C-Type BC主軸/工作台傾斜型數學模組推導...42
3.3.6 C-Type BA主軸/工作台傾斜型數學模組推導...46
3.4 逆向後處理...49
3.4.1 A-Type CA主軸傾斜型逆向後處理推導...49
3.4.2 A-Type BA主軸傾斜型逆向後處理推導...50
3.4.3 B-Type AC工作台傾斜型逆向後處理推導...51
3.4.4 B-Type BC工作台傾斜型逆向後處理推導...52
3.4.5 C-Type BC主軸/工作台傾斜型逆向後處理推導...53
3.4.6 C-Type BA-Axis主軸/工作台傾斜型逆向後處理推導...54
3.5 刀具路徑線性化插補...55
3.5.1向量插補...56
3.5.2弦高誤差計算...59
3.6尤拉角(Euler angles)轉換矩陣...61
3.7尤拉角反轉換...62
第四章 程式介面介紹與驗證...65
4.1多軸工具機後處理轉換介面...65
4.2正逆向後處理轉換介面...67
4.3正向後處理轉換驗證...68
4.3.1 A-Type BA主軸/工作台傾斜型驗證...70
4.3.2 A-Type CA工作台傾斜型驗證...72
4.3.3 B-Type AC工作台傾斜型驗證...73
4.3.4 B-Type BC工作台傾斜型驗證...74
4.3.5 C-Type BC工作台傾斜型驗證...75
4.3.6 C-Type BA主軸/工作台傾斜型驗證...76
4.4斜平面加工轉換介面...77
4.4.1轉換介面之尤拉角反轉換...78
4.4.2圓弧指令驗證...79
4.5斜平面轉換驗證...81
第五章 結果與討論...84
5.1機台變更構型之正逆向轉換及驗證...84
5.1.1正逆向後處理轉換驗證...88
5.2測試件VERICUT模擬驗證...93
5.2.1 G68.2尤拉角反轉換...94
5.2.2測試件切削驗證結果...99
5.3測試件Auto-diff驗證...105
5.4 商用軟體後處理插補功能...108
5.4.1 Unigraphics NX 工法線段插點比較...108
5.4.2 Unigraphics NX LINTOL插補功能...115
5.4.3 hyperMILL 插補功能...118
5.5實際加工切削測試...122
第六章 結論與未來展望...124
6.1結論...124
6.2未來展望...125
參考文獻...126
Extended Abstract...129

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