數(shù)控編程技術(shù)及其典型應(yīng)用研究*

韓式國(guó)，趙 軍，陳曉曉，李安海，董永旺

(山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061）

0 引言

數(shù)控編程技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械制造中的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)控程序的優(yōu)劣直接影響加工效率、過(guò)程穩(wěn)定性、加工質(zhì)量及加工成本等［1-3］。

隨著時(shí)代的發(fā)展，產(chǎn)品的復(fù)雜多樣性日益突出，鑒于外觀優(yōu)美的考慮，越來(lái)越多的產(chǎn)品引入了各式各樣的曲面造型，這對(duì)傳統(tǒng)的手工編程提出挑戰(zhàn)，給體現(xiàn)一定程度自動(dòng)化的數(shù)控編程技術(shù)帶來(lái)了發(fā)展機(jī)遇。同時(shí)，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)著工程應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。市場(chǎng)需求及技術(shù)推動(dòng)有效地促進(jìn)了數(shù)控編程技術(shù)的快速進(jìn)步。

然而，數(shù)控編程是一系統(tǒng)性技術(shù)，有必要從系統(tǒng)的角度對(duì)數(shù)控編程進(jìn)行探討，有效地促進(jìn)數(shù)控編程技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展。本文分析了數(shù)控編程技術(shù)的組成，重點(diǎn)探討了CAD/CAM技術(shù)在數(shù)控編程中的角色和作用，同時(shí)分析了后處理技術(shù)的作用及關(guān)鍵問(wèn)題，并給出了一個(gè)數(shù)控編程的實(shí)例研究。

1 數(shù)控編程技術(shù)的系統(tǒng)組成及內(nèi)涵

從廣義的角度考慮，數(shù)控編程技術(shù)包括工藝技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)及數(shù)控加工仿真技術(shù)等，圖1所示為數(shù)控編程技術(shù)的系統(tǒng)框圖。

圖1 數(shù)控編程技術(shù)系統(tǒng)圖

工藝技術(shù)主要指根據(jù)工藝知識(shí)進(jìn)行工序規(guī)劃、刀具選擇、切削參數(shù)選擇及刀具路徑規(guī)劃等;CAD技術(shù)主要用來(lái)提供產(chǎn)品的數(shù)字化模型，為產(chǎn)品數(shù)控加工程序的生成提供原始數(shù)據(jù);CAM技術(shù)主要指借助具有“加工”模塊的CAM軟件，依據(jù)工藝知識(shí)及產(chǎn)品CAD模型進(jìn)行刀具軌跡規(guī)劃生成、刀具位置點(diǎn)計(jì)算，并最終結(jié)合刀位點(diǎn)文件、加工用機(jī)床結(jié)構(gòu)、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)及特定的后處理程序，生成特定數(shù)控機(jī)床能識(shí)別的具有一定格式和代碼的NC程序;將生成的NC程序在數(shù)控加工仿真系統(tǒng)如VERICUT等中模擬實(shí)際加工狀況，檢驗(yàn)、優(yōu)化及分析生成的數(shù)控程序的安全性、有效性，避免實(shí)際加工中的刀工干涉、刀夾與工件干涉及刀具裝夾系統(tǒng)與機(jī)床干涉等，優(yōu)化刀具在各段切削路徑上的切削速度，分析刀具軌跡的合理性。如果仿真后證明NC程序安全有效，可進(jìn)行實(shí)際加工，若NC程序存在問(wèn)題，需利用CAM軟件修改完善直至安全有效;最終生成的NC程序驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行加工動(dòng)作，制造出所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。

2 CAD/CAM及數(shù)控加工仿真技術(shù)

數(shù)控加工技術(shù)作為機(jī)械制造領(lǐng)域的典型代表，已經(jīng)在航空航天、模具、汽車(chē)、通用機(jī)械等行業(yè)發(fā)揮了巨大的作用［4］。由于產(chǎn)品復(fù)雜程度及質(zhì)量、精度要求的提高，現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)CAM軟件的關(guān)鍵支撐。大型商用CAD/CAM集成系統(tǒng)如UG、Proe、MasterCAM［5］、CATIA、Powermill及 Cimatron E等在產(chǎn)品數(shù)控加工中的應(yīng)用已非常普遍。波音飛機(jī)公司利用CATIA實(shí)現(xiàn)了無(wú)圖紙一體化設(shè)計(jì)制造，成功生產(chǎn)了波音777，這是CAD/CAM技術(shù)典型的成功應(yīng)用［6］。

數(shù)控加工仿真系統(tǒng)軟件如 VERICUT［7］、Swansoft CNC Simulator及 CIMCOEdit等可有效檢驗(yàn)NC程序的正確性，并可依據(jù)一定的原則進(jìn)行NC程序的優(yōu)化編輯，確保實(shí)際加工過(guò)程的安全性，避免干涉、碰撞及過(guò)切等問(wèn)題的產(chǎn)生，可免于試切，減少原材料的浪費(fèi)，在實(shí)際加工之前就能前瞻性地模擬整個(gè)加工過(guò)程，保證加工過(guò)程的有效及安全可靠。

3 后處理技術(shù)

后置處理是指將刀具位置源文件轉(zhuǎn)換成特定數(shù)控機(jī)床能識(shí)別的數(shù)控代碼的過(guò)程。后處理技術(shù)是數(shù)控編程技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)，直接決定能否生成正確的適合于待用加工機(jī)床的NC代碼。

CADCAM系統(tǒng)軟件一般提供了預(yù)先編制好的后處理程序，可以將生成的刀具軌跡源文件轉(zhuǎn)換成特定機(jī)床能識(shí)別的NC代碼;同時(shí)也提供了允許用戶進(jìn)行個(gè)性化構(gòu)造后處理程序的功能，可以針對(duì)特定的機(jī)床結(jié)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)，結(jié)合CAD/CAM軟件后處理構(gòu)造模塊的功能制作出適應(yīng)特定機(jī)床的后處理程序。

如UG軟件提供了兩種制作后處理程序的方式，一是GPM后置處理器;二是UG/POST后置處理器。采用圖形后置處理器方式，首先需創(chuàng)建機(jī)床數(shù)據(jù)文件，由GPM可執(zhí)行文件對(duì)刀具位置源文件進(jìn)行處理，最終生成數(shù)控程序;采用UG/POST進(jìn)行后處理時(shí)，需要事件管理器文件和機(jī)床定義文件(可由后置處理構(gòu)造器生成），UG后置處理器依據(jù)事件管理及機(jī)床定義文件提供的信息，可直接從零件的刀具路徑中提取出所需信息進(jìn)行后置處理，生成數(shù)控程序。另外系統(tǒng)還提供了后處理構(gòu)造器，可為特定機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)定制后置處理器［8］。

用戶也可根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)及機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，分析機(jī)床各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)形式，結(jié)合編程語(yǔ)言如Matlab和VC++等自制后處理程序，將CAM軟件生成的含GOTO等指令的刀具軌跡源文件轉(zhuǎn)化為特定機(jī)床能識(shí)別的NC代碼。

4 案例研究

4.1 CAD模型

毛坯為長(zhǎng)、寬、高分別為298mm、298mm、210mm的立方體，圖2為頭盔模具模型，精加工分為3塊區(qū)域分別進(jìn)行，區(qū)域1為陡峭區(qū)域，區(qū)域2為平坦區(qū)域，區(qū)域3為過(guò)渡區(qū)域。

圖2 頭盔模具CAD模型

4.2 加工策略

頭盔模具產(chǎn)品的加工工藝規(guī)劃如表1所示，分為粗加工、半精加工、分區(qū)精加工及清根加工。

表1 加工工藝規(guī)劃

通過(guò)CAM可視化刀軌仿真可得粗加工及半精加工后IPW(殘留毛坯）如圖3及圖4所示，可看出粗加工后殘留材料不均勻，加工痕跡明顯，半精加工后殘留余量較均勻。

圖3 粗加工后IPW

圖4 半精加工1及半精加工2后IPW

精加工區(qū)域3及兩次清根加工刀具軌跡如圖5、圖6所示，區(qū)域3精加工局部刀軌可看出刀軌走向，因拐角處大直徑刀具難以加工到，故清根加工刀具軌跡主要在相鄰曲面的連接處產(chǎn)生。

圖5 精加工區(qū)域3整體及局部放大刀軌

圖6 清根加工1及清根加工2刀軌

4.3 數(shù)控加工仿真、檢驗(yàn)及優(yōu)化

數(shù)控加工仿真系統(tǒng)VERICUT仿真主要分 APTCLSF仿真及G代碼仿真。圖7所示為CLS仿真情況下，粗加工及半精加工后模具的過(guò)程模型，圖8所示為精加工區(qū)域3時(shí)的瞬時(shí)過(guò)程示意圖。

圖7 APT-CLS仿真精加工后及半精加工后模型

圖8 APT-CLS仿真精加工區(qū)域3過(guò)程示意

圖9所示為G代碼仿真機(jī)床仿真視圖及局部視圖，機(jī)床視圖仿真可接近真實(shí)加工環(huán)境，有助于預(yù)先觀察加工過(guò)程，及時(shí)修改程序，避免錯(cuò)誤的產(chǎn)生。

本案例采用恒定體積去除率優(yōu)化及恒定切屑厚度優(yōu)化相結(jié)合的方式對(duì)粗加工、半精加工、精加工及清根加工進(jìn)行優(yōu)化［9-10］。其中粗加工及半精加工采用恒定體積去除率優(yōu)化方式;精加工及清根加工采用恒定切屑厚度及恒定體積去除率結(jié)合優(yōu)化的方式。優(yōu)化前后各刀具用時(shí)對(duì)比情況如圖10所示，優(yōu)化前總加工時(shí)間為296.19min，優(yōu)化后為228.05min，節(jié)省時(shí)間23%，明顯提高了加工效率，并保證了穩(wěn)定的體積去除率，避免了沖擊載荷，可有效利用機(jī)床，提高刀具壽命，提高加工過(guò)程穩(wěn)定性，有利于零件加工質(zhì)量的改善。

圖9 G代碼仿真

圖10 加工用各刀具優(yōu)化前后用時(shí)

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控編程是一系統(tǒng)性技術(shù)，涉及工藝技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)及數(shù)控加工仿真技術(shù)等，其中CAM技術(shù)是數(shù)控編程的核心，充分利用CAM軟件的功能，結(jié)合工藝知識(shí)及CAD技術(shù)，編制出合理高效的NC程序，并通過(guò)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)軟件對(duì)生成的NC代碼進(jìn)行仿真、檢驗(yàn)及優(yōu)化編輯，可以有效確保所編制數(shù)控程序的安全性及合理性，避免干涉、碰撞及過(guò)切等問(wèn)題的產(chǎn)生，有效保護(hù)機(jī)床、刀具及工件免遭破壞，更好地提高數(shù)控編程技術(shù)的應(yīng)用水平，促進(jìn)制造工業(yè)的進(jìn)步。

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