基于數(shù)控仿真軟件的數(shù)控車零件機(jī)械加工設(shè)計(jì)

該文結(jié)合北京斐科的VNUC4.3數(shù)控仿真軟件和北京數(shù)碼大方CAXA數(shù)控車2011軟件，通過(guò)對(duì)復(fù)雜長(zhǎng)軸數(shù)控車零件模的設(shè)計(jì)、工藝文件生成和制造加工整個(gè)過(guò)程，并模擬出刀具、坯料調(diào)整后或參數(shù)變更后的效果。分析此類軟件的局限性，為后續(xù)數(shù)字化機(jī)械設(shè)計(jì)制造奠定基礎(chǔ)。

CAD、CAM、CAPP為基礎(chǔ)的PLM技術(shù)使機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到工藝確定，再到數(shù)控程序針對(duì)不同系統(tǒng)的校驗(yàn)、加工精度分析，都可實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化和全過(guò)程動(dòng)畫(huà)模擬化。軟件仿真雖不能替代真實(shí)加工的實(shí)踐校驗(yàn)性，但畢竟能提升產(chǎn)品的可靠和效率性。在實(shí)踐中最復(fù)雜的數(shù)控車案例如下：公式樣條曲線的加工；刀具干涉檢查；內(nèi)凹復(fù)雜曲面的加工；內(nèi)溝槽、內(nèi)螺紋的自動(dòng)編程等。如果用CAXA數(shù)控車201 1軟件頂替宏程序解決加工問(wèn)題，有其自身優(yōu)點(diǎn)。CAD、CAM后采用VNUC或宇龍數(shù)控仿真軟件可繼續(xù)驗(yàn)證工藝程序在不同數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的操作準(zhǔn)確性和零件成型結(jié)果。因此解決數(shù)控車零件設(shè)計(jì)與加工的全仿真可如下幾步處理。

1 CAXA設(shè)計(jì)和加工工藝出圖

機(jī)械制造過(guò)程分為設(shè)計(jì)制圖、工藝、標(biāo)準(zhǔn)化、審定等步驟。

機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙的生成

（1）CAXA數(shù)控車制圖沒(méi)有利用尺寸驅(qū)動(dòng)與幾何約束的最先進(jìn)畫(huà)法，公式曲線指令采用二軸參數(shù)方程各表的方法；（2）加工軌跡生成零件和毛坯的部分，利用圖層設(shè)置，將中心線、尺寸線放在專用圖層內(nèi)便于隨時(shí)隱藏。（3）零件標(biāo)注可通過(guò)文字替代功能修改，但加工軌跡和程序生成按照設(shè)計(jì)圖形尺寸，單位為毫米；（4）圖幅調(diào)入填寫必以CAXA坐標(biāo)系原點(diǎn)為中心。加工中繪圖原點(diǎn)又為數(shù)控編程原點(diǎn)；一般為毛坯的右端面中心。因此設(shè)計(jì)圖紙中的零件一般是按加工原點(diǎn)尺寸設(shè)計(jì)后縮放并偏移后放在圖幅中間并注釋。

按加工工藝設(shè)計(jì)生成左右內(nèi)外加工等工藝圖

工藝圖紙的數(shù)量并無(wú)具體規(guī)定，既可按精確工藝文件管理要求，生成粗、精、切槽、螺紋、鉆孔、內(nèi)加工等單步圖紙，也可集合自動(dòng)換刀程序，單獨(dú)生成加工工藝軌跡圖；加工軌跡分四種顏色：白色為G00指令快走刀，綠色為切削用量界面內(nèi)的進(jìn)刀量速度走刀，粉紅退刀，紅色進(jìn)刀。軌跡顏色均不能修改且易混淆，因此可設(shè)計(jì)一個(gè)軌跡圖層顯示隱藏；將需要切除的毛坯部分和保留的成型部分設(shè)在不同的圖層和使用不同的顏色、線性以便加工拾??；對(duì)內(nèi)、外溝槽的繪制處理原則是：由于CAXA數(shù)控車存在不識(shí)別并跳過(guò)槽加工的缺陷，以及粗加工時(shí)內(nèi)溝槽下切的錯(cuò)誤，應(yīng)在不同的工藝圖紙中將溝槽進(jìn)行封口處理。利用圖層將溝槽和封口分開(kāi)設(shè)置隱藏；只需繪制出螺紋的大徑，不能仿設(shè)計(jì)圖紙的小徑繪制和標(biāo)注。在數(shù)控車加工時(shí)輸入螺紋牙深即可；（6）CAXA數(shù)控車2011未開(kāi)發(fā)內(nèi)螺紋、溝槽的加工，需要鏡像工藝圖紙?zhí)幚怼?/p>

2 CAXA數(shù)控車生成加工軌跡

機(jī)床類型設(shè)置。CAXA機(jī)床設(shè)置存在錯(cuò)誤必須在軌跡生成前修改。如生成FANUC數(shù)控系統(tǒng)指令時(shí)，存在明顯錯(cuò)誤：螺紋切削指令是G32不是G33；（2）螺紋加工節(jié)距是F不是K；刀具號(hào)和補(bǔ)償號(hào)位數(shù)應(yīng)默認(rèn)為2且自動(dòng)補(bǔ)足0；行結(jié)束符默認(rèn)應(yīng)為小寫的分號(hào)。

后置處理設(shè)置。后置設(shè)置程序格式和樣本，應(yīng)注意：（1）數(shù)控車程序不宜設(shè)置行數(shù)上限和允許CAXA自動(dòng)將復(fù)雜的程序分成若干個(gè)文件。用戶可自行將輪廓粗、精、溝槽、螺紋分成若干步進(jìn)行，并用手動(dòng)主、子程序連在一起；（2）未發(fā)現(xiàn)有機(jī)床和CAM軟件不識(shí)別TXT格式程序的。

刀具庫(kù)設(shè)置。該設(shè)置仍存在下列缺陷：增加刀具時(shí)軟件界面開(kāi)發(fā)遺漏了一個(gè)刀具補(bǔ)償號(hào)。這個(gè)缺陷必須在每增加一把新刀具時(shí)，必須在相應(yīng)類型的刀具庫(kù)管理的界面內(nèi)補(bǔ)充，不然程序無(wú)效；刀具名支持中文，但切槽車刀設(shè)置不穩(wěn)定；銑刀具和鉆孔車刀設(shè)置意義不大。

生成加工軌跡：指令使用分析。CAXA數(shù)控車工具欄共提供了六個(gè)車加工和六個(gè)二軸銑加工指令，車加工：（1）有固定循環(huán)指令是生成用戶較易讀懂的數(shù)控車程序，實(shí)際加工不易采用；（2）鉆孔加工指令前提是將鉆頭用刀架固定，鉆孔軌跡和程序的生成沒(méi)有意義。VNUC能仿真可做為教學(xué)的反面案例或興趣拓展；（3）指令中未開(kāi)發(fā)內(nèi)溝槽和內(nèi)螺紋的加工指令。探索其解決方法為：將內(nèi)溝槽和內(nèi)螺紋繪制完成后按CAXA坐標(biāo)系x軸（實(shí)為數(shù)控車床z軸）鏡像后生成加工程序，手動(dòng)以x一替換掉所有x即可。無(wú)輪何種內(nèi)加工都關(guān)注的是，第一要考慮起刀點(diǎn)，第二退刀一定要考慮刀具直徑和孔徑的比例。因?yàn)镃AXA仿真并不檢查內(nèi)干涉撞刀。

軌跡過(guò)程分析。以使用“輪廓粗車”指令，生成外輪廓粗加工軌跡為例，其關(guān)鍵為：（1）由后向前依次，輪廓車刀、切削用量、進(jìn)退刀方式、加工參數(shù)；（2）CAXA數(shù)控車加工對(duì)刀具前后角的表述不準(zhǔn)，主副偏角被CAXA表述為前后角，且刀具后角沒(méi)有自動(dòng)關(guān)聯(lián)加工的干涉后角，默認(rèn)干涉后角是10度；（3）相對(duì)坐標(biāo)系的位置絕對(duì)不能發(fā)生改變；（4）圓弧擬合界面內(nèi)的恒線速度和機(jī)床轉(zhuǎn)速上限設(shè)置必須符合實(shí)際，圓弧擬合的半徑越大加工精度越高；（5）拾取加工表面輪廓和毛坯輪廓時(shí)提示不封閉錯(cuò)誤，但不提示是曲線斷點(diǎn)還是重合；（6）軌跡生成最后一步進(jìn)退刀點(diǎn)實(shí)際是換刀點(diǎn)，起刀點(diǎn)由進(jìn)退刀距離決定；（7）修改軌跡參數(shù)可以利用“參數(shù)修改”指令，也可以在CAXA數(shù)控車新增了一個(gè)刀具軌跡管理指令；（8）CAXA自帶一種仿真動(dòng)畫(huà)軟件分為動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和二維實(shí)體三種模式，由于不能測(cè)量和干涉檢查，所以用其校驗(yàn)軌跡正誤幾乎沒(méi)有。

3數(shù)控代碼和工藝文件的生成

軌跡完成后須對(duì)工藝文件和程序進(jìn)行質(zhì)量管理。（1）切輪廓、槽、螺紋等多步加工合一的程序生成必須注意到如前所述的換刀點(diǎn)，同時(shí)注意每步加工在程序中的先后順序與軌跡生成的先后順序無(wú)關(guān)，即生成的程序順序由拾取軌跡的次序決定；（2）不同用于銑加工的CAXA制造工程師軟件，CAXA數(shù)控車沒(méi)有專門的工藝文件生成指令?？衫貌煌壽E的屬性生成TXT文本近似工藝文件。

4數(shù)控仿真加工及測(cè)量

CAXA數(shù)控車自帶了不能測(cè)量的仿真加工動(dòng)畫(huà)程序，同時(shí)軟件檢測(cè)自身生成的數(shù)控代碼并不可靠。用VNUC4.3數(shù)控仿真軟件檢測(cè)上步數(shù)控代碼正誤的正確過(guò)程為：（1）將CAXA工藝程序中的刀具參數(shù)（如后角），對(duì)應(yīng)在VNUC刀具庫(kù)中（對(duì)應(yīng)副偏角）；（2）按毛坯尺寸完成刀具的對(duì)刀，不同于實(shí)際VNUC每把對(duì)刀都不存在誤差；（3）分步加載CAXA生成的右外、左外、左內(nèi)數(shù)控程序并執(zhí)行加工，重點(diǎn)觀測(cè)有無(wú)進(jìn)退刀超限、撞刀等停頓報(bào)警事故；（4）完成加工后利用VNUC～，I量工具檢測(cè)加工精度誤差。如果加工表面方程樣條線的誤差不超過(guò)0.0 1 mm（或最小步長(zhǎng)的10倍左右），<2>直斜線和圓弧加工只存在刀尖半徑殘余，沒(méi)有尺寸誤差，則該程序代碼可視為切實(shí)可用的；（5）VNUC仿真軟件也可以驗(yàn)證CAXA生成的鉆孔程序。

本文將截至2013年底之前最新版本的CAXA數(shù)控車軟件和VNUC數(shù)控仿真軟件結(jié)合起來(lái)，針對(duì)不同工藝材料的機(jī)械產(chǎn)品，繪制設(shè)計(jì)，工藝出圖，生成數(shù)控程序，帶入仿真機(jī)床進(jìn)行“實(shí)操”加工，最后生成工藝文件，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)最復(fù)雜案例數(shù)控車零件的全過(guò)程無(wú)危險(xiǎn)浪費(fèi)的仿真加工校驗(yàn)。同時(shí)，也指出了CAXA數(shù)控車201 1和VNUC4.3版本的若干錯(cuò)誤和值得改進(jìn)的地方。

（作者單位：長(zhǎng)江大學(xué)文理學(xué)院機(jī)電與信息工程系）