基于 CAXA的非圓弧曲面車(chē)床零件工藝改進(jìn)

顧麗敏

介紹了應(yīng)用 CAXA數(shù)控車(chē)軟件對(duì)非圓弧曲面的車(chē)床零件進(jìn)行工藝制定及加工的方法，包括零件的外形輪廓建模，毛坯建模，曲面輪廓粗精車(chē)加工的參數(shù)設(shè)置及軌跡仿真，并將軟件生成的刀具軌跡 G代碼傳輸至 FANUC系統(tǒng)的 CK6140數(shù)控車(chē)床，實(shí)現(xiàn)零件的車(chē)床實(shí)際加工。經(jīng)實(shí)踐證明，通過(guò)采用 CAXA數(shù)控車(chē)軟件對(duì)非圓弧輪廓曲面零件進(jìn)行自動(dòng)編程加工，可以較好地改進(jìn)零件的加工工藝，在提高加工質(zhì)量的同時(shí)縮短編程時(shí)間，提高產(chǎn)品的加工效率。

一、引言

數(shù)控車(chē)床一般用來(lái)加工軸類或者盤(pán)類的回轉(zhuǎn)體零件，對(duì)于一些簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)體類零件，其輪廓主要由直線和圓弧曲線構(gòu)成，采用編程指令 G01、G02和 G03來(lái)實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于一些輪廓較為復(fù)雜的零件，尤其是用方程描述的列表曲線類零件，如拋物線、橢圓等外輪廓，編程人員只能利用宏程序進(jìn)行編程加工，但宏程序涉及很多的變量參數(shù)設(shè)定和復(fù)雜的循環(huán)及跳轉(zhuǎn)程序結(jié)構(gòu)，計(jì)算復(fù)雜且工作效率低。若采用軟件自動(dòng)編程方法，則可以明顯提高編程效率，優(yōu)化加工工藝，尤其是在外形輪廓是非圓弧的復(fù)雜曲面編程中，更能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。下面通過(guò)非圓二次曲線輪廓零件的數(shù)控編程來(lái)介紹CAXA數(shù)控車(chē)在自動(dòng)編程中的具體應(yīng)用。

二、二次曲線輪廓零件分析

1.手工編程難點(diǎn)分析

在一些有特殊要求的非圓弧曲線輪廓零件中，其外輪廓曲線非一般簡(jiǎn)單圓弧面所構(gòu)成，而是用方程描述的列表曲線方程所構(gòu)成，例如雙曲線方程、橢圓方程或者是拋物線方程。如圖 1和圖 2所示。

對(duì)于上述具有二次曲線輪廓的車(chē)床零件，編程人員一般都需要通過(guò)宏程序?qū)崿F(xiàn)，通過(guò)設(shè)置變量參數(shù)，用 G01程序語(yǔ)言嵌套在循環(huán)、判斷及跳轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)中，以直線插補(bǔ)原理擬合計(jì)算處理后實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輪廓曲線的程序編制。宏程序往往具有一定的局限性，一方面利用宏程序編程時(shí)，要求編程人員懂得計(jì)算機(jī)語(yǔ)言方面的知識(shí)，例如變量的設(shè)定，循環(huán)語(yǔ)句、判斷語(yǔ)句及跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句的格式、程序的調(diào)試等，對(duì)編程員技術(shù)水平要求較高；另一方面由于二次非圓弧曲線的原點(diǎn)與編程原點(diǎn)不重合，導(dǎo)致在手工編程時(shí)需要進(jìn)行加工坐標(biāo)平移計(jì)算，影響編程的工作效率。

2.二次曲線輪廓的工藝分析

（1）零件圖分析。

如圖 3所示，該零件的外輪廓線由直線、橢圓以及兩段圓弧所構(gòu)成，其編程加工的難點(diǎn)在于由橢圓外輪廓線、 R25的圓弧段和 R40的圓弧段相切形成的光滑外圓面的編程計(jì)算。若使用手工編程，需要借助計(jì)算機(jī)輔助繪圖來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置，同時(shí)需要利用宏程序語(yǔ)言完成橢圓段曲線的程序編制，工作量較大且加工效率低。

因此利用 CAXA數(shù)控車(chē)對(duì)該零件進(jìn)行自動(dòng)編程以改進(jìn)零件的加工工藝，可以取得較好的加工效果。零件的三維實(shí)體造型如圖 4所示。

（2）零件加工工藝分析。

該零件在實(shí)際加工時(shí)首先夾持右端，加工左端輪廓線至 Φ50的外圓面處，之后掉頭裝夾在 Φ50外圓面處加工右端輪廓線及寬為 4mm的槽加工，右端的加工難點(diǎn)就在于 R25、 R40及橢圓段的外輪廓編程，下面著重介紹基于CAXA數(shù)控車(chē)軟件的外輪廓的粗、精加工編程。

①確定毛坯及裝夾方式。根據(jù)零件圖選毛坯為 Φ90×265的圓棒料，材料為45鋼。使用液壓卡盤(pán)夾緊工件，伸出右端加工長(zhǎng)度，精車(chē)右端面保證總長(zhǎng)的同時(shí)建立編程坐標(biāo)系，以工件 Φ30右端面的中心為編程原點(diǎn)。

②確定數(shù)控刀具及切削用量。根據(jù)該零件右端外輪廓的加工要求，選擇刀具及切削用量如表 1所示。

三、CAXA數(shù)控車(chē)的加工設(shè)置

1.毛坯及外輪廓的建模

在 CAXA數(shù)控車(chē)軟件中對(duì)加工對(duì)象進(jìn)行輪廓建模時(shí)，需要同時(shí)給出毛坯輪廓和加工對(duì)象的外輪廓。如圖 5所示，虛線所示的為零件毛坯輪廓線框，實(shí)線所示為被加工外輪廓曲線。在零件輪廓建模時(shí)，只需要給出加工軌跡輪廓，無(wú)需繪制完整的零件圖。另外寬 4mm的槽加工在輪廓線加工結(jié)束后利用槽加工命令完成，因此在外輪廓粗精加工時(shí)忽略槽的輪廓線，最右端只需要繪制Φ30×40的外圓面尺寸線即可。

CAXA數(shù)控車(chē)軟件在提供繪制輪廓線命令的同時(shí)，也給出了較好的文件轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入功能。可以在 CAXA電子圖板軟件中完成輪廓圖的繪制，經(jīng) CAXA數(shù)控車(chē)中的數(shù)據(jù)輸入到 CAXA數(shù)控車(chē)的界面中。

2.零件外輪廓加工

（1）外輪廓粗車(chē)加工。

輪廓粗車(chē)功能主要用于對(duì)工件外輪廓表面、內(nèi)輪廓表面和端面的粗車(chē)加工，用于快速消除毛坯多余部分加工軌跡的生成、軌跡仿真以及數(shù)控代碼的提取。進(jìn)行輪廓粗車(chē)操作時(shí)，要確定被加工輪廓和毛坯輪廓。被加工輪廓就是加工結(jié)束后的工件表面輪廓，毛坯輪廓就是加工前毛坯的表面輪廓。作圖時(shí)，一定要注意被加工輪廓和毛坯輪廓必須兩端點(diǎn)相連，兩輪廓共同構(gòu)成一個(gè)封閉的加工區(qū)域，在此區(qū)域的材料將被加工去除，同時(shí)被加工輪廓和毛坯輪廓不能單獨(dú)閉合或者自相交。

根據(jù)加工工藝中先粗后精的加工工藝原則，首先對(duì)零件右端的外輪廓進(jìn)行粗車(chē)加工，單擊 CAXA數(shù)控車(chē)工具欄上的“輪廓粗車(chē)”圖標(biāo)，根據(jù)加工要求填寫(xiě)各項(xiàng)加工參數(shù)、進(jìn)退刀方式、切削用量的粗車(chē)參數(shù)表。在 CAXA數(shù)控車(chē)軟件中，只有默認(rèn)的一把 Lt0的車(chē)刀，因此需要根據(jù)實(shí)際情況添加粗車(chē)所需外輪廓車(chē)刀，并設(shè)置相應(yīng)的刀具參數(shù)。粗車(chē)加工參數(shù)和輪廓車(chē)刀選取如圖 6和圖 7所示。

在合理設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)之后，根據(jù)系統(tǒng)提示分別拾取圖 5中的被加工輪廓和毛坯輪廓。系統(tǒng)默認(rèn)拾取方式為鏈?zhǔn)叭?，這樣會(huì)將毛坯輪廓和被加工輪廓混在一起，因此需要單擊空格鍵切換拾取方式，采用單個(gè)拾取或者限制鏈?zhǔn)叭〉姆绞?，確定圖 5中的被加工輪廓線（實(shí)線顯示部分），之后確定毛坯輪廓，即圖 5中的虛線部分。這樣被加工輪廓線與毛坯輪廓線所封閉的區(qū)域即為去除材料的部分，最后按照系統(tǒng)提示確定刀具的進(jìn)退刀點(diǎn)，系統(tǒng)則自動(dòng)生成粗車(chē)外輪廓的刀具軌跡圖，如圖 8所示。

（2）外輪廓精車(chē)加工。

輪廓精車(chē)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件外輪廓表面、內(nèi)輪廓表面和端面的精車(chē)加工。輪廓精車(chē)時(shí)，只需要確定加工輪廓，無(wú)需確定毛坯輪廓。被加工輪廓就是加工結(jié)束后的工件表面輪廓，被加工輪廓不能閉合或自相交。外輪廓的精車(chē)與粗車(chē)設(shè)置相似，只是將加工參數(shù)適當(dāng)改變，用其余采用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置，此處不贅述。

（3）外輪廓的粗精加工軌跡仿真及程序生成。

在 CAXA數(shù)控車(chē)軟件中生成的粗、精加工刀具軌跡，可以進(jìn)行模擬仿真，以驗(yàn)證加工程序的正確性。具體操作如下：?jiǎn)螕魯?shù)控車(chē)工具欄中的“軌跡仿真”圖標(biāo)，CAXA數(shù)控車(chē)系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行軌跡仿真。選擇“二維實(shí)體”、“缺省毛坯輪廓”方式。根據(jù)系統(tǒng)提示，拾取已經(jīng)生成的粗、精加工刀具軌跡，系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行仿真。通過(guò)軌跡仿真，觀察刀具走刀路線以及是否存在干涉及過(guò)切現(xiàn)象。圖 9為外輪廓粗精加工后的仿真結(jié)果示意圖，圖 10為切槽加工后的最終加工效果圖。

程序 G代碼生成是根據(jù)當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)的配置要求，把刀軌路徑的走刀路線轉(zhuǎn)化成 G代碼數(shù)據(jù)文件，即自動(dòng)生成CNC數(shù)控程序，具體操作過(guò)程如下。

運(yùn)行主菜單中的數(shù)控車(chē) -代碼生成命令，或者單擊數(shù)控車(chē)工具欄中的“代碼生成”圖標(biāo)，填寫(xiě)“后置文件”對(duì)話框的相關(guān)參數(shù)，保存后置文件（*.cut）的地址，輸入程序名稱，之后單擊“打開(kāi)”按鈕，在加工區(qū)域拾取所需的刀具路徑軌跡，系統(tǒng)自動(dòng)生成“記事本”文件，即為生成的數(shù)控G代碼程序。圖 11為該零件粗加工的部分程序代碼。

3.機(jī)床設(shè)置及程序后置處理

當(dāng)采用自動(dòng)編程時(shí)，經(jīng)過(guò)刀具走刀路徑計(jì)算產(chǎn)生刀位文件，然后通過(guò)后置處理轉(zhuǎn)換成為可用于實(shí)際加工的 G代碼程序。CAXA數(shù)控車(chē)具有靈活多樣的通用型后置處理模塊，針對(duì)不同類型的數(shù)控系統(tǒng)，可以根據(jù)機(jī)床類型修改后置處理文件，包括刀位走刀路徑的點(diǎn)位坐標(biāo)，刀具信息、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量等相關(guān)信息，修改后輸出至相應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)中，用于實(shí)際車(chē)床的加工操作。以法蘭克系統(tǒng)的數(shù)控車(chē)床為例，打開(kāi)軟件選擇機(jī)床設(shè)置選項(xiàng)卡，增加機(jī)床，設(shè)置相應(yīng)的數(shù)控代碼，數(shù)控程序格式參數(shù)。程序格式參數(shù)包括程序說(shuō)明、程序頭和程序尾等內(nèi)容。

（1）設(shè)置方式：宏指令設(shè)置程序格式參數(shù)，其中宏指令為：$+宏指令串。

（2）程序說(shuō)明：記錄程序的名稱、編制日期等信息。代碼設(shè)置為：O$POST_CODE。

（3）程序頭：數(shù)控程序開(kāi)頭部分都相對(duì)固定，包括工件坐標(biāo)系設(shè)置，絕對(duì)坐標(biāo)設(shè)置、主軸啟動(dòng)，以及冷卻液開(kāi)啟等，代碼設(shè)置為：$DCMP_OFF $ $G21 $ $WCOORD$ $G90 @$CHANGE_TOOL $TOOL_NO$COMP_NO @$SPN_F$SPN_SPEED $ $SPN_CW @$COOL_ON。

四、結(jié)語(yǔ)

采用 CAXA數(shù)控車(chē)軟件對(duì)二次非圓弧曲線類零件進(jìn)行造型、輪廓設(shè)計(jì)、仿真加工及程序后置處理，避免了手工編程中復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)計(jì)算，可縮短編程所需的輔助時(shí)間，使得產(chǎn)品的加工工藝得到優(yōu)化，提高了編程的效率，降低生產(chǎn)成本，因此可廣泛應(yīng)用于制造類企業(yè)的新品研發(fā)生產(chǎn)中。 IM