數(shù)控加工后置處理器的實(shí)際加工時(shí)間的計(jì)算

李鐵鋼

（沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

數(shù)控加工在智能制造工程實(shí)踐中的應(yīng)用日益廣泛，由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝方案變化和程序更改等原因，對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃安排造成了極大的挑戰(zhàn)。因此，如何在數(shù)控加工前獲得精確的加工時(shí)間對(duì)于生產(chǎn)計(jì)劃的安排和生產(chǎn)進(jìn)行至關(guān)重要。

現(xiàn)今，數(shù)控程序廣泛采用CAM 軟件編制，CATIA是廣泛使用的智能數(shù)控加工輔助編程軟件，主要用于數(shù)控銑、數(shù)控車和車銑復(fù)合等加工，在傳統(tǒng)的汽車、航空航天、模具和機(jī)械制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1-2］。CATIA 編程時(shí)需要經(jīng)過(guò)后置處理生成與具體的機(jī)床結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)的加工程序。CATIA 不具有后置處理功能，需要利用其生成的ASCII 碼文本型前置刀位文件，再結(jié)合VB.net 等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行字符處理，生成機(jī)床加工所用的數(shù)控程序。

在后置處理階段的同時(shí)，計(jì)算出機(jī)床的實(shí)際切削時(shí)間將給后來(lái)進(jìn)行的工藝安排和生產(chǎn)組織提供數(shù)據(jù)支撐，但是從現(xiàn)有數(shù)控加工工程實(shí)踐上看，單純根據(jù)設(shè)定的切削進(jìn)給速率計(jì)算所得的加工時(shí)間與實(shí)際切削時(shí)間有很大的差異，需要研究后置處理器實(shí)際切削時(shí)間的計(jì)算方法和實(shí)現(xiàn)路徑。

本文針對(duì)CATIA 前置文件，提出了后置處理精確加工時(shí)間的計(jì)算方法，并研究了運(yùn)動(dòng)路線處理和模塊軟件開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)。

1 實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 機(jī)床加減速

以典型的西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)為例，機(jī)床在運(yùn)動(dòng)進(jìn)給過(guò)程中，特別是在日益廣泛發(fā)展的高速切削加工中，為了保障機(jī)床運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，提高機(jī)床的使用壽命，縮短機(jī)床運(yùn)動(dòng)的過(guò)渡時(shí)間，在單一程序段的恒定切削進(jìn)給速度下，需要有一定的加減速階段，通常導(dǎo)致時(shí)間計(jì)算的誤差。

常用的機(jī)床加減速性能曲線通常俗稱為S 曲線加減速，此方法運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可靠性高，如圖1 所示。在一個(gè)程序段中的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)間由加加速時(shí)間T1、勻加速段時(shí)間T2、減加速段時(shí)間T3、勻速段時(shí)間T4、加減速段時(shí)間T5、勻減速段時(shí)間T6和減減速段時(shí)間T7組成，即：

圖1 S曲線加減速特性

開發(fā)的數(shù)控加工后置處理器需要獲得數(shù)控系統(tǒng)的加工參數(shù)，現(xiàn)代企業(yè)內(nèi)部通常采用局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息的集成，后置處理器可以通過(guò)獲得機(jī)床當(dāng)前系統(tǒng)參數(shù)來(lái)計(jì)算具體加工時(shí)間。

1.2 直線插補(bǔ)時(shí)間

設(shè)α是機(jī)床最大加速度，J是機(jī)床的最大加加速度，Si（i=1,2,…,7）為每個(gè)階段的路程，分別對(duì)應(yīng)于T1～T7的各階段，Vi（i=1,2,…,7）為每個(gè)階段的速度，F(xiàn)為編程進(jìn)給速率，則對(duì)于直線插補(bǔ)求得的各階段速度有［3-4］：

每個(gè)程序段的路線長(zhǎng)度可以直接由前置文件的字符直接分解的線段首末點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算得到。假設(shè)直線開始點(diǎn)為ls(xs,ys,zs)，直線終止點(diǎn)為le(xe,ye,ze)，則直線的位移d為

由以上各式聯(lián)立即可求得本移動(dòng)程序段的加工時(shí)間。

1.3 圓弧插補(bǔ)

圓弧插補(bǔ)如圖2 所示。以平面內(nèi)的圓弧為例，進(jìn)行圓弧插補(bǔ)前的刀位點(diǎn)為P1(x1,y1,z1)，此點(diǎn)即為圓弧插補(bǔ)的起點(diǎn)。由圓弧APT 語(yǔ)句得到圓弧插補(bǔ)的圓心坐標(biāo)為O(x0,y0,z0)，圓弧的終點(diǎn)坐標(biāo)為P2(x2,y2,z2)。

圖2 圓弧插補(bǔ)

設(shè)圓弧的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的圓心角為β，圓弧的半徑為R，則計(jì)算如下：

設(shè)數(shù)控編程時(shí)給定的進(jìn)給速度為F，機(jī)床允許的最大加速度為α，最大加加速度為J，則實(shí)際進(jìn)給速度V為

1.4 固定循環(huán)

固定循環(huán)程序用來(lái)進(jìn)行鉆孔、鏜孔和攻絲等加工，用一條格式化的指令實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的加工動(dòng)作，可以簡(jiǎn)化程序段。經(jīng)典數(shù)控系統(tǒng)的固定循環(huán)只能加工孔軸線為Z軸方向的孔。

Z軸方向孔固定循環(huán)使用CYCLE81-90系列指令，需要在CATIA 軟件的PPWORD 中定義前置指令格式，而后轉(zhuǎn)化為經(jīng)典的鉆孔循環(huán)指令。固定循環(huán)的指令復(fù)雜，需要針對(duì)具體問題進(jìn)行詳細(xì)的路徑計(jì)算，而其插補(bǔ)指令為直線，時(shí)間的計(jì)算方法同前述，只需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)路線的計(jì)算即可。以經(jīng)典的CYCLE81 指令為例，其格式為CYCLE81（RTP，RFP，SDIS，DP，DPP），如圖3 所示。RTP 為返回平面的絕對(duì)值；RFP 為參考平面的絕對(duì)值；SDIS 為安全距離（無(wú)符號(hào)）；DP為鉆孔深度的絕對(duì)值；DPR 為孔深相對(duì)RFP 的值，不可同DP 一起給定。在計(jì)算路徑時(shí)，需要計(jì)算3 段路徑的時(shí)間總和，其中深色箭頭路徑為G01加工，2段淺色箭頭為G00加工。

圖3 CYCLE81循環(huán)

1.5 轉(zhuǎn)接路徑處理

數(shù)控銑床為輪廓控制類機(jī)床，如圖4 所示。通過(guò)在轉(zhuǎn)接處添加小圓弧半徑r保證所有的軌跡光滑、連續(xù)，并且改善控制特性，此功能由G64指令實(shí)現(xiàn)。通過(guò)各個(gè)軸所允許的最大偏差來(lái)確定圓弧過(guò)渡區(qū)域與理論直線插補(bǔ)之間的最大誤差Tmax，根據(jù)Tmax和兩直線插補(bǔ)之間的夾角來(lái)確定過(guò)渡圓弧半徑，再根據(jù)圓弧插補(bǔ)原理確定過(guò)渡圓弧處的最大進(jìn)給速度，從而避免轉(zhuǎn)角處的停頓。假設(shè)兩直線插補(bǔ)夾角的角度為γ，則有：

圖4 G64轉(zhuǎn)接輪廓處理

2 軟件開發(fā)和實(shí)例驗(yàn)證

利用VB.net 2010 開發(fā)了Heller 機(jī)床后置處理系統(tǒng)軟件，該軟件即能處理三軸加工程序，也能處理五軸加工程序，其中的時(shí)間處理模塊的算法流程如圖5所示［5］。

為驗(yàn)證時(shí)間計(jì)算精度，選擇了1 個(gè)典型零件的10個(gè)工序在某機(jī)床上進(jìn)行測(cè)試。理論時(shí)間、計(jì)算時(shí)間和實(shí)際時(shí)間，如表1 所示。其誤差范圍在90%以內(nèi)，滿足時(shí)間計(jì)算精度要求。

圖5 算法流程

表1 加工時(shí)間對(duì)比 min

再選擇有5個(gè)工序的典型零件B，生成不同的3臺(tái)數(shù)控銑床的加工程序，分別在3 臺(tái)數(shù)控設(shè)備上正式加工，同時(shí)記錄實(shí)際的工序加工時(shí)間，畫出工序-時(shí)間曲線，如圖6 所示。由曲線圖上可以看出誤差率均在10%以內(nèi)。

圖5 不同機(jī)床工序-時(shí)間對(duì)比

3 結(jié)論

數(shù)控機(jī)床加工時(shí)間的計(jì)算對(duì)于生產(chǎn)計(jì)劃的安排非常重要，本文提出了后置處理時(shí)計(jì)算加工時(shí)間的方法，結(jié)合實(shí)時(shí)獲取機(jī)床參數(shù)，針對(duì)不同類型加工程序給出了具體的計(jì)算公式。

利用VB.net 語(yǔ)言開發(fā)了基于CATIA 軟件刀位文件的專用后置處理器的實(shí)際加工時(shí)間計(jì)算模塊，通過(guò)分析和實(shí)際切削加工證明了該時(shí)間計(jì)算模塊的方法的正確性和可行性。本文所提出的方法具有通用性，為其他后置處理器的開發(fā)提供了有益的借鑒。

本產(chǎn)品已經(jīng)在某典型企業(yè)得到了應(yīng)用，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)安排起到了很大的作用，提高了企業(yè)的制造效率。