數(shù)控車床自動(dòng)編程管理論文

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0.引言

數(shù)控編程是把零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數(shù)、機(jī)床的運(yùn)動(dòng)以及刀具位移等內(nèi)容,按照數(shù)控機(jī)床的編程格式和能識(shí)別的語(yǔ)言記錄在程序單上的全過程。程序編制的方法主要有手工編程和自動(dòng)編程兩類。近年來(lái)數(shù)控技術(shù)發(fā)展得十分迅速,數(shù)控機(jī)床特別是數(shù)控車床的普及率越來(lái)越高,但是,數(shù)控車床在加工過程中遇到輪廓較復(fù)雜的零件時(shí),用人工編寫數(shù)控程序要花費(fèi)大量的時(shí)間,且易出錯(cuò)[1,2]。采用CAD/CAM集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工程序的圖形化自動(dòng)編程是當(dāng)今的主流[3]。目前國(guó)外有許多高檔的CAD軟件,如Pro/E、UGⅡ、IDEAS、MasterCAM、Cimatron等,均有性能良好的CAM模塊,可利用其三維實(shí)體數(shù)據(jù)生成NC程序。但這些軟件較難掌握,且價(jià)格昂貴。而國(guó)內(nèi)一些基于Autodesk公司的AutoCAD軟件為支撐平臺(tái)研制的自動(dòng)編程系統(tǒng)中[4,5],較多的方法是由AutoCAD生成零件加工圖形,從而生成DXF格式文件,然后,系統(tǒng)通過對(duì)DXF圖形文件進(jìn)行分析,讀取數(shù)控加工所需的零件幾何信息。國(guó)內(nèi)也有基于圖形的數(shù)控車床自動(dòng)編程系統(tǒng)的研究[6,7],但還未見具體軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)采用自行開發(fā)的二維圖形軟件包實(shí)現(xiàn)加工零件輪廓的圖形描述,經(jīng)過工序劃分以及加工工藝參數(shù)的人機(jī)交互式輸入,實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工程序直接從圖形到程序的自動(dòng)編程。

1.系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)和功能

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊的組成框圖如圖1所示,主要由以下模塊組成:

(1)加工工藝規(guī)劃模塊。此模塊根據(jù)數(shù)控加工工藝特點(diǎn),將其分解為開口槽腔、閉口槽腔、端面車削、螺紋、切斷等工步(開口槽腔、閉口槽腔、螺紋分別有外圓和內(nèi)孔之分)。任何車削加工零件的外形輪廓加工工藝都可以拆分為以上工步。每一工步都有粗、精加工,可以通過工序管理器來(lái)實(shí)行加工程序的合并。

(2)特征圖元繪制模塊。此模塊具有簡(jiǎn)單的CAD造型功能,能夠完成零件二維輪廓的繪制。

同時(shí)在刀位軌跡生成以后能夠?qū)崿F(xiàn)軌跡的圖形仿真顯示。

(3)工藝參數(shù)設(shè)定模塊。此模塊對(duì)各種加工工藝參數(shù)進(jìn)行交互式輸入,包括起刀點(diǎn)、進(jìn)退刀矢量、加工余量、切削深度、進(jìn)給量、切削速度以及機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)。

(4)刀位軌跡生成模塊。此模塊根據(jù)所選擇的工步以及走刀方式,自動(dòng)生成刀位軌跡。

(5)G代碼生成模塊。此模塊將系統(tǒng)生成的刀位軌跡轉(zhuǎn)換為數(shù)控車床加工G代碼程序并以文本文檔的形式輸出。

2.零件輪廓的表達(dá)以及圖形輸入

數(shù)控車床加工的零件多以軸類及盤類零件為主,盡管這些待加工零件是真三維的,但是在實(shí)際加工中,一般都是二維的,即刀具在一次切削過程中始終在X-Z平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。因此,本系統(tǒng)可以用直線、圓弧來(lái)完成加工零件輪廓的二維描述。

2.1零件輪廓的表達(dá)

數(shù)控車床加工的零件,其表面輪廓段一般都由直線和圓弧等構(gòu)成,針對(duì)這種情況建立了零件輪廓的統(tǒng)一表達(dá)模型,將構(gòu)成零件輪廓的各輪廓段統(tǒng)一用輪廓邊界點(diǎn)表示,這樣便可以建立整體輪廓的統(tǒng)一描述。可以認(rèn)為零件的整體輪廓均是由直線和圓弧構(gòu)成的,對(duì)于自由曲線,可以根據(jù)自由曲線輪廓段的表面粗糙度要求,采用有理B樣條插值算法將其離散為一系列直線段。

把構(gòu)成輪廓表面的各輪廓統(tǒng)一稱為邊界點(diǎn),那么整條輪廓便是由多個(gè)首尾相連接的邊界點(diǎn)所組成,每一邊界點(diǎn)內(nèi)含有一個(gè)描述邊界性質(zhì)的幾何點(diǎn)點(diǎn)集。直線是一個(gè)包含兩個(gè)幾何點(diǎn)(起點(diǎn)和終點(diǎn))點(diǎn)集的邊界點(diǎn);圓弧是一個(gè)包含3個(gè)幾何點(diǎn)(起點(diǎn)、終點(diǎn)和圓心)點(diǎn)集的邊界點(diǎn),由于三點(diǎn)不能唯一確定一條圓弧,因此,可以再加上圓弧的旋轉(zhuǎn)方向(順時(shí)針或者逆時(shí)針)來(lái)確定圓弧。本系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)編程語(yǔ)言Python開發(fā)[6,7],在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上采用

Python語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類型列表來(lái)表示一個(gè)輪廓段的邊界點(diǎn)。如圖2(a)所示的零件輪廓段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為:Part=[(′Line′,[(2010,12010),(381366,861405)]),(′Oval1′,[0,(381366,861405),(811176,1021418),(591198,621341)]),(′Oval1′,[1,(591198,621341),(461535,381039),(721116,471866)]),(′Line′,[(721116,471866),(821156,201065),(1411307,201065)])]。其中,直線的標(biāo)志為‘Line’;圓弧的標(biāo)志為‘Oval1’,圓弧后面的點(diǎn)集列表中的1表示順圓,0表示逆圓。

2.2圖形輸入

零件幾何圖素的輸入主要包括點(diǎn)、線、圓的輸入,通過系統(tǒng)給出的繪圖工具在繪圖區(qū)繪出。如點(diǎn)可以通過鍵盤形式進(jìn)行參數(shù)輸入,也可以直接通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊輸入。系統(tǒng)提供了直線和圓弧的繪圖工具。直線主要通過兩點(diǎn)來(lái)生成,選取直線的繪圖工具以后,在繪圖區(qū)直接鼠標(biāo)點(diǎn)擊就可以生成直線,連續(xù)點(diǎn)擊將生成首尾相連的多條直線。圓弧的繪圖工具包括三點(diǎn)圓弧(起點(diǎn)、終點(diǎn)和圓心)以及兩點(diǎn)半徑圓弧(起點(diǎn)、終點(diǎn)和半徑),通過圓弧的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)最終確定為順時(shí)針圓弧還是逆時(shí)針圓弧。

幾何元素輸入后分別以點(diǎn)線圓的標(biāo)準(zhǔn)形式存放于幾何參數(shù)表中,其中點(diǎn)的記錄內(nèi)容為坐標(biāo)值(X,Y),直線和圓弧的記錄內(nèi)容如上文所述。這些數(shù)據(jù)都以列表的形式存放在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。圖2所示為本系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控車削加工工藝劃分的開口槽腔和閉口槽腔的圖形顯示,其中開口槽腔定義為用水平線與零件輪廓線求交時(shí)有且只有一個(gè)交點(diǎn)的輪廓形狀,閉口槽腔則只有兩個(gè)交點(diǎn)。

零件輪廓數(shù)據(jù)輸入后往往需要進(jìn)行修改,可利用圖形編輯菜單項(xiàng)中的撤消、重畫、刪除等功能最終形成該零件的加工輪廓圖形。直線和直線相交的地方,可以進(jìn)行倒角處理,在作圖過程中,選擇倒角功能,可以通過數(shù)據(jù)顯示功能來(lái)選擇倒角方式(直線倒角還是圓弧倒角),輸入倒角的參數(shù)最終實(shí)現(xiàn)倒角。

3.刀位軌跡和G代碼程序的生成

刀位軌跡以及G代碼生成是本系統(tǒng)的核心部分,根據(jù)前面所述的工步劃分,選擇合適的工步,繪制零件的加工表面二維輪廓圖形,可以使用系統(tǒng)工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)提供的預(yù)設(shè)加工工藝參數(shù),也可以通過人機(jī)交互方式完成工藝參數(shù)的輸入。同時(shí)也可以修改某一工藝中的刀具參數(shù)、切削參數(shù)等。數(shù)控加工中為減少多次安裝帶來(lái)的安裝誤差,一般采用一次安裝。

對(duì)那些需要調(diào)頭加工的部位采用右偏刀反向走刀切削,此外,對(duì)于端面處的開口槽腔,加工時(shí)可以選擇向下的切削方向。因此加工時(shí)的切削方向分為向左、向右和向下的切削方向。

在刀位軌跡規(guī)劃中,粗加工的刀位軌跡規(guī)劃是關(guān)鍵,精加工只是刀具沿著輪廓線走刀,因此其刀位軌跡的生成算法僅僅是加工零件表面曲線的偏置,圖3所示為開口槽腔加工時(shí)的刀位軌跡生成程序框圖。而粗加工往往還跟零件的毛坯形狀有關(guān),本系統(tǒng)可以繪制外圓以及內(nèi)孔加工時(shí)的毛坯輪廓曲線,跟零件輪廓曲線結(jié)合而確定加工區(qū)域。根據(jù)加工參數(shù)中的起刀點(diǎn)、加工余量、進(jìn)退刀矢量等參數(shù),用水平線與加工區(qū)域求交,求得的交點(diǎn)即為刀具刀尖的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)。

在點(diǎn)擊主界面上的生成G代碼的按鈕后可以將生成刀位軌跡和G代碼程序顯示在界面上,并可以將零件信息、毛坯信息、加工工藝參數(shù)和G代碼程序一起用文本文件保存下來(lái)。如圖4所示,主界面左邊顯示的就是圖3中的開口和閉口槽腔沿負(fù)Z軸方向水平切削的刀位軌跡,右下角顯示的是生成的G代碼程序。

4.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)是一個(gè)CAD/CAM集成的數(shù)控車床自動(dòng)編程軟件,只要按照本系統(tǒng)所劃分的數(shù)控車削加工工步,將待加工零件進(jìn)行工藝規(guī)劃,分解成各種工步,每個(gè)工步都可以單獨(dú)生成可用的加工程序,也可以通過本系統(tǒng)的工序管理器模塊進(jìn)行工步合并,生成一個(gè)總的G代碼文件。本系統(tǒng)集繪制圖形、工藝參數(shù)處理、刀位軌跡和G代碼生成于一體,具有學(xué)習(xí)、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

隨著基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究越來(lái)越深入,以Windows以及Linux為平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)必將得到更為廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)以華中數(shù)控有限公司生產(chǎn)的HNC-21/22世紀(jì)星系列數(shù)控車床為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。采用Python語(yǔ)言編寫[5,6],可以在Windows和Linux等多種操作系統(tǒng)平臺(tái)下使用。本系統(tǒng)既可以作為開放式數(shù)控系統(tǒng)的編程模塊,也可以自成體系作為CAD/CAM軟件以及離線編程系統(tǒng)使用,因此具有良好的應(yīng)用前景。