數控車(chē)床的自動(dòng)編程管理論文
引言
數控編程是把零件的圖形尺寸、工藝過(guò)程、工藝參數、機床的運動(dòng)以及刀具位移等內容,按照數控機床的編程格式和能識別的語(yǔ)言記錄在程序單上的全過(guò)程。程序編制的方法主要有手工編程和自動(dòng)編程兩類(lèi)。近年來(lái)數控技術(shù)發(fā)展得十分迅速,數控機床特別是數控車(chē)床的普及率越來(lái)越高,但是,數控車(chē)床在加工過(guò)程中遇到輪廓較復雜的零件時(shí),用人工編寫(xiě)數控程序要花費大量的時(shí)間,且易出錯[1,2]。采用CAD/CAM集成技術(shù)實(shí)現數控加工程序的圖形化自動(dòng)編程是當今的主流[3]。目前國外有許多高檔的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)體數據生成NC程序。但這些軟件較難掌握,且價(jià)格昂貴。而國內一些基于A(yíng)utodesk公司的AutoCAD軟件為支撐平臺研制的自動(dòng)編程系統中[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,系統通過(guò)對DXF圖形文件進(jìn)行分析,讀取數控加工所需的零件幾何信息。國內也有基于圖形的數控車(chē)床自動(dòng)編程系統的研究[6,7],但還未見(jiàn)具體軟件系統的實(shí)現。
本系統采用自行開(kāi)發(fā)的二維圖形軟件包實(shí)現加工零件輪廓的圖形描述,經(jīng)過(guò)工序劃分以及加工工藝參數的人機交互式輸入,實(shí)現了數控加工程序直接從圖形到程序的自動(dòng)編程。
1.系統框架結構和功能
本系統結構模塊的組成框圖如圖1所示,主要由以下模塊組成:
(1)加工工藝規劃模塊。此模塊根據數控加工工藝特點(diǎn),將其分解為開(kāi)口槽腔、閉口槽腔、端面車(chē)削、螺紋、切斷等工步(開(kāi)口槽腔、閉口槽腔、螺紋分別有外圓和內孔之分)。任何車(chē)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(guò)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實(shí)現軌跡的圖形仿真顯示。
(3)工藝參數設定模塊。此模塊對各種加工工藝參數進(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、切削速度以及機床主軸轉速等工藝參數。
(4)刀位軌跡生成模塊。此模塊根據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。此模塊將系統生成的刀位軌跡轉換為數控車(chē)床加工G代碼程序并以文本文檔的形式輸出。
2.零件輪廓的表達以及圖形輸入
數控車(chē)床加工的零件多以軸類(lèi)及盤(pán)類(lèi)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(guò)程中始終在X-Z平面內運動(dòng)。因此,本系統可以用直線(xiàn)、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
數控車(chē)床加工的零件,其表面輪廓段一般都由直線(xiàn)和圓弧等構成,針對這種情況建立了零件輪廓的統一表達模型,將構成零件輪廓的各輪廓段統一用輪廓邊界點(diǎn)表示,這樣便可以建立整體輪廓的統一描述�？梢哉J為零件的整體輪廓均是由直線(xiàn)和圓弧構成的,對于自由曲線(xiàn),可以根據自由曲線(xiàn)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(xiàn)段。
把構成輪廓表面的各輪廓統一稱(chēng)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)內含有一個(gè)描述邊界性質(zhì)的幾何點(diǎn)點(diǎn)集。直線(xiàn)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方向(順時(shí)針或者逆時(shí)針)來(lái)確定圓弧。本系統采用面向對象的計算機編程語(yǔ)言Python開(kāi)發(fā)[6,7],在數據結構上采用
Python語(yǔ)言的數據類(lèi)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據結構為: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(xiàn)的標志為‘Line’;圓弧的標志為‘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(xiàn)、圓的輸入,通過(guò)系統給出的繪圖工具在繪圖區繪出。如點(diǎn)可以通過(guò)鍵盤(pán)形式進(jìn)行參數輸入,也可以直接通過(guò)鼠標點(diǎn)擊輸入。系統提供了直線(xiàn)和圓弧的繪圖工具。直線(xiàn)主要通過(guò)兩點(diǎn)來(lái)生成,選取直線(xiàn)的繪圖工具以后,在繪圖區直接鼠標點(diǎn)擊就可以生成直線(xiàn),連續點(diǎn)擊將生成首尾相連的多條直線(xiàn)。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(guò)圓弧的旋轉方向來(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(xiàn)圓的標準形式存放于幾何參數表中,其中點(diǎn)的記錄內容為坐標值(X,Y),直線(xiàn)和圓弧的記錄內容如上文所述。這些數據都以列表的形式存放在計算機的內存中。圖2所示為本系統根據數控車(chē)削加工工藝劃分的開(kāi)口槽腔和閉口槽腔的圖形顯示,其中開(kāi)口槽腔定義為用水平線(xiàn)與零件輪廓線(xiàn)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)。
零件輪廓數據輸入后往往需要進(jìn)行修改,可利用圖形編輯菜單項中的撤消、重畫(huà)、刪除等功能最終形成該零件的加工輪廓圖形。直線(xiàn)和直線(xiàn)相交的地方,可以進(jìn)行倒角處理,在作圖過(guò)程中,選擇倒角功能,可以通過(guò)數據顯示功能來(lái)選擇倒角方式(直線(xiàn)倒角還是圓弧倒角),輸入倒角的參數最終實(shí)現倒角。
3.刀位軌跡和G代碼程序的生成
刀位軌跡以及G代碼生成是本系統的核心部分,根據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,可以使用系統工藝參數數據庫自動(dòng)提供的預設加工工藝參數,也可以通過(guò)人機交互方式完成工藝參數的輸入。同時(shí)也可以修改某一工藝中的刀具參數、切削參數等。數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。
對那些需要調頭加工的部位采用右偏刀反向走刀切削,此外,對于端面處的開(kāi)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。
在刀位軌跡規劃中,粗加工的刀位軌跡規劃是關(guān)鍵,精加工只是刀具沿著(zhù)輪廓線(xiàn)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(xiàn)的偏置,圖3所示為開(kāi)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),本系統可以繪制外圓以及內孔加工時(shí)的毛坯輪廓曲線(xiàn),跟零件輪廓曲線(xiàn)結合而確定加工區域。根據加工參數中的起刀點(diǎn)、加工余量、進(jìn)退刀矢量等參數,用水平線(xiàn)與加工區域求交,求得的交點(diǎn)即為刀具刀尖的運動(dòng)點(diǎn)坐標。
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(kāi)口和閉口槽腔沿負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.結束語(yǔ)
本系統是一個(gè)CAD/CAM集成的數控車(chē)床自動(dòng)編程軟件,只要按照本系統所劃分的數控車(chē)削加工工步,將待加工零件進(jìn)行工藝規劃,分解成各種工步,每個(gè)工步都可以單獨生成可用的加工程序,也可以通過(guò)本系統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。本系統集繪制圖形、工藝參數處理、刀位軌跡和G代碼生成于一體,具有學(xué)習、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
隨著(zhù)基于PC的開(kāi)放式數控系統的研究越來(lái)越深入,以Windows以及Linux為平臺的數控系統必將得到更為廣泛的應用。本系統以華中數控有限公司生產(chǎn)的HNC-21/22世紀星系列數控車(chē)床為基礎設計的。采用Python語(yǔ)言編寫(xiě)[5,6],可以在Windows和Linux等多種操作系統平臺下使用。本系統既可以作為開(kāi)放式數控系統的編程模塊,也可以自成體系作為CAD/CAM軟件以及離線(xiàn)編程系統使用,因此具有良好的應用前景。
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