基于DXF文件的數(shù)控旋壓機(jī)床自動(dòng)編程系統(tǒng)

楊家榮， 徐志明， 周 吉

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海200070）

旋壓技術(shù)是利用旋輪或搟棒等旋壓工具與芯模使毛坯邊旋轉(zhuǎn)邊成型，生產(chǎn)金屬空心回轉(zhuǎn)體件的一種回旋成形工藝[1]。旋壓時(shí)，金屬毛坯隨芯模旋轉(zhuǎn)或旋壓工具繞毛坯和芯模旋轉(zhuǎn)，旋壓工具相對(duì)芯模作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而使毛坯受壓并產(chǎn)生連續(xù)局部變形以獲得零件。旋壓產(chǎn)品具有較高的尺寸精度和較低的表面粗糙度，力學(xué)性能好。一般的旋壓采用的旋輪制造簡單，更換容易；因此，旋壓工藝在國防、化工、冶金、電子、機(jī)械等領(lǐng)域起到了越來越大的作用，特別在火箭、導(dǎo)彈和宇航等有關(guān)零件的制造方面得到了很好的應(yīng)用。傳統(tǒng)的旋壓主要是采用手工旋壓的方式，以燈罩加工為例，主要由工人采用搟棒的形式加工而成，對(duì)工人操作技術(shù)要求較高，生產(chǎn)效率較低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，質(zhì)量不夠穩(wěn)定，工件一致性較差。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用在機(jī)械制造行業(yè)，不少廠家也開始使用數(shù)控機(jī)床作為旋壓機(jī)床，但旋壓工件由于幾何形狀復(fù)雜，計(jì)算相當(dāng)繁瑣，手工編程一般難以勝任，甚至無法編出程來；因此，能夠快速、準(zhǔn)確地編制一個(gè)能立刻用于加工的程序就成為數(shù)控旋壓機(jī)床發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燈罩旋壓加工的加工過程是以一個(gè)圓形鋁片毛坯，如圖1所示，將鋁片夾持在旋轉(zhuǎn)主軸的芯模端，如圖2所示。依靠旋輪按照事先規(guī)劃好的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡不斷來回，對(duì)鋁片連續(xù)逐點(diǎn)壓下，改變鋁片的形狀，完成整個(gè)成型。由此可見，加工一個(gè)零件并不是一次成型的，而是需要經(jīng)過中間多道次的拉伸過渡。否則，容易引起鋁片的破損，起褶皺，甚至斷裂[2]。

圖1 鋁片毛坯

圖2 燈罩芯模

對(duì)于一個(gè)合格的燈罩產(chǎn)品，如圖3所示，如何方便合理地規(guī)劃進(jìn)刀的軌跡是數(shù)控旋壓機(jī)床加工生產(chǎn)的一個(gè)重要課題。

本系統(tǒng)采用的自動(dòng)編程方式主要原理如下：首先，啟動(dòng)AutoCAD，在CAD環(huán)境下完成刀路軌跡的規(guī)劃，生成繪圖交換格式（Drawing Exchange Format，DXF）文件；其次，進(jìn)入所編寫的自動(dòng)編程系統(tǒng)，系統(tǒng)首先讀取旋壓零件DXF文件圖形信息，獲得其幾何信息，通過人工交互輸入相關(guān)的加工工藝參數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速等信息，針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)后置處理生成相應(yīng)的走刀軌跡程序，經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)仿真無誤后，即可正式加工，從而實(shí)現(xiàn)燈罩產(chǎn)品的數(shù)控旋壓自動(dòng)編程。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 燈罩產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 DXF文件分析及程序設(shè)計(jì)

2.1 DXF文件的結(jié)構(gòu)

AutoCAD提供了一個(gè)中性格式的DXF文件，在圖形繪制后，即可另存為DXF文件。DXF圖形交換文件是一個(gè)具有特定格式的順序文件，因它采用ASCAII碼或者二進(jìn)制格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；因此，便于被高級(jí)語言讀寫。

AutoCAD環(huán)境下生成的DXF文件主要有6個(gè)段（SECTION），分別是標(biāo)題段（HEADER）、類段（CLASS）、表段（TABLES）、塊段（BLOCKS）、實(shí)體段（ENTITIES）和對(duì)象段（OBJECTS），分別存放著版本號(hào)和系統(tǒng)變量、系統(tǒng)定義的各種表段、塊段和實(shí)體段這3段中出現(xiàn)的類信息、系統(tǒng)表信息、圖形塊信息、圖形文件中所有非幾何實(shí)體信息。每段由一系列組組成，每個(gè)組占兩行，第一組稱為組碼，第二組稱為組值[3－4]。因?yàn)閿?shù)控編程中所需要提取的數(shù)據(jù)只是圖形元素的幾何信息數(shù)據(jù)，所以可以對(duì)存放在文件頭段、類段、表段和對(duì)象段中的信息予以忽略，直接處理實(shí)體段即可。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需要的實(shí)體信息包括：直線（LINE）、圓?。ˋRC）、樣條曲線（SPLINE）。

2.2 DXF文件的數(shù)據(jù)提取

如前所述，數(shù)控旋壓機(jī)床在編制程序時(shí)，通過分析實(shí)體段（ENTITIES），取出所需信息即可完成DXF文件的準(zhǔn)確輸出，其余各段的信息均可忽略。系統(tǒng)首先需要判斷，所讀取的實(shí)體信息是直線、圓弧、還是樣條曲線。對(duì)于直線，只需要提取直線的兩個(gè)端點(diǎn)，對(duì)于圓弧，則提取圓心坐標(biāo)、半徑、起始角、終止角。對(duì)于樣條曲線，則提取其各條連續(xù)線的各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。Visual Basic（VB）6.0中對(duì)DXF文件數(shù)據(jù)讀取和流程處理如圖5所示。

圖5 DXF文件數(shù)據(jù)讀取和處理流程

部分處理程序的VB代碼如下：

圓弧與樣條曲線的處理與直線類似，所不同的是，數(shù)控系統(tǒng)走圓弧指令時(shí)，需要圓弧終點(diǎn)的信息，而DXF文件中給出的圓弧是角度信息；因此，需要程序處理中作一個(gè)轉(zhuǎn)化，計(jì)算出終點(diǎn)的坐標(biāo)值。程序樣例如下：

2.3 數(shù)控代碼生成

數(shù)控（Numerical Control，NC）系統(tǒng)執(zhí)行的位置信息均是根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)位置來執(zhí)行的，一般數(shù)控系統(tǒng)均具有直線插補(bǔ)指令（G01），圓弧插補(bǔ)指令（G12，G13），高級(jí)的數(shù)控系統(tǒng)還具有樣條插補(bǔ)指令。對(duì)于沒有樣條插補(bǔ)指令的系統(tǒng)而言，可以通過本次開發(fā)的自動(dòng)編程軟件將樣條曲線的階次提高，所組成樣條曲線的連續(xù)線數(shù)量也就增多，然后用數(shù)控系統(tǒng)的直線插補(bǔ)指令來完成這些連續(xù)線的進(jìn)給規(guī)劃，雖然存在部分?jǐn)M合誤差，但只要該樣條曲線的階次足夠高，所產(chǎn)生的連續(xù)線數(shù)量足夠多，其誤差對(duì)于旋壓而言，是完全可以接受的。通過仿真軌跡的結(jié)果來看，實(shí)際曲線也是幾乎完全接近的。樣條曲線的階次提高處理部分代碼如下：

對(duì)數(shù)控系統(tǒng)而言，各品牌的系統(tǒng)對(duì)加工程序的格式要求基本相同，將前面程序處理DXF文件得到的坐標(biāo)信息按照數(shù)控格式要求，寫入到NC程序中去即可。另外可加入相關(guān)的工藝參數(shù)，如進(jìn)刀速度、主軸轉(zhuǎn)速等信息。最終開發(fā)的自動(dòng)編程軟件界面如圖6所示。產(chǎn)生的NC代碼如圖7所示，可通過記事本打開檢查，并導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)中先進(jìn)行仿真，確認(rèn)無誤后即可用于正式加工執(zhí)行[4]。

3 結(jié) 語

本課題所開發(fā)的自動(dòng)編程軟件現(xiàn)已成功應(yīng)用于燈罩旋壓機(jī)床的編程，機(jī)床如圖8所示。用戶可以方便地通過調(diào)整AutoCAD中設(shè)計(jì)的走刀軌跡直線、圓弧、樣條曲線來自動(dòng)生成相應(yīng)的數(shù)控加工程序代碼[5]。解決了手工編程效率低的問題，實(shí)現(xiàn)了燈罩產(chǎn)品的數(shù)控旋壓自動(dòng)加工。旋壓生產(chǎn)的燈罩如圖9所示。軟件通用性好，稍加改動(dòng)后即可用于其他產(chǎn)品的數(shù)控加工中去。

圖6 自動(dòng)編程軟件界面

圖7 生成的NC代碼

圖8 燈罩旋壓機(jī)床

圖9 旋壓燈罩產(chǎn)品

[1] 張 濤.旋壓成形工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：1－5.

[2] 閻 群，孫昌國，林文興，等.WINDOWS環(huán)境下數(shù)控旋壓機(jī)床圖形編程系統(tǒng)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23（6）：281－283.

[3] 陳 浩，陳 宏.解讀AUTOCAD的DXF文件[J].貴州科學(xué)，2002，20（12）：125－127.

[4] 曹毅朝，孫培祿.基于AutoCAD的數(shù)控沖床自動(dòng)編程系統(tǒng) 研 究 與 開 發(fā) [J].機(jī) 床 與 液 壓，2008，36（7）：386－390.

[5] 王 晰，李春泉.在AUTOCAD中運(yùn)用VBA實(shí)現(xiàn)數(shù)控自動(dòng)編程[J].工具技術(shù)，2006，40（3）：102－104.