軸類零件的數控自動編程系統研究

（蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050）

1 概述

隨著計算機數控技術的發展，國內外許多商業化的CADCAM 軟件都能實現針對零件三維模型的自動編程，但這些軟件價格昂貴，又需要長時間的專門學習才能熟練掌握，對于造型相對簡單、結構復雜程度較低的軸類零件來講，使用的意義并不是很大。中小企業常常要面對小批量甚至單件零件的數控加工，而手動編程效率低下且出錯率高，并不能完全適合靈活多變的加工過程。這就需要一種操作簡單、能夠直接通過軸類零件二維模型直接生成NC 程序的自動編程軟件，方便工程人員使用。

2 系統總體設計

本文所述的軸類零件自動編程系統通過調用自行開發的零件基本特征二維圖形庫生成零件圖形。在分析零件各部分幾何參數和加工信息的基礎上使用人機交互輸入加工工藝參數的方式生成刀位軌跡，由系統自動生成數控加工程序。

系統結構如圖1 所示，主要由參數化圖形繪制模塊、工藝數據庫、工藝信息人機交互模塊、NC 代碼生成模塊、數據文件管理模塊等五部分構成。

3 各模塊的結構及其功能

3.1 參數化圖形繪制模塊

本模塊主要通過調用二維圖形庫中的圖形數據文件并給定其幾何參數生成軸類零件二維圖形。通過對典型軸類零件進行分析，可將軸類零件分解為表1 所示的幾個最基本特征類型。生成零件圖形時可以直接調用二維圖形庫中的基本特征，通過分段疊加的方式依次輸入各部分參數，最終形成二維圖形。為了簡化圖形生成過程，對于一些具有固定特征組合的軸類零件，可以事先建立不同特征組合的零件模型，通過修改參數的方式得到準確的零件圖形。

圖1 系統結構框圖

根據數控車床的特點，在輸入軸類零件圖形時，要指定各部分特征在數控車床主軸Z 軸方向上的定位坐標，這樣就可以方便的解決零件在疊加時的結構銜接問題。

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3.2 工藝數據庫模塊

用于存儲機床、夾具、刀具、工件材料、切削參數等信息。由于軸類零件加工機床和夾具選擇較為單一，所以本模塊主要由刀具參數庫和切削參數庫兩部分組成。

在數控車削軸類零件時，可以按照其加工工藝特點將車削工藝過程分解為外圓車削、端面車削、螺紋車削和切槽切斷等基本工步，每個工步具有共同的加工對象表面、刀具、切削速度和進給量等參數，這就為系統設置工藝路線提供了基礎。在繪制零件二維圖形時，為不同的特征預設加工工藝參數。零件圖形繪制完成后，通過系統自帶的工序合并功能，將具有同類加工參數的工藝過程合并為同一個工步（區分粗加工和精加工），提供給后置處理模塊使用。

3.3 工藝信息人機交互模塊

通過人機交互輸入過程，用戶可以對已經輸入完成并顯示在系統界面上的工藝信息進行校對檢查，并由系統提供修改、添加和刪除相關數據的功能。

3.4 刀位軌跡和NC 代碼的自動生成模塊

自動生成刀位軌跡的核心問題是準確判斷零件的輪廓。在本系統中，基于二維圖形的參數化繪制過程，可在系統中預設各個特征的邊界線（包括直線和圓弧）為零件初始外輪廓線，此時讀取輸入的幾何參數值并記錄外輪廓上各個特征點的X、Z 坐標。由于各個基本特征二維圖形中平行于X 軸方向的輪廓線均為直線（其實質為平面的投影），所以只記錄沿Z 方向輪廓線的特征點和幾何參數，如表2 所示為圓柱特征的輪廓線定位坐標數據。

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同理，對于其他構成零件輪廓的基本特征都可以列出其輪廓線上的特征點坐標，經系統判斷并自動剔除疊加后坐標段重合的輪廓部分（主要是X 方向的各條輪廓線的重合部分），就可以判斷零件的實際加工輪廓。

在此基礎上，由系統對已處理完成的零件外輪廓和通過工藝數據庫提供的刀具信息、切削用量參數如起刀點、背吃刀量、切削余量、換刀點、退刀點等來計算刀具運動軌跡上的各個特征節點數據，最終生成刀位軌跡文件。

圖2 NC 程序生成流程框圖

通過已經生成的刀位軌跡文件，經系統后置處理可以方便的生成零件NC 程序：通過對刀位軌跡進行逐段“翻譯”，根據不同加工位置特征生成對應的G 代碼，根據對應位置已記錄的刀具軌跡定位點插入坐標數據，根據當前機床加工狀態生成F、S、T 代碼和開、關切削液啟停機床等輔助功能指令，最終生成完整的數控加工程序。NC 代碼自動生成的具體實現過程如圖2 所示。本模塊帶有數控指令語法檢查和刀具軌跡模擬功能，可以主動的發現程序中存在的語法錯誤和刀具加工干涉情況并進行提示。

3.5 數據文件管理模塊

本模塊主要是用來管理和編輯系統輸出的程序文件。通過人機交互的方式查看、修改、存儲和傳遞生成的NC 程序，便于用戶對程序進行檢查和修改。

結語

本系統通過用戶熟悉的零件基本特征生成軸類零件二位圖形，使用方便；使用人機交互參數檢查減少了出錯率；能夠自動分析刀具軌跡生成NC 程序，方便了計算機和數控機床聯機加工，能夠滿足常用軸類零件數控車削編程的需要。

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