自動編程及仿真軟件在數(shù)控技術(shù)中的應(yīng)用

李勇興

(西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安，710100)

1 自動編程及仿真軟件發(fā)展趨勢

在數(shù)控技術(shù)應(yīng)用過程中，自動編程及仿真軟件應(yīng)用水平直接取決于加工方案以及加工參數(shù)的科學(xué)、合理選擇，比如：機(jī)床、刀具形態(tài)、設(shè)備尺寸、刀具加工表現(xiàn)形態(tài)、刀具路線、主軸運(yùn)轉(zhuǎn)速度、切削深度以及給進(jìn)速度等相關(guān)方面。

為了優(yōu)化和完善數(shù)據(jù)控制參數(shù)，必須在復(fù)雜切削基礎(chǔ)條件下深入探索操作參數(shù)與刀具磨損、加工質(zhì)量等許多因素之間的聯(lián)系，因此加工外部形態(tài)復(fù)雜的零部件時(shí)，所產(chǎn)生的切削狀態(tài)始終處于變化狀態(tài)，由此可見，加工方案與參數(shù)的選擇成為了完善和優(yōu)化數(shù)控編程智能水平的重要標(biāo)志，同樣成為了完成車間編程個(gè)性化的重要前提條件。

而在建立工藝數(shù)據(jù)和信息庫的基礎(chǔ)上，應(yīng)采取自動特點(diǎn)識別技術(shù)以及編程技術(shù)，才能從根本上解決數(shù)控技術(shù)應(yīng)用問題。現(xiàn)階段技術(shù)人員針對加工方案以及參數(shù)自動化相繼開展全面探索和研究。目前我國在數(shù)控技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)上，相繼開展智能化、自動化技術(shù)研究，但是實(shí)際使用環(huán)節(jié)上不能達(dá)到系統(tǒng)適用性。所以對于編程系統(tǒng)研究現(xiàn)狀來說，現(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的數(shù)控技術(shù)則是集合數(shù)據(jù)作為核心的集成技術(shù)方式，確保技術(shù)人員能夠直接從數(shù)據(jù)庫中提取所需要的自動編程信息，然而此種技術(shù)模式在實(shí)際操作環(huán)節(jié)上仍然需要較多的人工干預(yù)。如圖1，零部件倒角指令編程。

圖1 零部件倒角指令編程

除此之外，自動編程及仿真軟件實(shí)際開發(fā)過程中，主要以模型數(shù)據(jù)庫作為核心的集成化處理方式，確保產(chǎn)品生產(chǎn)模型的建立則需要使用全新造型技術(shù)，有利于根據(jù)模型中所包含的信息明確具體的加工方案、給進(jìn)速度、主軸速度等，因此從本質(zhì)上來看是一種系統(tǒng)化的集成化技術(shù)方式。

在實(shí)際的數(shù)控技術(shù)應(yīng)用過程中，主要從以下幾個(gè)環(huán)節(jié)來控制和優(yōu)化零部件的生產(chǎn)工藝。

1.1 參數(shù)選擇合理化

數(shù)控加工效率在實(shí)施過程中，需要依賴具體的加工方案和參數(shù)選擇，對于參數(shù)選擇上，應(yīng)根據(jù)刀具型號、刀具走刀路線以及給進(jìn)速度等方面進(jìn)行深入控制，因此數(shù)控加工發(fā)展目標(biāo)則是在滿足基礎(chǔ)加工需求、機(jī)床設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及刀具設(shè)備使用壽命的前提條件下，確保數(shù)控技術(shù)實(shí)際加工效果。

1.2 刀具生產(chǎn)軌跡

刀具生產(chǎn)軌跡是復(fù)雜形狀零部件進(jìn)行數(shù)控加工的重要內(nèi)容，所以能否生產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品，刀具運(yùn)行軌跡成為了決定加工質(zhì)量、效率以及可能性的重要條件之一。而刀具生產(chǎn)軌跡的首要目標(biāo)和方案能夠滿足生產(chǎn)環(huán)節(jié)上對于產(chǎn)品無干涉、無碰撞、刀具切痕光滑等質(zhì)量要求，除此之外，刀具生產(chǎn)軌跡還應(yīng)滿足產(chǎn)品通用性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、代碼小等核心條件。如圖2，刀具生產(chǎn)軌跡圖。

圖2 刀具生產(chǎn)軌跡圖

1.3 仿真軟件數(shù)控加工

雖然現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝在方案規(guī)劃以及刀具生產(chǎn)軌跡等方面具有較大進(jìn)展，但是實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于零部件生產(chǎn)形狀十分復(fù)雜且多變，加上產(chǎn)品加工條件十分混亂，所以想要在加工階段確保產(chǎn)品生產(chǎn)效果，就需要選擇適合的加工模式。比如：產(chǎn)品加工環(huán)節(jié)上的過切、機(jī)床零部件之間的碰撞等，此種影響因素對于產(chǎn)品加工來說十分重要。為此刀具加工之前，需使用專業(yè)應(yīng)對措施針對質(zhì)量檢驗(yàn)和修整，以此作為基礎(chǔ)條件，利用數(shù)控加工技術(shù)結(jié)合自動編程及仿真軟件針對材料切除流程進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和優(yōu)化。

1.4 后續(xù)處理技術(shù)

后續(xù)處理技術(shù)是現(xiàn)階段CAD/CAM系統(tǒng)有效銜接和集成的重要技術(shù)之一，該技術(shù)將前置生產(chǎn)處理完成的刀具位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合數(shù)控技術(shù)加工的系統(tǒng)化程序，由于后續(xù)處理內(nèi)容包含：機(jī)床運(yùn)動學(xué)建模與求解、機(jī)床結(jié)構(gòu)誤差補(bǔ)償、機(jī)床運(yùn)動非線性誤差校核修正等方面，所以，科學(xué)、合理進(jìn)行后續(xù)處理，以此確保基礎(chǔ)加工質(zhì)量，從根本上提高加工效率。

2 數(shù)控技術(shù)加工要求

數(shù)控技術(shù)從本質(zhì)上來看是一種自動化水平和應(yīng)用密集程度較高的機(jī)電一體化生產(chǎn)技術(shù)手段，是結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制系統(tǒng)、自動檢測系統(tǒng)以及高精準(zhǔn)程度機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)的綜合化生產(chǎn)系統(tǒng)，隨著數(shù)控機(jī)床的全面發(fā)展和成長，現(xiàn)代化生產(chǎn)企業(yè)需要針對數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行全面分析。現(xiàn)階段數(shù)控車床成為了現(xiàn)階段使用最為廣泛的數(shù)控技術(shù)之一，為此本次研究主要以數(shù)控生產(chǎn)技術(shù)以及系統(tǒng)化編制問題進(jìn)行詳細(xì)討論。比如：數(shù)控車削技術(shù)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)上主要用于回轉(zhuǎn)加工模式，現(xiàn)有典型加工表面主要包含：圓柱、外圓錐、螺紋、圓弧面等方面，在數(shù)控技術(shù)加工過程中，想要加工符合生產(chǎn)需求的零部件，應(yīng)使用自動編程的技術(shù)手段，加上數(shù)控技術(shù)實(shí)施過程中不同數(shù)控系統(tǒng)以及編程運(yùn)行模式各有不同，所以應(yīng)積極引進(jìn)自動編程及仿真軟件，確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 明確生產(chǎn)路線

想要保證自動編程及仿真軟件能夠在數(shù)控技術(shù)中合理化使用，需積極明確具體的生產(chǎn)路線，并且按照先主后次、先粗加工后精加工等加工原則，明確具體的加工生產(chǎn)路線結(jié)構(gòu)，同時(shí)使用固定循環(huán)控制指令和系統(tǒng)軟件針對所生產(chǎn)產(chǎn)品外部形態(tài)進(jìn)行粗制加工，隨后進(jìn)行細(xì)致加工，最后進(jìn)行螺紋加工。

2.2 刀具選擇

夾具選擇上，則應(yīng)使用三爪自定心卡盤進(jìn)行固定和卡緊，有效針對生產(chǎn)實(shí)際情況選擇適合的刀具設(shè)備，刀具位置點(diǎn)能夠集中在右端面與回轉(zhuǎn)軸線的交叉點(diǎn)上，而根據(jù)實(shí)際技術(shù)加工生產(chǎn)需求，應(yīng)使用試切法對刀，對刀的同時(shí)把端面加工出來。

2.3 明確切削用量

對于零部件加工來說，明確切削基礎(chǔ)用量已經(jīng)成為影響產(chǎn)品加工效率的重要因素之一，為此利用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)，產(chǎn)品外部結(jié)構(gòu)粗制車軸轉(zhuǎn)速為500r/min，切削給進(jìn)速度為0.3mm/r，精細(xì)加工主軸轉(zhuǎn)速為800r/min，所以產(chǎn)品切槽和螺紋時(shí)，主軸旋轉(zhuǎn)速度為300r/min，進(jìn)給速度為0.1mm/r。進(jìn)而明確工件中心軸線與球頭中心交點(diǎn)作為軟件編程的原始位置點(diǎn)，明確零部件加工程序。

3 自動編程及仿真軟件應(yīng)用案例

為了驗(yàn)證數(shù)控技術(shù)應(yīng)用效果和質(zhì)量，本次研究主要以五角星生產(chǎn)模型作為實(shí)際案例，其中五角星外接圓形半徑為80毫米，而中心位置點(diǎn)高度為15毫米。

3.1 創(chuàng)建模型

在自動編程及仿真軟件實(shí)施過程中，充分利用Mastercam系統(tǒng)的CAD操作功能構(gòu)建出五角星零部件的實(shí)體數(shù)據(jù)模型。

第一，技術(shù)人員首先需要繪制半徑長度為80毫米的五角星外部連接圓形結(jié)構(gòu)，此時(shí)需要啟Mastercam系統(tǒng)，并且單擊主要功能菜單的繪圖結(jié)構(gòu)。隨后根據(jù)生產(chǎn)零部件實(shí)際情況生成五角星零部件的底座結(jié)構(gòu)，同時(shí)單擊主要功能菜單的實(shí)體結(jié)構(gòu)，隨后在底座結(jié)構(gòu)上創(chuàng)建圓形結(jié)構(gòu)，向Z軸負(fù)方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)拉伸。如圖3，五角星規(guī)劃圖。

圖3 五角星規(guī)劃圖

第二，繪制半徑為80毫米的圓形，隨后在圓形中進(jìn)行內(nèi)切正五邊形，并且在系統(tǒng)主要功能菜單中繪制多變性結(jié)構(gòu)，并且繪制五角星中心位置點(diǎn)，從而根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品實(shí)際情況設(shè)置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，確保單機(jī)主功能菜單的繪圖點(diǎn)能夠在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，隨后有效連接五邊形各個(gè)位置點(diǎn)并且詳細(xì)修建，隨后創(chuàng)建五邊形各個(gè)未指定點(diǎn)和中心點(diǎn)相互連接，確保在標(biāo)準(zhǔn)視角內(nèi)能夠創(chuàng)建斜面并且刪除多余的段落。最終完成五角星實(shí)際建設(shè)模型，通過系統(tǒng)保存進(jìn)行下一步。

3.2 模型加工

在模型加工實(shí)施過程中，需要充分利用Mastercam系統(tǒng)的CAM應(yīng)用功能針對五角星制造模型進(jìn)行技術(shù)加工，等待模型生成之后開展后續(xù)程序處理。

第一，模型加工環(huán)節(jié)上需要使用高等切削模式，因此在主要功能應(yīng)用菜單中，應(yīng)根據(jù)刀具加工路徑開展曲面粗制加工，因此刀具設(shè)備選擇應(yīng)選擇直徑為12毫米的端銑刀設(shè)備。并且實(shí)際進(jìn)行削切時(shí)，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況設(shè)置切削參數(shù)以及外部粗加工參數(shù)。而在模擬加工環(huán)節(jié)上，想要保證零部件生產(chǎn)質(zhì)量和效果，應(yīng)單擊主功能菜單的公共管理以及路徑模擬，并且將所生成的處理程序以及粗加工操作流程進(jìn)行詳細(xì)說明。

3.3 仿真加工

在系統(tǒng)仿真加工和處理環(huán)節(jié)上，需要將Mastercam系統(tǒng)中的處理程序使用記事本方式開啟，并且將所有的信息和數(shù)據(jù)管理文件轉(zhuǎn)化為.cnc等格式，正確地選擇刀具及設(shè)置參考點(diǎn)后即可進(jìn)行數(shù)控加工仿真。

4 自動編程及仿真軟件應(yīng)用策略

4.1 機(jī)械加工軟件編程應(yīng)用

我國現(xiàn)有機(jī)械加工自動編程軟件主要包含：Mastercam、UG、Pro-E、CAXA等，其中 Mastercam系統(tǒng)軟件從 80年代引進(jìn)至今已經(jīng)優(yōu)化至MastercamX9版本，由于該軟件強(qiáng)大的后續(xù)處理能力在機(jī)械加工行業(yè)中被廣泛的使用，所以Mastercam系統(tǒng)軟件自動編程在使用和仿真軟件建設(shè)環(huán)節(jié)上，需要依靠企業(yè)技能培訓(xùn)、高校培訓(xùn)等方式為各個(gè)行業(yè)傳輸專業(yè)技術(shù)人才，并且由于該系統(tǒng)應(yīng)用功能強(qiáng)大、系統(tǒng)界面操作便利，因此成為現(xiàn)階段數(shù)控技術(shù)應(yīng)用的核心系統(tǒng)之一。

Mastercam自動化系統(tǒng)編程軟件最初的系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)版本主要由三個(gè)相對獨(dú)立的管理模塊共同構(gòu)成，其中包含：設(shè)計(jì)模塊、車床模塊和銑削模塊，隨著系統(tǒng)不斷完善和改革，已經(jīng)有效結(jié)合空間線架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、曲面設(shè)計(jì)、三維實(shí)體造型、多軸加工等方面綜合的模塊軟件。相比其他類型的自動編程及仿真軟件來說，Mastercam自動化系統(tǒng)編程軟件造型功能雖然具有一定優(yōu)勢，但是該軟件自身具備較高的系統(tǒng)性、融合性，其中所生產(chǎn)的軟件格式為DXF形式，以便于圖形文件能夠直接應(yīng)用至Mastercam自動化系統(tǒng)中，普遍具備較高的系統(tǒng)適用性。能夠直接在軟件中針對圖形結(jié)構(gòu)進(jìn)行后續(xù)參數(shù)選擇和設(shè)置。

除此之外，Mastercam自動化系統(tǒng)編程軟件在實(shí)施過程中，增加了刀具運(yùn)行路線分析功能，確保操作人員懸停在刀具運(yùn)行路徑上時(shí)，能夠有效顯示生產(chǎn)路線、給進(jìn)速度、走刀模式以及冷卻液體物質(zhì)開關(guān)狀態(tài)等方面，無論是軟件操作還是系統(tǒng)管理都更具備交互和靈活性。而系統(tǒng)進(jìn)行模擬加工時(shí)，針對所產(chǎn)生干涉問題和碰撞部門進(jìn)行高調(diào)渲染，進(jìn)而有效提醒技術(shù)操作人員修改加工參數(shù)。

4.2 數(shù)控仿真技術(shù)應(yīng)用

由于數(shù)控技術(shù)在實(shí)施環(huán)節(jié)上所使用的專業(yè)技術(shù)包含機(jī)械類、控制等專業(yè)技術(shù)，所以無論是從理論學(xué)習(xí)還是實(shí)際數(shù)控操作都需要利用專業(yè)技術(shù)手段。現(xiàn)有的數(shù)控仿真技術(shù)普遍具備高度的仿真數(shù)據(jù)模擬性，進(jìn)而幫助學(xué)員快速且全面的熟悉機(jī)床按鍵使用，并且熟悉程序編輯、信息輸入以及校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，進(jìn)而選擇適合的生產(chǎn)刀具和夾具，精準(zhǔn)控制數(shù)控機(jī)床的加工，有效展現(xiàn)出刀具走向軌跡，對加工零部件準(zhǔn)確測量。

4.3 軟件聯(lián)合使用

現(xiàn)階段，各個(gè)行業(yè)針對學(xué)員開展機(jī)械加工和數(shù)控技術(shù)教學(xué)時(shí)，無論是教育培訓(xùn)還是專業(yè)技術(shù)優(yōu)化，往往利用軟件開展獨(dú)立教學(xué)，此種現(xiàn)狀導(dǎo)致軟件之間并沒有足夠的聯(lián)系，而隨著自動編程及仿真軟件的引進(jìn)，經(jīng)過長時(shí)間教學(xué)實(shí)踐與操作，多個(gè)軟件之間相互聯(lián)合使用能夠保證企業(yè)建立更加可行的數(shù)控技術(shù)與機(jī)械加工技術(shù)，進(jìn)而更好地完成產(chǎn)品加工任務(wù)。