轴类零件的数控自动编程系统研究

2013-09-07

中国新技术新产品 2013年4期

（兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州 730050）

1 概述

随着计算机数控技术的发展，国内外许多商业化的CADCAM 软件都能实现针对零件三维模型的自动编程，但这些软件价格昂贵，又需要长时间的专门学习才能熟练掌握，对于造型相对简单、结构复杂程度较低的轴类零件来讲，使用的意义并不是很大。中小企业常常要面对小批量甚至单件零件的数控加工，而手动编程效率低下且出错率高，并不能完全适合灵活多变的加工过程。这就需要一种操作简单、能够直接通过轴类零件二维模型直接生成NC 程序的自动编程软件，方便工程人员使用。

2 系统总体设计

本文所述的轴类零件自动编程系统通过调用自行开发的零件基本特征二维图形库生成零件图形。在分析零件各部分几何参数和加工信息的基础上使用人机交互输入加工工艺参数的方式生成刀位轨迹，由系统自动生成数控加工程序。

系统结构如图1 所示，主要由参数化图形绘制模块、工艺数据库、工艺信息人机交互模块、NC 代码生成模块、数据文件管理模块等五部分构成。

3 各模块的结构及其功能

3.1 参数化图形绘制模块

本模块主要通过调用二维图形库中的图形数据文件并给定其几何参数生成轴类零件二维图形。通过对典型轴类零件进行分析，可将轴类零件分解为表1 所示的几个最基本特征类型。生成零件图形时可以直接调用二维图形库中的基本特征，通过分段叠加的方式依次输入各部分参数，最终形成二维图形。为了简化图形生成过程，对于一些具有固定特征组合的轴类零件，可以事先建立不同特征组合的零件模型，通过修改参数的方式得到准确的零件图形。

图1 系统结构框图

根据数控车床的特点，在输入轴类零件图形时，要指定各部分特征在数控车床主轴Z 轴方向上的定位坐标，这样就可以方便的解决零件在叠加时的结构衔接问题。

3.2 工艺数据库模块

用于存储机床、夹具、刀具、工件材料、切削参数等信息。由于轴类零件加工机床和夹具选择较为单一，所以本模块主要由刀具参数库和切削参数库两部分组成。

在数控车削轴类零件时，可以按照其加工工艺特点将车削工艺过程分解为外圆车削、端面车削、螺纹车削和切槽切断等基本工步，每个工步具有共同的加工对象表面、刀具、切削速度和进给量等参数，这就为系统设置工艺路线提供了基础。在绘制零件二维图形时，为不同的特征预设加工工艺参数。零件图形绘制完成后，通过系统自带的工序合并功能，将具有同类加工参数的工艺过程合并为同一个工步（区分粗加工和精加工），提供给后置处理模块使用。

3.3 工艺信息人机交互模块

通过人机交互输入过程，用户可以对已经输入完成并显示在系统界面上的工艺信息进行校对检查，并由系统提供修改、添加和删除相关数据的功能。

3.4 刀位轨迹和NC 代码的自动生成模块

自动生成刀位轨迹的核心问题是准确判断零件的轮廓。在本系统中，基于二维图形的参数化绘制过程，可在系统中预设各个特征的边界线（包括直线和圆弧）为零件初始外轮廓线，此时读取输入的几何参数值并记录外轮廓上各个特征点的X、Z 坐标。由于各个基本特征二维图形中平行于X 轴方向的轮廓线均为直线（其实质为平面的投影），所以只记录沿Z 方向轮廓线的特征点和几何参数，如表2 所示为圆柱特征的轮廓线定位坐标数据。

同理，对于其他构成零件轮廓的基本特征都可以列出其轮廓线上的特征点坐标，经系统判断并自动剔除叠加后坐标段重合的轮廓部分（主要是X 方向的各条轮廓线的重合部分），就可以判断零件的实际加工轮廓。

在此基础上，由系统对已处理完成的零件外轮廓和通过工艺数据库提供的刀具信息、切削用量参数如起刀点、背吃刀量、切削余量、换刀点、退刀点等来计算刀具运动轨迹上的各个特征节点数据，最终生成刀位轨迹文件。

图2 NC 程序生成流程框图

通过已经生成的刀位轨迹文件，经系统后置处理可以方便的生成零件NC 程序：通过对刀位轨迹进行逐段“翻译”，根据不同加工位置特征生成对应的G 代码，根据对应位置已记录的刀具轨迹定位点插入坐标数据，根据当前机床加工状态生成F、S、T 代码和开、关切削液启停机床等辅助功能指令，最终生成完整的数控加工程序。NC 代码自动生成的具体实现过程如图2 所示。本模块带有数控指令语法检查和刀具轨迹模拟功能，可以主动的发现程序中存在的语法错误和刀具加工干涉情况并进行提示。