CAXA制造工程師在數(shù)控加工制造中的應(yīng)用

一、引言

    現(xiàn)階段，許多工廠常用二維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行基于2D的平面圖零件設(shè)計(jì)，然后由工藝人員/程序員按3D概念，直接以G代碼或APT語(yǔ)言進(jìn)行NC編程。這種方法適用于一般簡(jiǎn)單零件的平面加工、直線加工、回轉(zhuǎn)體加工及點(diǎn)位加工。其編程速度較快，代碼簡(jiǎn)潔。對(duì)于幾何形狀復(fù)雜、夾具裝配復(fù)雜，特別是對(duì)非圓曲面的加工，上述編程方法就十分困難了。

    因?yàn)閷?duì)空間幾何圖形和軌跡進(jìn)行數(shù)學(xué)處理的計(jì)算量大、過(guò)程復(fù)雜，不易掌握，而且編程過(guò)程中，不能對(duì)加工環(huán)境構(gòu)成要素的幾何體之間的空間關(guān)系進(jìn)行檢查。將刀位坐標(biāo)轉(zhuǎn)為加工對(duì)象的幾何圖形再進(jìn)行檢查，精度低，不直觀，因此需上機(jī)調(diào)試程序，占用數(shù)控機(jī)床工時(shí)，技術(shù)準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)。

    近幾年來(lái)，CAM技術(shù)發(fā)展迅速，圖形處理功能有了很大增強(qiáng)，硬件平臺(tái)價(jià)格大幅下降，同時(shí)，CAD/CAM軟件技術(shù)也日益成熟。這使得直接將零件的幾何體信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)控加工程序的國(guó)產(chǎn)CAD/CAM軟件——CAXA制造工程師得以推廣和應(yīng)用。

二、CAM數(shù)控加工技術(shù)

1. CAM數(shù)控加工概述

    CAM數(shù)控加工技術(shù)是在刀具建庫(kù)、夾具建庫(kù)、NC建模和CAD實(shí)體造型集成的基礎(chǔ)上，在計(jì)算機(jī)中建立機(jī)床加工環(huán)境，根據(jù)加工工藝方案設(shè)置參數(shù)，模擬機(jī)床的實(shí)際切削過(guò)程，進(jìn)行刀具干涉檢查，最后生成NC代碼文件，即G代碼，輸入機(jī)床完成零件加工。其關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1)夾具庫(kù)的建立、多工位夾具的裝配及在各工序間的切換；

(2)裝配式刀具庫(kù)的建立及在仿真切削過(guò)程中的調(diào)用；

(3)NC建模系統(tǒng)的應(yīng)用調(diào)試；

(4)使用CAM軟件的刀具、夾具數(shù)據(jù)庫(kù)中的系列刀具元件、夾具元件加工毛坯模型；

(5)模擬加工試切過(guò)程，并進(jìn)行切削干涉檢查；

(6)修改刀具路徑；

(7)應(yīng)用軟件功能，生成刀具、夾具及部件裝配圖和刀具路徑圖、輸出各種工藝信息及報(bào)表。

2. 用CAXA制造工程師實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工

    CAXA制造工程師以CAD生成的零件幾何信息為基礎(chǔ)，采用人機(jī)交互對(duì)話方式，在計(jì)算機(jī)屏幕上指定被加工件的幾何特征，定義相關(guān)的加工參數(shù)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并動(dòng)態(tài)顯示加工路徑，最后輸出NC代碼數(shù)據(jù)，特別是它所提供的仿真切削功能，能模擬加工環(huán)境進(jìn)行切削，并檢查刀具是否干涉。
用CAXA制造工程師實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的過(guò)程如圖1所示。

圖1 CAXA制造工程師實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的流程

三、基于CAXA制造工程師的工藝加工過(guò)程

1. CAXA制造工程師制造功能模塊的主要功能

    CAXA制造工程師是一個(gè)曲面實(shí)體相結(jié)合的CAD/CAM一體化的國(guó)產(chǎn)CAM軟件，是基于三維的零件設(shè)計(jì)、制造和分析的軟件包。其制造功能模塊主要具有以下功能：

(1)保證數(shù)據(jù)的唯一性和相關(guān)性

    如果對(duì)一個(gè)零件模型進(jìn)行了修改，與此零件相關(guān)的裝配圖、零件圖等都會(huì)自動(dòng)更新。

(2)強(qiáng)大的加工環(huán)境設(shè)計(jì)能力

    能夠模擬加工條件，建立三維的組裝式夾具裝配、刀具裝配、加工毛坯系列；圖形交互式人機(jī)對(duì)話；有多種進(jìn)刀方式，可自動(dòng)生成加工刀具路徑。能進(jìn)行銑削、鏜削、車削、鉸孔、線切割等多種加工。每種加工都提供多種加工方式；能圖形顯示刀具路徑；屏幕模擬實(shí)際切削過(guò)程，顯示材料去除過(guò)程和進(jìn)行刀具干涉檢查；可提供完整的工藝過(guò)程信息�？商峁┑毒哐b配、安裝、使用信息，夾具安裝、使用信息，機(jī)床使用信息，工藝參數(shù)設(shè)置信息等。

2. 用CAXA制造工程師在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行工藝分析及加工的過(guò)程

    基于CAXA制造工程師的技術(shù)支持，在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工工藝分析及加工的過(guò)程，可分為下面的幾個(gè)階段：

(1)準(zhǔn)備工作

    在這個(gè)階段里，主要完成加工環(huán)境設(shè)計(jì)工作，即在完成工藝方案設(shè)計(jì)的前提下，在計(jì)算機(jī)上完成數(shù)控機(jī)床參數(shù)設(shè)置，刀具元件建庫(kù)、刀具組裝，通用夾具元件建庫(kù)、專用夾具元件建模、夾具組裝等，目的是建立一個(gè)三維工件的加工環(huán)境。

(2)工件模型造型設(shè)計(jì)

    利用CAXA-CAD提供的直線、圓弧以及樣條線等平面繪圖功能和拉伸、除料、放樣等實(shí)體造型功能，可以將設(shè)計(jì)元素加工混合，進(jìn)行三維加工數(shù)據(jù)的建模，用曲線、曲面和實(shí)體表達(dá)工件。在對(duì)零件造型過(guò)程中，可以直接使用軟件提供的三維設(shè)計(jì)功能，也可以將二維制圖中參數(shù)線等元素，引入到CAXA建模中，實(shí)現(xiàn)CAD數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確交換，生成滿足數(shù)控加工的三維數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)。示例如圖2所示。

圖2 五角星三維實(shí)體造型

(3)加工方案設(shè)計(jì)

    對(duì)以上零件的三維建模進(jìn)行分析，按工藝方案的要求，根據(jù)零件毛坯、夾具裝配之間空間幾何關(guān)系及刀具特征和參數(shù)，篩選最適合的加工方法。對(duì)實(shí)體造型進(jìn)行進(jìn)一步的工藝分析，根據(jù)加工性質(zhì)修改增補(bǔ)造型，根據(jù)加工特點(diǎn)以及加工能力，確定需要加工的三維實(shí)體面，再分析實(shí)體的組成情況，擬定刀具的進(jìn)入路徑、切削路徑、退出路徑，找到刀具在運(yùn)動(dòng)中可能發(fā)生干涉的部位，并及時(shí)地進(jìn)行加工環(huán)境調(diào)整。

(4)生成加工軌跡

    根據(jù)需加工零件的形狀特點(diǎn)及工藝要求，利用CAXA制造工程師中提供的曲面、導(dǎo)動(dòng)、參數(shù)線、投影、等高等加工方法，靈活選定需要加工的實(shí)體部分，輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)和要求，可快速顯示圖形、生成刀具軌跡和刀具切削路徑。示例如圖3所示。

圖3 五角星的加工軌跡

    針對(duì)實(shí)體不同加工性質(zhì)和加工部位的特點(diǎn)，采用不同的加工方法從而生成不同的粗加工和精加工軌跡。編程人員可以根據(jù)實(shí)際需要，靈活地選擇加工部位和加工方法。加工軌跡生成后，利用刀位編輯、軌跡的連接和打斷編輯以及參數(shù)修改等功能對(duì)相關(guān)軌跡進(jìn)行編輯和修改。運(yùn)用軌跡仿真功能，即可屏幕模擬實(shí)際切削過(guò)程，顯示材料去除過(guò)程和進(jìn)行刀具干涉檢查，檢驗(yàn)生成的刀具軌跡是否滿足要求，查看切削后的工件截面，確保不會(huì)出現(xiàn)過(guò)切。示例如圖4～圖5所示。

圖4 屏幕模擬切削過(guò)程

圖5 仿真加工結(jié)果

(5)生成G代碼

    數(shù)控編程的核心工作就是生成刀具軌跡，然后將其離散成刀位點(diǎn)，經(jīng)后置處理產(chǎn)生數(shù)控加工程序。當(dāng)加工軌跡生成后，按照當(dāng)前機(jī)床類型的配置要求，把已經(jīng)生成的刀具軌跡自動(dòng)轉(zhuǎn)化成合適的數(shù)控系統(tǒng)加工G代碼，即CNC數(shù)控加工程序。但不同的機(jī)床其數(shù)控系統(tǒng)是不盡相同的，不同的數(shù)控系統(tǒng)其G代碼功能不同，加工程序的格式也有所區(qū)別，所以要對(duì)G代碼進(jìn)行后置處理，以對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的機(jī)床。利用軟件的加工工藝參數(shù)后置處理功能，可以通過(guò)對(duì)“后置處理設(shè)置”進(jìn)行修改，使其適用于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的要求，或按機(jī)床規(guī)定的格式進(jìn)行定制。定制后，可以保存設(shè)置，用于今后與此類機(jī)床匹配需要。

    G代碼生成后，可根據(jù)需要，自動(dòng)生成加工工序單，程序會(huì)根據(jù)加工軌跡編制中的各項(xiàng)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算各項(xiàng)加工工步的加工時(shí)間，這非常便于生產(chǎn)管理識(shí)別和加工工時(shí)的計(jì)算。我們還可通過(guò)直觀的加工仿真和代碼反讀來(lái)檢驗(yàn)加工工藝和代碼的質(zhì)量。

(6)G代碼傳輸和機(jī)床加工

    生成的G代碼要傳輸給機(jī)床，如果程序量少而機(jī)床內(nèi)存容量允許的話，可以一次性地將G代碼程序傳輸給機(jī)床。如果程序量巨大，就需要進(jìn)行DNC在線傳輸，將G代碼通過(guò)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口直接與機(jī)床連通，在不占用機(jī)床系統(tǒng)內(nèi)存的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)直接控制機(jī)床的加工過(guò)程。機(jī)床根據(jù)接收到的G代碼加工程序，就可進(jìn)行在線DNC加工或單獨(dú)加工了。

四、結(jié)束語(yǔ)

    我們用CAXA制造工程師對(duì)示例零件進(jìn)行了數(shù)控加工，刀具路徑設(shè)計(jì)合理、正確，執(zhí)行加工一次成功。與傳統(tǒng)的手編程的數(shù)控加工相比較，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)在計(jì)算機(jī)屏幕上，面向零件的幾何圖形，以鼠標(biāo)指點(diǎn)操作對(duì)象，使用相關(guān)菜單進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，方法簡(jiǎn)單易學(xué)。

(2)編程結(jié)果直觀，以刀具路徑在屏幕上顯示，處理速度快。經(jīng)仿真切削和刀具干涉檢查，所編程序一次成功，大幅度減少了機(jī)床調(diào)整時(shí)間和機(jī)床試切時(shí)間。

(3)減少了程序調(diào)試時(shí)間，減少了機(jī)床工時(shí)占用，縮短了生產(chǎn)周期。

(4)采用數(shù)控技術(shù)不僅可以縮短生產(chǎn)周期，又避免了多次裝夾，提高了加工精度，提高加工的準(zhǔn)確性和加工復(fù)雜零件的能力。