典型CAM平臺數(shù)控銑削加工編程功能對比應(yīng)用

前言:
　　數(shù)控加工作為機械制造業(yè)中先進生產(chǎn)力的代表，經(jīng)過十余年的引進與發(fā)展，已經(jīng)在汽車、航空、航天、模具等行業(yè)發(fā)揮了巨大的作用。它推動了企業(yè)的技術(shù)進步和經(jīng)濟效益的增長。但是由于多方面原因，國內(nèi)不同行業(yè)在應(yīng)用數(shù)控加工方面表現(xiàn)的差距較大。一方面由于機床刀具軟硬件配置等方面的原因，尤其是多坐標控制聯(lián)動的高速銑削機床，進口設(shè)備由于其成本很高，企業(yè)不得不考慮其投資效益問題。另一方面多坐標聯(lián)動高速銑削的CAM軟件選型、應(yīng)用編程與開發(fā)方面，需要一個長時期的技術(shù)積累才能趕上國外先進水平，尤其是對于人員的技術(shù)水平要求較高的CAM軟件應(yīng)用編程開發(fā)方面表現(xiàn)更為明顯。
　　用于數(shù)控銑削加工編程的CAM軟件平臺較多，比較常用的UGNX、CATIA、Pro/E、Mastercam、Cimatron、Surfcam、Powermill等，這些CAM軟件平臺在不同企業(yè)數(shù)控銑削編程方面發(fā)揮了很大的作用，雖然各自應(yīng)用流程略有差別，但各系統(tǒng)提供的基本數(shù)控編程功能都比較相似。但是企業(yè)產(chǎn)品對象不同，使得對CAM平臺的選型和應(yīng)用方面的要求有所不同。數(shù)控三軸銑削編程上都能滿足企業(yè)的要求，但在五軸銑削編程，刀具軸矢量控制與后處理程序開發(fā)等方面還是存在較大差別的，尤其是五軸機床的加工編程與后處理程序開發(fā)表現(xiàn)更為突出。本文就通用的CADCAM軟件平臺為環(huán)境，以幾個具體的產(chǎn)品對象的數(shù)控銑削加工編程應(yīng)用實例，簡要介紹它們在進行數(shù)控三軸銑削、五坐標聯(lián)動加工編程、后處理開發(fā)模式、機床仿真加工模擬接口方面的實例應(yīng)用。希望對讀者有所借鑒作用。
一、三軸銑削刀具軌跡設(shè)計
　　現(xiàn)有典型CAM平臺在進行數(shù)控銑削編程時，其流程基本相同，主要涉及加工對象定義、刀具選擇、加工模式選擇、軌跡優(yōu)化編輯修改控制、后處理與實體模擬等方面內(nèi)容。典型CAM平臺在三軸聯(lián)動數(shù)控銑削加工編程方面，都包括為粗加工、精加工、清根加工三種模式以及實體模擬仿真。在刀具軌跡的生成控制方式主要包括二維輪廓粗精加工、、深孔鉆削加工、平行或環(huán)形等高分層銑削、螺旋銑削、曲面流線、投影加工、曲面清根、放射加工等功能，在高速銑削加工方面一般都提供高速R圓角控制、變速處理、直線擬合、樣條插補等軌跡優(yōu)化策略。利用典型的CAM平臺在加工某薄壁空間曲面。從圖中可以看出，在粗加工方面，各CAM平臺功能相當；但在清根處理上，UGNX、CATIA、CIMATRONE可進行多次清根處理；在實體仿真切削時，MASTERCAM、CATIA、CIMATRONE、SURFCAM等平臺相對而言模擬速度較快。
二、五軸數(shù)控銑削刀具軌跡設(shè)計
　　在利用CAM平臺進行五軸數(shù)控銑削刀具軌跡設(shè)計時，其核心內(nèi)容主要包括刀具軸矢量控制、軌跡驅(qū)動方式、進退刀處理、五軸數(shù)控機床后處理與五坐標機床加工仿真模擬等方面的工作。由于五軸加工時產(chǎn)品的復(fù)雜性和刀具軸控制的靈活性和多樣性，導(dǎo)致五坐標聯(lián)動加工編程的難度和復(fù)雜性較大。一般CAM平臺都提供五軸銑削數(shù)控編程功能，其主要包括（A）旋轉(zhuǎn)四軸：多用于帶旋轉(zhuǎn)工作臺或配備繞X、Y軸的旋轉(zhuǎn)臺的的四軸加工；如MACH1600位Z軸旋轉(zhuǎn)的工作臺可立臥轉(zhuǎn)換，可對外圓上的槽或型腔進行加工；（B）五軸底刃銑削：用于的底刃對空間曲面進行加工，避免傳統(tǒng)球頭刀的加工，此時需要對刀軸矢量進行合理的控制設(shè)計；（C）側(cè)刃五軸：利用的側(cè)刃對空間的曲面進行加工，避免球頭刀的R切削，能大幅度提高曲面粗精加工的效率；（D）五軸順序銑削與五面體加工：多用于銑削工步內(nèi)容比較多的多面體加工，如立臥轉(zhuǎn)換五面體加工中心可一次加工產(chǎn)品上的五個面或內(nèi)外腔的場合，多用于工序的復(fù)合化加工；（E）曲線五軸：對空間的曲面曲線進行五軸曲線加工；（F）五軸鉆孔：對空間的孔進行鉆，多用于孔的位置不再三個基準平面上比較特殊的場合，如圓錐面上的孔或產(chǎn)品上孔位的軸線方向變化的場合。
　　空間曲面五軸加工涉及的內(nèi)容比較多，尤其是五軸加工時更明顯。進行五軸加工時涉及加工導(dǎo)動曲面、干涉面、軌跡限制區(qū)域、進退刀及刀軸矢量控制等關(guān)鍵技術(shù)。四軸五軸加工的基礎(chǔ)是理解刀具軸的矢量變化。四軸五軸加工的關(guān)鍵技術(shù)之一是刀具軸的矢量（刀具軸的軸線矢量）在空間是如何發(fā)生變化的，而刀具軸的矢量變化是通過擺動工作臺或的擺動來實現(xiàn)的。對于矢量不發(fā)生變化的固定軸銑削場合，一般用三軸銑削即可加工出產(chǎn)品，五軸加工關(guān)鍵就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機床原始坐標系構(gòu)成空間某個角度，利用銑刀的側(cè)刃或底刃切削加工來完成。刀具軸的矢量變化控制一般有固定矢量、曲面法線、固定點、直線導(dǎo)動、直紋面導(dǎo)動、刀具軌跡投影、點位與任意矢量連續(xù)插補等方式。
　　典型CAM平臺在對某變錐度零件數(shù)控銑削加工編程時，現(xiàn)有的CAM平臺一般能滿足該產(chǎn)品五坐標銑削加工編程的需要。但是從用戶的使用經(jīng)驗上講，UnigraphicsNX平臺在刀具軸矢量控制方面表現(xiàn)得更加靈活，尤其是其提供的插補刀具軸矢量控制和順序銑削編程功能能夠使得用戶很輕松得完成所期望的五坐標聯(lián)動銑削刀具軌跡目標。
三、后處理程序開發(fā)模式
　　五坐標數(shù)控銑削加工編程的后處理程序開發(fā)的主要內(nèi)容包括：①算法處理：主要針對多坐標加工時的坐標變換、跨象限處理、進給速度控制。②數(shù)控系統(tǒng)控制指令的輸出：主要包括機床種類及機床配置、機床的定位、插補、主軸、進給、暫停、冷卻、刀具補償、固定循環(huán)、程序頭尾輸出等方面的控制。③格式轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換與圓整、字符串處理等：主要針對數(shù)控系統(tǒng)的輸出格式如單位、輸出地址字符等方面的控制。
五軸數(shù)控機床的配置形式多樣，典型配置有繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的兩個擺動工作臺，其二為主軸繞X軸或Y軸擺動，另外的工作臺則相應(yīng)繞Y軸或X軸擺動來構(gòu)造空間的五軸聯(lián)動加工。對于主軸不擺動的五軸數(shù)控機床，其擺動軸存在主次依賴關(guān)系，即主擺動軸（Primary Table）的運動影響次擺動軸（Secondary Table）的空間位置，而次擺動軸的運動則不影響主擺動軸的空間位置狀態(tài)。用于對典型的五軸機床運動方式進行配置，可對工作臺雙擺動、主軸頭雙擺動、主軸擺動及工作臺擺動、工作臺復(fù)合擺動（回轉(zhuǎn)）、主軸復(fù)合擺動（回轉(zhuǎn)）等典型五軸機床進行設(shè)置。主軸回轉(zhuǎn)或擺動對應(yīng)于相應(yīng)機床，其所處于主動軸或從動軸的形式。在確定機床運動類型以后，其旋轉(zhuǎn)軸矢量平面和旋轉(zhuǎn)中心等設(shè)置是非常重要的，：用于設(shè)置主動軸及次動旋轉(zhuǎn)軸矢量方向，設(shè)置主軸或工作臺復(fù)合擺動軸矢量方向。旋轉(zhuǎn)軸中心、偏心設(shè)置及刀具軸輸出設(shè)置。如下所示為在Mastercam平臺下的五軸機床類型設(shè)置。
        #Machine rotary routine settings
　　mtype : 0 #Machine type (Define base and rotation plane below)
　　#0 = Table/Table
　　#1 = Tilt Head/Table
　　#2 = Head/Head
　　#3 = Nutator Table/Table
　　#4 = Nutator Tilt Head/Table
　　#5 = Nutator Head/Head
　　head_is_sec : 1 #Set with mtype 1 and 4 to indicate head is on secondary

　　現(xiàn)有的CAM平臺提供的刀具路徑的文件包括標準的可編譯文件（如APT文件）和二進制文件. CATIA, UGNX, Surfcam,PROE等CAM都支持這兩種格式, MasterCam的NCI則是另外的文字格式檔案.后處理則各家大多有各自的后處理。除Mastercam采用文本方式以外，大部分CAM平臺都提供自己的后處理用戶界面，操作設(shè)置比較方便，尤其是可用于多CAM平臺和異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)，如Imspost后處理包可支持幾乎所有的通用CAM平臺和流行的數(shù)控系統(tǒng)。后處理程序的開發(fā)編輯模式各不相同，其UnigraphicsNX 采用UGPostBuilder，采用基于TCL語言的二次開發(fā)功能完成用戶開發(fā)；Mastercam提供基于GENERIC FANUC系統(tǒng)通用五軸銑削后處理文件，用戶需根據(jù)具體機床對其進行編輯修改，達到最終的使用要求。其中 CimatronE、 Catia可采用ImsPost進行后處理開發(fā)；Spost/Gpost則采用宏程序方式用于Surfcam 、Pro/Engineer 平臺。
四、機床加工仿真模擬接口
　　美國CGTech的產(chǎn)品VERICUT，它可用來在編程階段校驗加工程序的準確性，能夠讓編程人員對NC加工環(huán)境進行仿真。應(yīng)用VERICUT，可對包括工裝夾具在內(nèi)的整個機床建模，它的易修改的控制程序庫使得NC程序在仿真環(huán)境中的運行，完全模擬了在機床上的運行。一些CAM系統(tǒng)本身具備校驗功能，內(nèi)部校驗檢查的是內(nèi)部的CAD/CAM數(shù)據(jù)，它們在上機床執(zhí)行前往往已被轉(zhuǎn)換多次了。外部校驗系統(tǒng)則不僅能檢查內(nèi)部CAM文件，還能夠校驗G代碼。NC校驗軟件能夠校驗不同CAM系統(tǒng)生成的程序，用同樣的手段校驗所有的NC程序，使編程人員能夠?qū)λ�用的各種CAM系統(tǒng)得到穩(wěn)定的可靠的結(jié)果。NC校驗軟件能夠減少甚至省略在機床上進行人工的修正，這不僅節(jié)省了編程時間，更能使機床被解放出來完全用于加工產(chǎn)品。校驗程序還可使返工、加工出廢品和損壞加工刀具的可能性降到最低。
　　Vericut提供了許多功能，其中有對毛坯尺寸、位置和方位的完全圖形顯示，可模擬2~5軸聯(lián)動數(shù)控加工�，F(xiàn)有的CAM平臺都提供與Vericut的嵌入式接口或轉(zhuǎn)換功能。如下圖所示分別為UGNX、CATIA、Mastercam等平臺與Vericut之間的轉(zhuǎn)換設(shè)置，且它們可直接與Vericut進行嵌入式鏈接仿真，如Pro/Engineer、UGNX、CATIA、Mastercam平臺等。其中UGII/Vericut 切削仿真模塊是集成在UGII軟件中的第三方模塊，它采用人機交互方式模擬、檢驗和顯示NC加工程序，是一種方便的驗證數(shù)控程序的方法。由于省去了試切樣件，可節(jié)省機床調(diào)試時間，減少刀具磨損和機床清理工作。通過定義被切零件的毛坯形狀，調(diào)用NC刀位文件數(shù)據(jù)，就可檢驗由NC生成的刀具路徑的正確性。UGII/Vericut可以顯示出加工后并著色的零件模型，用戶可以容易的檢查出不正確的加工情況。
五、小結(jié)
　　典型CAM平臺用于數(shù)控銑削加工編程時，各平臺的基本功能都差不多。在細節(jié)控制上，UG更靈活，對于高速切削加工，應(yīng)采用螺旋銑削加工，或者是在轉(zhuǎn)角處配置圓弧過渡 都在一定程度上支持高速加工；在支持變速切削的功能上，高速加工轉(zhuǎn)角處的降速處理上，UG和CiamtronE相對好一些，CimatronE支持變速切削，Mastercam只有一次降速功能；在根部清根上的處理，UG和CiamtronE相對好一些，可實現(xiàn)多次清根；五軸銑削刀具軸矢量控制方式上，UGNX非常靈活，其它平臺基本都能滿足使用要求，主要依賴于用戶的靈活應(yīng)用開發(fā)上；后處理程序開發(fā)上UGII/PostBuilder靈活，Mastercam采用文本形式，而CimatronE與Catia均可采用支持異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)與CAM平臺數(shù)控程序轉(zhuǎn)換的Imspost進行后處理，Surfcam與Proe可采用同一后處理NCpost或Gpost；與Vericut軟件之間的接口關(guān)系，仿真加工上，各平臺均可鏈接；參數(shù)化驅(qū)動方面UGNX、Catia、Pro/Engineer等均支持參數(shù)化刀具軌跡編輯修改，相對其數(shù)控編程模板與參數(shù)化功能更強大一些。