CIMATRON 在轮廓数控车削编程中的应用

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1 问题的提出
     
; W$ R3 J2 m) m/ e( |    在实际生产中，某些零件的形状是由公式曲线或列表点曲线构成的回转体。由于目前数控车床的数控系统只具有直线和圆弧的插补功能（G01和G02），因此对于这类零件的车削加工，必须按规定的精度要求对轮廓进行直线或圆弧逼近，拟合生成节点后才能编制数控程序。
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    以往一般是首先建立零件的数学模型，确定轮廓逼近计算方法，再利用BASIC或C语言等编制特定的程序来进行拟合节点计算，从而实现零件加工，这样费时费力，操作过程十分繁琐。现在，随着CAD/CAM软件应用的普及，CAD/CAM技术为此类零件的节点计算编程提供了更好的方法，与传统方法相比，大大减少编程和调试时间，提高效率，拟合效果直观，便于检查和修改，同时也方便了产品的数据管理。目前使用的CAD/CAM软件种类很多，以色列的CIMATRON软件是其中一种，它是一套全功能、高度集成的CAD/CAM系统，被广泛应用在机械、电子、交通、航空航天等行业，它的CAD模块可进行复杂的零件曲面造型，CAM模块可编制各种方式的加工路径，包括数控车削、数控铣削、数控电火花线切割机等。
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' U* p# H4 g/ a% O* ~- I+ H% Z2 k    在利用CIMATRON软件进行非圆轮廓车削编程中发现，其车削模块功能仅限于直线拟合，无法进行圆弧拟合。由于直线拟合与圆弧拟合相比，各段连接处不光滑，轮廓度相对较差；而且在相同拟合精度下，数据段大大增加，程序容量大（一个上百段的直线拟合程序，如果用圆弧拟合编程可能只有十几段），因此找到一种能实现非圆轮廓圆弧拟合的简便方法，提高编程质量、零件加工质量和数控设备加工效率是十分必要的。
     
& }3 J) R7 H% V/ s    2 解决思路
     
( F1 y3 D6 K" L% {# L2 O5 N    通过不断地摸索和尝试，发现利用CIMATRON软件自身的功能，再充分结合机床数控系统的特性，可快速、准确地实现非圆轮廓圆弧拟合编程，关键内容包括三个部分。
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/ K  e  G) E7 u& i    2.1CIMATRON软件的CAM模块
     
    软件的二维轮廓平面铣削模块（PROFILE）具有直线拟合和圆弧拟合两种功能，因此考虑将零件模型转入平面铣削加工模式中，选择圆弧拟合方式，同时将铣刀半径值设为0，即让刀具沿零件图样上的实际轮廓线进行加工，产生刀位文件，这样就可以实现轮廓圆弧拟合铣削。
     
    2.2CIMATRON软件的后置处理
     
; K7 N! F4 h  P2 Z2 p    通过开发专用的后置处理程序对上述刀位文件进行处理，将铣削程序转换为沿零件图样尺寸加工的车削程序。
     
& I- v- z  b6 A, X    2.3车床的数控系统
     
    数控系统通常都具有刀具半径补偿功能（G41和G42），所以实际加工时，在车床的操作界面上输入实际使用的车刀圆角半径值，由数控系统自动计算来完成刀具半径补偿，从而最终实现对零件轮廓的正确加工。
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) F7 Y1 L7 {* P, Q  D    3 具体操作方法
     
    3.1零件CAD造型
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1 S. ~2 c% p8 h& J; }( s    要加工出合格产品的第一步就是建立准确的产品模型。启动CIMATRON软件，建立新模型文件，再进入造型模式（MODELING）。
     
" U* o4 ~4 o$ G    3.1.1公式曲线
     
& O" F/ Y# c  Q* o. }5 V) I    利用菜单USER→GEOMETRY→MATHCRV，可输入公式曲线的参数方程，从而建立XOY平面上的轮廓母线。应当注意，虽然曲线位于XOY平面上，也必须输入Z=0，不能忽略，否则出错。
     
: x$ R6 `/ W6 O8 H7 Y1 a- [    3.1.2列表点曲线
     
    首先利用菜单POINT→SINGELPOINT→KEYIN，输入零件每个点的X、Y坐标，接着利用菜单SPLINE→2DSPLINE，选择曲线所在的XOY坐标平面，选择拟合方式、拟合误差及输入的各个坐标点，即用样条曲线拟合生成列表点曲线。
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3 Q/ D( p0 ^0 p& b    3.2零件CAM加工
     
) W. W5 H( K6 r# p- N9 _, M& b# ~    将零件CAD模型转入加工模式（NC）中。
     
  h4 t4 G, d$ j( ?  c" N    1）选择菜单CREAT→MILL2.5AXES→PROFILE（二维轮廓加工），进入加工操作界面。
     
  v( `) Z; ]0 I% t0 u  \    2）根据工艺分析的装夹位置、加工对刀点和起终点来设定零件CAM坐标系原点、加工路线及进、退刀方式，输入切削参数（如FEEDRATES、SPINDLESPEED等），在拟合方式一栏中选择CIRC.APROX（圆弧拟合方式），即产生轮廓铣削刀位文件，之后还可利用MANUALEDIT菜单进行刀位文件的编辑修改。
     
7 _9 M9 h( F+ g3 z5 S: J    3.3后置处理程序
     
4 E( ?: g  V2 Y/ e- K) q3 V    后置处理部分是处理与机床控制器直接相关的信息，它是把刀位文件作为输入，经过处理，就可以输出数控机床加工用的NC指令文件，由于CIMATRON软件并没有针对此种特殊情况（铣削路径转车削路径）的后置处理程序，因此必须编制新的专用后置处理程序（文件后缀为EXF）。
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% l4 l+ B. v. g" ^    CIMATRON软件的后置处理程序由多个模块构成，可通过提取相关的系统参数，来编制相应的指令功能。编制该后置处理程序文件的关键在于：进行零件CAM平面铣削加工时，加工坐标系MACSYS是建立在XOY坐标平面上的，而数控车床的实际加工坐标系是XOZ坐标平面，因此必须在后置处理中进行坐标转换，即MACSYS坐标系中的X轴对应车床的Z轴，MACSYS坐标中的Y轴对应车床的X轴，同时由于车床程序中X值要求为回转体的直径坐标值，所以还必须对MACSYS坐标系中的Y轴坐标值进行关系运算。
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' O* i$ X, G6 S    在LINEARMOTION（直线插补模块）、CIRCULARMOTION（圆弧插补模块）中，分别编制如下语句。
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& V9 ?2 ]: ~- _7 e5 e    IFSET（XCURPOS）OUTPUT"Z"XCURPOS；ENDIF；
     
# n5 l" @; @2 J5 z0 x" }# J) E1 [    YY=2*YCURPOS；
- w2 A5 M. E2 |     
* _4 @, t- l' c' ~    IFSET（YY）OUTPUT"X"YY；ENDIF；
     
    其中XCURPOS、YCURPOS分别是X、Y当前坐标值，YY是计算的中间变量。
     
    同理在程序头、程序尾等模块中对X、Y坐标值分别进行转换，其余部分内容与通用的二维后置处理程序基本相同，同时应保证后置处理文件中编制的数控程序格式、指令代码等与实际机床数控系统相匹配。新编制的后置处理文件（*.EXF）在CIMATRON上调试编译通过（生成*.DEX文件）后方可使用，刀位文件通过该文件进行处理即产生适合机床加工的数控车削程序。
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    3.4调试和加工
     
    将加工程序经网络传送至数控车床，加工时，首先找正工件，对刀进行坐标系偏置，将机床上的工件坐标系与CAM坐标系设成一致；接着在机床数控系统参数表中输入实际车刀的刀尖圆角半径，实现刀具半径补偿；最后改变加工路径偏移量，实现轮廓粗、精车削加工。
     
    4结语
     
    在非圆轮廓的数控车削编程过程中，将CIMATRON软件与机床数控系统功能结合，快速、准确地产生圆弧拟合的数控程序，其编程效率高，拟合节点数少，程序短，大大优化数控程序，特别是它便于掌握，易于使用，为编程人员提供了一种理想的方法，在实际生产中得到了应用，效果良好。