图形化数控编程

青华工作室

       图形化数控编程是数控程序编制的发展方向，尤其是对大型三维复杂零件的加工更是如此。本文介绍了采用NX软件实现复杂零件数控加工的图形化编程技术的一般方法。
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$ _1 E0 z$ @6 {9 z& I" K1 C        一、引言
9 j" p1 i5 `2 H+ y& ^        数控机床是按照编制好的加工程序自动对工件进行加工的高效自动化设备。数控程序的质量是影响数控机床的加工质量和使用效率的重要因素。数控编程技术是随着数控机床的诞生而发展起来的技术，至今已经历了手工编程、语言自动编程和图像自动编程三个发展阶段。对于几何形状不太复杂的简单零件，计算简单，加工程序不多，采用手工编程较容易实现，但对于形状复杂或程序量很大的零件，手工编程难于胜任。语言自动编程与手工编程相比，提高编程效率数倍乃至数十倍，但它必须对要加工的每一个几何体作精确的描述和定义，而某些复杂的几何图形几乎难以用语言来精确描述，在三维加工领域更是这样。特别是当今CAD技术的蓬勃发展更衬托出这种编程方法的不适应性，于是20世纪80年代后期就进入了基于图形的图像自动编程阶段。图形化编程所需要的零件图在CAD/CAM系统中由CAD软件产生，无需数控编程者再次进行建模，编程者只要输入必要的工艺参数、指定被加工部位和参考面，程序就自动计算出刀具的加工路径，模拟加工状态，显示刀具路径和刀具形状以检验走刀轨迹，如有错误，可立即修正。图像编程大大减小了编程出错概率,提高了编程效率和可靠性。
       NX2.0是美国Unigraphics Solutions公司的一个集CAD、CAE和CAM于一体的计算机辅助机械设计制造系统。NX的加工制造模块功能极强，它在航空制造业和模具制造业已有20多年成功应用经验，是其他应用软件无法比拟的。下面以图1所示的型腔零件加工工艺中经常采用的数控加工为例，对NX/CAM的图形化数控编程技术进行简解。

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- t. \1 E6 u) ?8 C. e  q( A, R      二、NX图形化数控编程的特点和步骤
6 H( Z( G$ {3 b: j       数控加工的图形化编程技术区别于普通数控编程技术的明显特点是：待加工零件的设计和加工编程是基于同一个CAD/CAM环境下实现的，即数控加工刀具轨迹的产生依赖于产品的几何信息，并根据设计者提供的加工参数和刀具信息自动计算产生的。图形化数控自动编程技术实现了产品设计和制造过程信息模型的无缝连接，可有效地保证数控加工的质量和效率。NX2.0实现数控加工图形化编程的具体流程框图如图2所示。该型腔零件的数控加工，主要采用数控铣削。NX/CAM提供了强大的数控铣加工功能。型腔CAD模型产生以后，可采用以下几个步骤实现加工设计和产生加工操作：
       1. 刀具节点设置
       2mm钻头、R3球头刀。仿真加工用刀具参数与车间现场基本一致，能比较准确地验证后置处理程序的正确性。80mm盘铣刀、2mm铣刀、4mm铣刀、8mm铣刀、16mm精加工铣刀、16mm的粗加工铣刀、与普通数控编程一样，在进行图形化数控编程时，首先应确定该种加工所采用的刀具类型和相关尺寸。加工中根据零件结构特点和尺寸要求，结合车间刀具的实际情况，完成型腔零件数控加工共选用了8把刀具，分别是：16mm的粗加工铣刀、16mm精加工铣刀、8mm铣刀、4mm铣刀、2mm铣刀、80mm盘铣刀、2mm钻头、R3球头刀。仿真加工用刀具参数与车间现场基本一致，能比较准确地验证后置处理程序的正确性。
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        根据系统提供的菜单输入加工过程的控制信息，如它允许规定开始加工的起始点，加工结束的返回点、回零点。可以规定加工过程中刀具移动的安全平面和刀具运动的底限制平面。由于数控机床运动速度较快，为了保证加工安全，对刀具移动的安全平面设置为零件上表面10mm处。
# X6 g" K% O7 k9 V8 ]       3. 选择切削方法
1 D0 ]. e2 G3 ], E       铣削方式的选择决定了铣削的质量和效率，NX/CAM中提供了多种切削方法可供选择：往复型切削（Zig-Zag）、单向切削（Zig）、单向带轮廓（Zig with Contour）、仿形外轮廓（Follow Periphery）、仿形零件（Follow Part）、轮廓铣（Profile）、标准驱动（Standard Drive），这些切削方法里都可以分别决定不同的刀轨样式。在加工型腔零件时多采用仿形外轮廓（Follow Periphery）方法，它的刀轨是连续切削的刀轨，既有较高的切削效率也能维持切削稳定和加工质量。
( m+ Q* R# A$ W& b3 E       4. 选择切削余量
       根据操作的加工特点如精加工、半精加工或精加工的不同特点，确定零件的底面、侧面和干涉检查面的不同的余量数值，确保零件加工质量并充分考虑加工效率。
; L. s6 g" P4 H/ r       5. 确定步距和跨距
, S- Z0 ^8 G; ~" ]) q7 O' O+ F       控制加工过程中刀具相邻刀次的间距是决定零件加工表面质量和加工效率的重要因素，必须合理搭配，步距宽加工速度相对较快但表面质量差，反之则加工速度慢而切削表面质量较高，进行工艺设计时应根据加工的不同特点合理选取。可以用恒定、刀具直径的百分比、残余波峰高度、可变等不同的方法来指定步距的方式和参数。
       6. 确定进刀和退刀
, F: l' ?0 i3 s" K! W6 o       在某些单向型铣加工中，进刀和退刀问题显得特别重要，没有合适的进刀路线加工甚至不能正常进行。
根据拟定的工艺流程确定型腔零件的加工方法和操作如下：
+ L# Y( P% F. a5 p: O9 I; k4 n        (1)精铣上表面，加工方法采用MILL_FINISH，操作采用FACING_MILLING；
+ _2 v# u$ R* e/ B        (2)粗加工外形，加工方法采用MILL_ROugH，操作采用PLANAR_PROFILE；
. x$ S2 G+ K6 x  N0 {! s3 o8 U        (3)粗加工内腔，加工方法采用MILL_ROUGH，操作采用PLANAR_PROFILE，侧面余量留1mm；
' A8 J" n) O6 v, _* A: _# [        (4)精加工内腔，加工方法采用MILL_FINISH，操作采用FINSH_FLOOR，侧面余量留0-1mm；
* p) R7 q, I5 Y6 I+ K& \+ j( J        (5)精加工内腔底平面，加工方法采用LATHE_FINSH，操作采用PLANAR_MILL；
        (6)加工止口，加工方法采用MILL_FINISH，操作采用FINISH_WALLS；
$ G: a. J# r9 J& h5 G        (7)加工内腔缺口，加工方法采用MILL_FINSH，操作采用CLEANUP_CORNERS；
        (8)预钻孔，加工方法采用DRILL_METHOD，操作采用SPOT_DRILLING；   
% u% f$ K4 {' n: R1 B- X" h        (9)精加工外形，加工方法采用MILL_FINISH，操作采用PLANAR_PROFILE；
( u  D1 u6 [! ]' W+ Y$ d7 r* j       (10)加工外凸台圆角，加工方法采用MILL_FINSH,操作采用FINISH_WALLS（翻面后，装夹完成后开始另一面的加工）；
       (11)去除工艺夹头，加工上表面，加工方法采用MILL_FINISH，操作采用FACING_MILLING_AREA；
$ [/ `& c2 q* \) ?       (12)加工内腔，加工方法采用MILL_FINISH，操作采用PLANAR_MILL。
       在创建操作的同时也对前述的各项切削参数和其他选项进行定义，如主轴转速、进给率、切削深度等，这样就由NX2.0根据加工方式的设置自动计算出走刀次数和路径。

* N# a: ]4 w% |; A        三、数控程序的仿真加工
        NX2.0加工仿真功能可以交互式地模拟演示材料按数控刀轨数据被去除的过程，加工前对完成的加工操作进行验证。
图3～图5为通过NX2.0的仿真加工生成零件仿真图，其中图3为完成外形粗加工后的仿真，图4为完成内腔精加工后的仿真，图5为完成上面加工后的仿真。
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        四、数控加工NC代码的生成
$ `& Y) Y4 J. b% Z8 x1 ~+ d4 Y6 W        经过仿真，型腔零件加工刀轨最终形成如下的程序树(如图6):

         

6 @) O9 g6 o- x( X( m$ g        零件加工的刀具轨迹文件产生以后，其计算结果是不能直接在数控机床上使用的，这是因为数控机床中的控制系统只能识别数控指令，如G代码、M代码等。为了得到能够驱动数控机床工作的NC指令必须将刀位文件转换成特定的数控指令，即进行后处理。NX/CAM提供了两种后置处理方法，分别是图形后处理模块GPM（Graphics Postprocessor Module）和UGPOST后置处理方法。GPM后置处理方法是一种旧式方法，但是还有很多人在使用这种处理方法。从UG V16开始，提供一种叫做UGPOST的后置处理（UG/Post Postprocessor），UGPOST后置处理不需要CLSF和MDFG，可以直接利用操作导航工具中的操作生成NC文件，基于UGPOST后置处理方法的上述优势，在生产实际中将逐步取代GPM后置处理方法。将生成的刀轨通过由UGPOST完成的Conquest VMC700数控机床后置处理进行转换，生成Conquest VMC700控制器能够接受的NC程序，通过计算机RS232串行口和机床专用数据接口连接，NC程序被传输至机床。下面是所生成的NC代码。
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        N0010G40G17G80G90
2 R8 |' J0 [9 |; f6 ?/ Y' U4 a        N0011T01M06
6 x3 h( G- q. G# C& a; B        N0012G43H01Z100.
        N0013G54
. R: N4 R" v2 n. g" ^# C5 @; _        N0014G00Y10.598S0X-.267M13
: c, ~" V- o* D3 `$ B/ r+ _5 q5 M& U        N0015G00Z29.
0 E  i9 C' f: ~* c4 x, E        N0016G00Z5.
+ O; M7 ?" F% Y5 x. O1 S        N0017G41G01Y10.424Z4.61F250D11X-1.712
; K9 p6 I9 Z8 e4 N: N% o        N0018G01Y9.82Z4.148X-3.326
        N0019G01Y8.85Z3.686X-4.751
& d- \* s8 P9 ~/ ~- r$ Y# V, r        N0020G01Y7.57Z3.224X-5.906
" E0 C, @0 {, j+ c7 ~  r       N0021G01Y6.43Z2.872X-6.564
2 b( k1 P' y9 R/ B$ b       N0022G01Y4.79Z2.41X-7.095
       N0023G01Y3.071Z1.948X-7.222
) q) j6 ?. h9 `6 A/ i       N0024G01Y1.37Z1.486X-6.939
       N0025G01Y-.215Z1.024X-6.261
2 y3 V: @1 U/ u8 |       N0026G01Y-1.595Z.562X-5.228
/ @/ I/ z0 |$ }* e* {4 m, s& ^       N0027G01Y-2.69Z.1X-3.896
3 Q1 m; Y( w& ?* D& u7 k& P       N0028G01Y-3.44Z-.362X-2.344
9 h8 G4 G" X. v7 u) N+ K' E' O" F       N0029G01Y-3.8Z-.824X-.658
       N0030G01Z-1.X0.0
& ?/ b4 k0 A0 H) N8 C/ x       …
       N1950G03Y-82.745I7.J0.0X101.
       N1951G00Z29.
9 M) G  Z& c! `) V7 |5 G. U       N1952G40
- a3 ?0 t7 H  K$ n0 i6 d       N1953Z100.
       N1954G00Y-82.745S0X-101.M13
: }9 P9 n! e4 Q( m1 w6 {       N1955G00Z-21.75
+ g# v/ \, @9 y: O  ~# {/ o       N1956G41G01Z-24.75F250
       N1957G03Y-77.I-4.J5.745X-98.
       N1958G01Y77.Z-24.75
% R2 H  o3 i0 O5 a2 z, i       N1959G03Y82.745I-7.J0.0X-101.
       N1960G00Z29.
& |6 }; K, e% k0 f( J- x9 p8 T# h       N1961G00Z200.
       N1962G00Y0.0X0.0
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1 R8 P2 K& D& S. b       五、结论
7 g! w. h; c$ x# i; W       复杂型面零件的图形化数控加工编程的诸多优点，使得这种编程方式成为数控编制技术领域的一个发展方向，但应指出该种编程方式虽然先进，但智能化程度不高，要求编程者对数控加工工艺具有丰富和成熟的经验，才能编制出高质量的数控加工文件，因此提高现有图形化数控编程技术的智能化水平是今后发展的一个必然趋势。
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