劉寶明，張 浩，韓志仁,，賈 震

LIU Bao-ming1, ZHANG Hao2, HAN Zhi-ren1,2, JIA Zhen1

（1.航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué) 航空宇航工程學(xué)部，沈陽 110136）

0 引言

隨著數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)中飛速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已成為現(xiàn)在制造技術(shù)的主流[1]。旋壓技術(shù)由于其切削余量小，細(xì)化組織晶粒等特點(diǎn)，已成為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要部分[2]。而數(shù)控旋壓技術(shù)作為一個(gè)新興數(shù)控制造技術(shù)，它綜合了數(shù)控和旋壓兩方面的優(yōu)勢(shì)得到越來越多人的關(guān)注。

我國(guó)的數(shù)控旋壓技術(shù)已接近國(guó)際先進(jìn)水平，許多自行設(shè)計(jì)制造的新型、高精度數(shù)控旋壓設(shè)備不斷涌現(xiàn)。國(guó)產(chǎn)旋壓設(shè)備在吸收、消化國(guó)際先進(jìn)數(shù)控技術(shù)過程中取得了很大的成就,但是旋壓數(shù)控編程技術(shù)發(fā)展滯后[3]。目前國(guó)內(nèi)的數(shù)控旋壓主要采用手工編程，工作量大，編程周期長(zhǎng)。并且對(duì)于非圓截面的復(fù)雜零件來說，傳統(tǒng)的手工編程方法已經(jīng)不能滿足要求，迫切需要開發(fā)自動(dòng)編程軟件。

通過對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)出自動(dòng)編程系統(tǒng)，利用用戶制定的一些基本參數(shù)，自動(dòng)生成基于SIMNS-840D數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控旋壓程序。提高復(fù)雜的零件旋壓工藝準(zhǔn)備效率，大大減少了編程人員的工作強(qiáng)度。

1 五軸數(shù)控旋壓機(jī)床的控制系統(tǒng)介紹

PS-CNCXY600-5型五軸數(shù)控旋旋壓機(jī)床（如圖1所示）采用德國(guó)SIMNS-840D SOLUTION LINE控制系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了PLC可編程控制器。進(jìn)給軸采用SINAMIC DOUBLE MOTOR MODULE模塊式驅(qū)動(dòng)器及l(fā)FK7-系列三相交流伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)。主軸采用交流伺服器來驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸的無級(jí)調(diào)速，并能進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

圖1 五軸數(shù)控旋壓機(jī)床

圖2 機(jī)床工作部分

該機(jī)床的SIMNS-840D SOLUTION LINE數(shù)控系統(tǒng)具有以下功能：具有各種誤差補(bǔ)償：測(cè)量系統(tǒng)，絲杠螺距，反向間隙，刀補(bǔ)。系統(tǒng)還具有很強(qiáng)的自診斷功能，編程時(shí)可采用M，S，T功能，恒定切削速度，直線及圓弧插補(bǔ)等，在操作及編程方面，程序可手動(dòng)輸入，也可PC機(jī)傳輸。使用圓弧插補(bǔ)進(jìn)行極坐標(biāo)編程，圓弧半徑直接編程，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，縮放功能，參數(shù)編程（R參數(shù)），具有多種循環(huán)子程序。圖2為旋壓機(jī)床工作部分。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 異形件切觸點(diǎn)軌跡的生成

異形件旋壓自動(dòng)編程技術(shù)的關(guān)鍵在于如何根據(jù)異形旋壓件的輪廓獲得精確的旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡。目前輪廓軌跡的生成主要依靠數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，但這種方法存在很大的弊端[4]。即五軸數(shù)控旋壓機(jī)床加工異形件時(shí)主軸和旋輪聯(lián)動(dòng)，即主軸旋轉(zhuǎn)角度跟旋輪進(jìn)給存在線性關(guān)系。而傳統(tǒng)的手工編程方法是依靠主軸轉(zhuǎn)角和旋輪進(jìn)給線性關(guān)系編程，由于非圓截面零件表面到主軸的距離在發(fā)生變化，在轉(zhuǎn)角不變的情況下，旋輪在零件表面的線速度會(huì)發(fā)生變化（如圖3所示）方形件截面在轉(zhuǎn)過相同的角度θ時(shí)，旋輪走過的距離a和b不相等，導(dǎo)致旋輪發(fā)生滑移，加工出現(xiàn)誤差，（如圖4所示）為異形件在加工過程示意圖。

圖3 方形件截面

圖4 旋壓示意圖

為了使旋輪的軸向進(jìn)給均勻，需要對(duì)旋輪的線速度進(jìn)行控制。要求旋輪相對(duì)零件表面的線速度在加工的整個(gè)過程中盡量相等。因此必須從旋輪的切觸點(diǎn)軌跡出發(fā)，把切觸點(diǎn)軌跡進(jìn)行等分，只要控制機(jī)床旋輪勻速的走過這些切觸點(diǎn)，就能保證旋輪線速度每一時(shí)刻相同。雖然這種主軸轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，但機(jī)床主軸是可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化的。切觸點(diǎn)軌跡的生成是根據(jù)幾何模型理論外形尺寸建立螺旋曲面與幾何模型表面相交得到的，再把上述軌跡進(jìn)行長(zhǎng)度等分。通過獲取等分點(diǎn)的坐標(biāo)，可用于數(shù)控程序的編制。

2.2 切觸點(diǎn)軌跡的獲取及旋輪坐標(biāo)點(diǎn)的獲取

SIMNS-840D SOLUTION LINE數(shù)控系統(tǒng)有自動(dòng)刀位補(bǔ)償功能，只要得到切觸點(diǎn)軌跡就能快速的得到走刀路徑，所以提取切觸點(diǎn)軌跡是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程的關(guān)鍵。

2.2.1 獲得零件幾何信息

在CATIA環(huán)境下，采用人機(jī)交互方式獲得圖形實(shí)體的幾何信息時(shí)，首先人工選擇實(shí)體來獲得幾何信息，這種方式適用于一般情況下的任何數(shù)模。當(dāng)用戶選擇實(shí)體時(shí)，被選擇實(shí)體將變?yōu)楦吡?，增?qiáng)用戶的視覺感覺，最后把被選擇的實(shí)體放入到一個(gè)指針中。得到零件幾何信息的方法是運(yùn)用CAA庫中的一些函數(shù)，首先從CATIA 文件名獲得產(chǎn)品文檔指針(CATIDocument)，再由產(chǎn)品文檔指針取得產(chǎn)品指針(CATIProduct)，調(diào)用CATIProduct類中的函數(shù)GetChildren()獲得下一級(jí)節(jié)點(diǎn)，循環(huán)判斷每個(gè)節(jié)點(diǎn)是否為零件類型(CATPart)，最終得到零件指針。

2.2.2 獲取切觸點(diǎn)軌跡信息

首先在拾取到的零件中得到中心軸線，用中心軸線與零件上下平面相交得到零件的高度。再利用人機(jī)交互的方式輸入螺距和構(gòu)建兩條螺旋線的半徑，通過中心軸、高度、內(nèi)外半徑得到兩條相似的螺旋線，通過填充函數(shù)生成螺旋面，運(yùn)用CreateIntersect()函數(shù)與零件體相交。因?yàn)橄嘟痪€所在的類從Object類派生出來，可以直接得到相交曲線，獲得切觸點(diǎn)軌跡。如圖5為螺旋面與幾何模型表面相交后形成的切觸點(diǎn)軌跡。

圖5 相交后切觸點(diǎn)軌跡

得到切觸點(diǎn)軌跡后，人機(jī)交互的輸入等分份數(shù)，對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)度上的等分，再通過程序得到每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。這些坐標(biāo)值能直接用于NC程序的生成。圖6為得到切觸點(diǎn)軌跡流程圖。

圖6 軌跡流程圖

2.3 軟件系統(tǒng)基本框架的設(shè)計(jì)

數(shù)控旋壓自動(dòng)編程系統(tǒng)是基于CATIA平臺(tái)下進(jìn)行二次開發(fā)，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)上采用模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)軟件的功能需求，系統(tǒng)主要包括以下五個(gè)基本模塊：圖形處理模塊、信息提取模塊、參數(shù)輸入模塊、后置處理模塊、代碼仿真與校驗(yàn)?zāi)K。軟件整體流程圖如圖7所示。

圖7 軟件整體流程圖

2.3.1 圖形處理模塊

零件圖形包括零件實(shí)體輪廓、中心線、尺寸標(biāo)注等元素。繪制圖形時(shí)，需賦予圖形元素相關(guān)聯(lián)的性質(zhì)，以便準(zhǔn)確提取圖形的實(shí)體信息。

2.3.2 信息提取模塊

圖形信息提取主要分三部分，第一是通過人工選擇零件的軸線、上下表面，從而得到繪制螺旋面的基本要素。二是手動(dòng)輸入用于生成螺旋面的參數(shù)，如螺距、兩條螺旋線半徑等。通過拾取的軸線和輸入的參數(shù)生成螺旋面。三是運(yùn)用CAA函數(shù)庫中的CreateIntersect()函數(shù)得到返回值即為切觸點(diǎn)軌跡。

2.3.3 參數(shù)輸入模塊

交互輸入加工工藝參數(shù)、旋輪參數(shù)以及機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)要求其他參數(shù)等，例如：加工刀具參數(shù)、刀具安裝參數(shù)等。

2.3.4 后置處理模塊

根據(jù)工件坯料的性能,確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等加工參數(shù)。獲得切觸點(diǎn)軌跡和工藝參數(shù)后，由于旋壓機(jī)床旋輪在零件外側(cè)，如果機(jī)床主軸正轉(zhuǎn)即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋輪用左刀補(bǔ)即G41，相反如果需要主軸反轉(zhuǎn)則用G42。離散點(diǎn)坐標(biāo)通過他們的X、Y、Z分量，如果成線性變化（G01）即直線插補(bǔ)。如果出現(xiàn)相鄰三個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)值之間沒有線性關(guān)系用（G02或G03）圓弧插補(bǔ)。最后進(jìn)行編譯生成NC代碼。

2.3.5 對(duì)代碼動(dòng)態(tài)模擬仿真與校驗(yàn)?zāi)K

模擬加工軌跡通過刀位文件模擬。刀位數(shù)據(jù)文件中的坐標(biāo)可以直接為CATIA所利用，可以在屏幕上直接顯示軌跡。然后比較新生成的圖形與零件圖是否吻合，以確定加工軌跡是否正確。如果不滿意，可進(jìn)行修改，重新生成NC程序。

3 實(shí)例運(yùn)行

根據(jù)本文提出的思路，建立了基于CAA/CATIA的自動(dòng)編程平臺(tái)（如圖8所示）。

圖8 自動(dòng)編程平臺(tái)

圖9 程序段

以某異型旋壓零件模型為例，首先導(dǎo)入該零件，再人工交互式的選擇零件的軸線和表面，輸入幾何參數(shù)，點(diǎn)擊代碼生成按鈕，程序后臺(tái)將自動(dòng)編寫NC代碼，最后點(diǎn)擊導(dǎo)出到TXT文件按鈕，將NC代碼存入TXT文件中，如圖9為TXT文件中的程序段。如需要仿真可將生成的TXT文件導(dǎo)入，生成切觸點(diǎn)軌跡和已知零件模型進(jìn)行對(duì)比，如符合要求，可將文件導(dǎo)入機(jī)床。由于本設(shè)備SIMNS-840D數(shù)控系統(tǒng)有自動(dòng)將TXT文件轉(zhuǎn)化成機(jī)床能識(shí)別的MPF文件功能，可以直接使用TXT文件。最后進(jìn)行零件加工，得到零件如圖10所示。

圖10 自動(dòng)編程所加工的零件

4 結(jié)論

本文通過對(duì)異形件五軸數(shù)控旋壓自動(dòng)編程技術(shù)的研究，開發(fā)出了一套符合SIMNS-840D數(shù)控系統(tǒng)軟件。能夠利用CATIA中的數(shù)模快速的生成針對(duì)SIMNS-840D數(shù)控系統(tǒng)的NC代碼，使異形件旋壓數(shù)控機(jī)床程序編寫困難或者根本無法編寫的難題得以解決，減少了由于旋壓件的改變而給工人帶來的繁重工作任務(wù)，為數(shù)控旋壓領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn)，推動(dòng)了五軸數(shù)控旋壓自動(dòng)編程技術(shù)的發(fā)展。

[1] 王愛玲,沈興全,吳淑琴,等.現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2002.7-9.

[2] 夏琴香,程秀全.非圓截面零件的旋壓成形方法及其設(shè)備[P].中國(guó)：ZL 200810219517.4,2010(9).

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[6] 王映品.五邊形截面空心零件旋壓成形數(shù)值模擬與工藝研究[D].廣州：華南理工大學(xué).2011.