陳建武

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系 福建 莆田 351254）

0.引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著日益重要的地位，而在數(shù)控機(jī)床對(duì)加工構(gòu)件進(jìn)行加工過(guò)程中，數(shù)控加工路徑的精確性直接影響到工件的加工質(zhì)量，而且良好的數(shù)控加工路徑還能在一定程度上節(jié)約材料。因此必須要將數(shù)控加工路徑編緝作為整個(gè)工件加工過(guò)程中的重中之重，而POWERMILL 軟件的出現(xiàn)，使數(shù)控加工路徑編緝中的重難點(diǎn)得到了有效解決，大幅提高了數(shù)控加工路徑的精確性，使工件加工質(zhì)量得到了明顯提高。但如何通過(guò)POWERMILL 軟件來(lái)更加高效的編緝數(shù)控加工路徑，卻也已成為諸多加工人員非常關(guān)注的課題。為此，有必要對(duì)基于POWERMILL 的數(shù)控加工路徑進(jìn)行深入的分析，以此幫助加工人員更加合理的應(yīng)用POWERMILL 軟件來(lái)對(duì)數(shù)控加工路徑進(jìn)行編緝。

1.五軸數(shù)控機(jī)床的數(shù)控加工控制方式

目前所使用的數(shù)控機(jī)床中，以五軸數(shù)控機(jī)床最為常見(jiàn)，但在利用POWERMILL 軟件對(duì)五軸數(shù)控加工程序進(jìn)行編制時(shí)，刀軸控制也已成為其重難點(diǎn)所在。對(duì)刀軸進(jìn)行高效的控制，不僅有助于工件加工質(zhì)量的提高，而且能夠大幅加快加工速度、節(jié)約加工材料?，F(xiàn)階段，對(duì)刀軸進(jìn)行控制的方法主要包括點(diǎn)控制、曲面控制、曲線控制以及綜合控制這四個(gè)類(lèi)別，例如，在利用POWERMILL 軟件對(duì)刀軸進(jìn)行控制時(shí)，需要對(duì)刀軸的垂直、傾側(cè)、朝向點(diǎn)、前傾、固定方向、自曲線等選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于五軸數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，刀軸的垂直加工方式應(yīng)采用3+2 模式，而在對(duì)刀軸進(jìn)行點(diǎn)控制時(shí)，則可選擇朝向點(diǎn)或自點(diǎn)兩種方式，用戶可自行對(duì)刀軸點(diǎn)進(jìn)行定義，而在對(duì)刀具的加工路徑朝向進(jìn)行選擇時(shí)，則對(duì)線進(jìn)行參考而不是路徑。在對(duì)朝向點(diǎn)進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)確保朝向點(diǎn)能夠與加工外部形狀相符合，而在選擇自點(diǎn)時(shí)，則應(yīng)與加工內(nèi)部形狀相符合。直線作為一種較為特殊的曲線，對(duì)于曲線的控制來(lái)說(shuō)，主要包括朝向直線、朝向曲線、自直線與自曲線四種控制方式，在上述方式中，均可由用戶來(lái)對(duì)刀軸曲線進(jìn)行定義，其中，對(duì)于朝向曲線及朝向直線的選擇來(lái)說(shuō)，應(yīng)與加工外部形狀相符，而對(duì)于自曲線及自直線的選擇來(lái)說(shuō)，則應(yīng)與加工內(nèi)部形狀相符。在進(jìn)行曲面控制時(shí)，既可以對(duì)工件自曲面進(jìn)行選擇，也可以由用戶來(lái)對(duì)輔助曲面進(jìn)行定義。在對(duì)工件側(cè)壁進(jìn)行精加工時(shí)，如果使用刀軸的自動(dòng)控制模式，如果刀軸是按照曲面進(jìn)行切矢運(yùn)動(dòng)時(shí)，則為曲面控制方式，如果利用三維坐標(biāo)軸中的極坐標(biāo)來(lái)定義刀軸固定方向，則也同樣為曲面控制方式。刀具在按照指定的路徑進(jìn)行方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以對(duì)刀具的前傾角或側(cè)傾角進(jìn)行定義，以使刀具能夠按照加工路徑中的線或面來(lái)進(jìn)行加工，此種控制方式為綜合控制方式。

2.五軸數(shù)控機(jī)床的數(shù)控加工路徑分析

2.1 數(shù)控加工路徑中的點(diǎn)控制

以下便對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床的數(shù)控加工路徑中的點(diǎn)控制方式進(jìn)行分析，當(dāng)工件的殼體屬于管狀結(jié)構(gòu)時(shí)，并且工件圓周分布有兩個(gè)對(duì)稱性質(zhì)的形狀為倒錐形的方腔，如果采用三軸機(jī)床來(lái)進(jìn)行成形刀加工，雖然加工效率比較高，不過(guò)刀具在對(duì)工件四周中的拐角位置進(jìn)行加工時(shí)，則可能會(huì)產(chǎn)生欠切問(wèn)題，并且還需要對(duì)成形刀進(jìn)行定制，這無(wú)疑便增加了工件的加工成本。因此，需要通過(guò)五軸數(shù)控機(jī)床來(lái)對(duì)該工件進(jìn)行加工，對(duì)于刀軸的控制應(yīng)采用點(diǎn)控制方式，由用戶對(duì)該點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行定義，在定義點(diǎn)時(shí)，通常需要在方腔中心的上部位置進(jìn)行定義，在對(duì)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行輸入時(shí)，其切削情況可能會(huì)有三種，第一種是刀軸控制點(diǎn)在三維坐標(biāo)系的Z 軸中較低，采用底齒來(lái)對(duì)工件進(jìn)行切削，并設(shè)置大進(jìn)給量與小步距切削，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的高精度加工，該切削方法的應(yīng)用是最為普遍的。第二種是刀軸控制點(diǎn)在三維坐標(biāo)系的Z 軸中較高，具時(shí)工件和刀具之間所接觸的點(diǎn)是位于刀具側(cè)齒的，如果采用這種方式，會(huì)產(chǎn)生欠切問(wèn)題。第三種是刀軸控制點(diǎn)在三維坐標(biāo)系的Z 軸中處于最佳位置，此時(shí)工件和刀具是呈側(cè)面相切的，利用這種方式雖然加工精度高且效率較快，但其在對(duì)方腔中的側(cè)面進(jìn)行切削時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同側(cè)面的Z 軸坐標(biāo)高度也不盡相同。綜合以上情況的考慮，在應(yīng)用點(diǎn)控制方式時(shí)，對(duì)控制點(diǎn)Z 坐標(biāo)位置的確定可通過(guò)型腔中心線、工件和刀具的側(cè)面切線以及工件殼體中分布的回轉(zhuǎn)中心線這三條線來(lái)構(gòu)成直角三角形，并以該直角三角形來(lái)對(duì)最佳控制點(diǎn)的Z 坐標(biāo)位置進(jìn)行確定。

2.2 數(shù)控加工路徑中的曲線控制

在利用曲線控制方法對(duì)刀軸進(jìn)行控制時(shí)，曲線在空間中所處的位置直接影響到刀具路徑質(zhì)量，因此在對(duì)數(shù)控加工路徑進(jìn)行編程時(shí)，如果采用曲面精加工方式，對(duì)于刀軸的控制則應(yīng)與曲線的朝向相一致，刀軸控制線應(yīng)為圓弧面中心線，刀軸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)按照?qǐng)A弧法線方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并確保刀具的底齒能夠和圓弧面進(jìn)行相切。由于刀具底齒中心在刀具運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的切削速度是0，這就造成底齒中心點(diǎn)是對(duì)工件進(jìn)行擠削的，因此無(wú)法進(jìn)行正常切削，此時(shí)應(yīng)在圓弧面中心線的上端對(duì)刀軸控制線進(jìn)行設(shè)定，這時(shí)刀具在對(duì)圓弧面進(jìn)行切削時(shí)，刀具的底齒便從圓弧的頂端轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)齒，從而使上述問(wèn)題得到有效解決，提高工件的切削效果。

2.3 數(shù)控加工路徑中的曲面控制

對(duì)于五軸數(shù)控車(chē)床來(lái)說(shuō)，其刀具自由度相比于三軸來(lái)說(shuō)要更多，并具備更復(fù)雜的控制姿態(tài)，因此在采用曲面控制方式來(lái)控制刀軸時(shí)，應(yīng)將最大材料去除率作為加工原則。由于刀軸控制采用最高效率時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)床軸角與刀軸矢量改變，從而頻繁出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸的加速與減速現(xiàn)象，因此在進(jìn)行刀軸曲面控制時(shí)，必須要對(duì)刀軸光順及工件的加工質(zhì)量等諸多因素進(jìn)行充分考慮，可通過(guò)多軸側(cè)壁精加工方式，使曲面能夠全部一次性完成。

2.4 數(shù)控加工路徑綜合控制

對(duì)于外形為風(fēng)洞的工件來(lái)說(shuō)，其工件截面眾多且無(wú)規(guī)則，因此在利用五軸數(shù)控車(chē)床對(duì)該工件進(jìn)行精加工時(shí)，應(yīng)先在尖點(diǎn)位置構(gòu)成一個(gè)圓柱曲面，以使其成為工件加工過(guò)程中的投影曲面，然后通過(guò)前傾或側(cè)傾的方式來(lái)對(duì)刀軸進(jìn)行控制，為了使刀心線出現(xiàn)切削速度為0 的情況得以避免，應(yīng)設(shè)置前傾角為5。

3.基于POWERMILL的數(shù)控加工路徑編緝分析

3.1 路徑裁剪

在利用POWERMILL 軟件對(duì)數(shù)控加工路徑進(jìn)行裁剪時(shí)，可在軟件中點(diǎn)擊右鍵來(lái)對(duì)刀具加工路徑進(jìn)行擊活，然后在編緝菜單中選擇截剪選項(xiàng)，此時(shí)會(huì)彈出裁剪列表，可根據(jù)平面、邊界或多邊形三種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具路徑的裁剪，并且也可由用戶自行選擇是否要對(duì)原有的初始路徑或部分需要保存的路徑進(jìn)行刪除。

3.2 路徑變換

在利用POWERMILL 軟件對(duì)數(shù)控路徑進(jìn)行變換時(shí)，可選擇鏡向變換、移動(dòng)變換或旋轉(zhuǎn)變換三種方式，其中，鏡向變換具備三個(gè)選項(xiàng)，用戶能夠通過(guò)這些選項(xiàng)對(duì)刀具路徑在三維坐標(biāo)系中的泫平面、XY 與XZ環(huán)繞方向進(jìn)行設(shè)定。移動(dòng)變換則可將已選刀具路徑按照設(shè)定的坐標(biāo)軸進(jìn)行指定距離的移動(dòng)。而旋轉(zhuǎn)變換則是根據(jù)工件加工過(guò)程中是否需要環(huán)繞X 軸、Y 軸或Z 軸來(lái)對(duì)已選刀具路徑進(jìn)行變換。對(duì)刀具路徑的變換可以加工形狀對(duì)稱的工件，當(dāng)模型在鏡向后出現(xiàn)過(guò)切問(wèn)題，便需要通過(guò)連接與切入切出的方式來(lái)對(duì)刀具路徑進(jìn)行處理，在對(duì)刀具路徑實(shí)施鏡向變換以后，應(yīng)確保其實(shí)際切削方向恰好與原有切削方向是左右或右左兩個(gè)方向進(jìn)行的。

3.3 路徑分割

在POWERMILL 軟件中，其可對(duì)刀具路徑進(jìn)行若干部分的分割，在彈出的刀具路徑分割對(duì)話框中，應(yīng)確保所采用的裁剪工具處于編程坐標(biāo)系以內(nèi)，將不必要的刀具路徑進(jìn)行去除，在對(duì)刀具路徑進(jìn)行分割時(shí)，可依照該刀具路徑在編程坐標(biāo)系中所呈現(xiàn)出的方向、時(shí)間、角度、長(zhǎng)度等進(jìn)行分割，此外還可對(duì)刀具路徑是否需要陡峭或淺灘部分來(lái)進(jìn)行選擇性分割。

3.4 路徑重排

在利用POWERMILL 軟件對(duì)數(shù)控路徑進(jìn)行重排時(shí)，可根據(jù)分割后的路徑來(lái)對(duì)其各個(gè)切削段的順序進(jìn)行重新排列與修改，以此形成一個(gè)全新的數(shù)控加工路徑，并且在該數(shù)控加工路徑中，還可對(duì)刀具的運(yùn)動(dòng)路徑方向進(jìn)行調(diào)整，以此避免刀具在加工工件過(guò)程中發(fā)生跳刀問(wèn)題，從而使刀具對(duì)工件的切削方向變得更加合理。在刀具路徑重排對(duì)話框中，其是通過(guò)表格的形式對(duì)刀具路徑的運(yùn)動(dòng)軌跡和切削順序進(jìn)行列出的，用戶可根據(jù)需要來(lái)選擇刀具路徑段，此時(shí)所選擇的刀具路徑段是以高亮的方式進(jìn)行顯示的，用戶可利用該表格來(lái)對(duì)刀具路徑的切削順序及方向進(jìn)行刪除與重排。

4.結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床的數(shù)控加工控制方式進(jìn)行探討，并對(duì)這些控制方式的數(shù)控加工路徑進(jìn)行了分析，從而明確了各個(gè)控制方式來(lái)編緝數(shù)控加工路徑中的重難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)POWERMILL 軟件在數(shù)控加工路徑中的編緝應(yīng)用進(jìn)行了分析，從而明確了POWERMILL 軟件的具體應(yīng)用及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。通過(guò)POWERMILL 軟件來(lái)對(duì)數(shù)控加工路徑進(jìn)行高效合理的編緝，能夠使數(shù)控機(jī)床效率得到明顯提高，從而提高了工件的加工質(zhì)量，進(jìn)而為數(shù)控機(jī)床加工人員提供了寶貴的參考意見(jiàn)。