李鐵鋼

（沈陽工程學院 機械學院，遼寧 沈陽 110136）

數(shù)控加工在智能制造工程實踐中的應用日益廣泛，由于零件結構復雜、工藝方案變化和程序更改等原因，對生產(chǎn)計劃安排造成了極大的挑戰(zhàn)。因此，如何在數(shù)控加工前獲得精確的加工時間對于生產(chǎn)計劃的安排和生產(chǎn)進行至關重要。

現(xiàn)今，數(shù)控程序廣泛采用CAM 軟件編制，CATIA是廣泛使用的智能數(shù)控加工輔助編程軟件，主要用于數(shù)控銑、數(shù)控車和車銑復合等加工，在傳統(tǒng)的汽車、航空航天、模具和機械制造等領域應用廣泛［1-2］。CATIA 編程時需要經(jīng)過后置處理生成與具體的機床結構和數(shù)控系統(tǒng)相關的加工程序。CATIA 不具有后置處理功能，需要利用其生成的ASCII 碼文本型前置刀位文件，再結合VB.net 等高級語言進行字符處理，生成機床加工所用的數(shù)控程序。

在后置處理階段的同時，計算出機床的實際切削時間將給后來進行的工藝安排和生產(chǎn)組織提供數(shù)據(jù)支撐，但是從現(xiàn)有數(shù)控加工工程實踐上看，單純根據(jù)設定的切削進給速率計算所得的加工時間與實際切削時間有很大的差異，需要研究后置處理器實際切削時間的計算方法和實現(xiàn)路徑。

本文針對CATIA 前置文件，提出了后置處理精確加工時間的計算方法，并研究了運動路線處理和模塊軟件開發(fā)等關鍵技術。

1 實現(xiàn)關鍵技術

1.1 機床加減速

以典型的西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)為例，機床在運動進給過程中，特別是在日益廣泛發(fā)展的高速切削加工中，為了保障機床運動的平穩(wěn)性，提高機床的使用壽命，縮短機床運動的過渡時間，在單一程序段的恒定切削進給速度下，需要有一定的加減速階段，通常導致時間計算的誤差。

常用的機床加減速性能曲線通常俗稱為S 曲線加減速，此方法運動平穩(wěn)，可靠性高，如圖1 所示。在一個程序段中的運動軌跡時間由加加速時間T1、勻加速段時間T2、減加速段時間T3、勻速段時間T4、加減速段時間T5、勻減速段時間T6和減減速段時間T7組成，即：

圖1 S曲線加減速特性

開發(fā)的數(shù)控加工后置處理器需要獲得數(shù)控系統(tǒng)的加工參數(shù)，現(xiàn)代企業(yè)內(nèi)部通常采用局域網(wǎng)實現(xiàn)信息的集成，后置處理器可以通過獲得機床當前系統(tǒng)參數(shù)來計算具體加工時間。

1.2 直線插補時間

設α是機床最大加速度，J是機床的最大加加速度，Si（i=1,2,…,7）為每個階段的路程，分別對應于T1～T7的各階段，Vi（i=1,2,…,7）為每個階段的速度，F(xiàn)為編程進給速率，則對于直線插補求得的各階段速度有［3-4］：

每個程序段的路線長度可以直接由前置文件的字符直接分解的線段首末點的坐標計算得到。假設直線開始點為ls(xs,ys,zs)，直線終止點為le(xe,ye,ze)，則直線的位移d為

由以上各式聯(lián)立即可求得本移動程序段的加工時間。

1.3 圓弧插補

圓弧插補如圖2 所示。以平面內(nèi)的圓弧為例，進行圓弧插補前的刀位點為P1(x1,y1,z1)，此點即為圓弧插補的起點。由圓弧APT 語句得到圓弧插補的圓心坐標為O(x0,y0,z0)，圓弧的終點坐標為P2(x2,y2,z2)。

圖2 圓弧插補

設圓弧的長度為L，弧長對應的圓心角為β，圓弧的半徑為R，則計算如下：

設數(shù)控編程時給定的進給速度為F，機床允許的最大加速度為α，最大加加速度為J，則實際進給速度V為

1.4 固定循環(huán)

固定循環(huán)程序用來進行鉆孔、鏜孔和攻絲等加工，用一條格式化的指令實現(xiàn)復雜的加工動作，可以簡化程序段。經(jīng)典數(shù)控系統(tǒng)的固定循環(huán)只能加工孔軸線為Z軸方向的孔。

Z軸方向孔固定循環(huán)使用CYCLE81-90系列指令，需要在CATIA 軟件的PPWORD 中定義前置指令格式，而后轉化為經(jīng)典的鉆孔循環(huán)指令。固定循環(huán)的指令復雜，需要針對具體問題進行詳細的路徑計算，而其插補指令為直線，時間的計算方法同前述，只需要進行運動路線的計算即可。以經(jīng)典的CYCLE81 指令為例，其格式為CYCLE81（RTP，RFP，SDIS，DP，DPP），如圖3 所示。RTP 為返回平面的絕對值；RFP 為參考平面的絕對值；SDIS 為安全距離（無符號）；DP為鉆孔深度的絕對值；DPR 為孔深相對RFP 的值，不可同DP 一起給定。在計算路徑時，需要計算3 段路徑的時間總和，其中深色箭頭路徑為G01加工，2段淺色箭頭為G00加工。

圖3 CYCLE81循環(huán)

1.5 轉接路徑處理

數(shù)控銑床為輪廓控制類機床，如圖4 所示。通過在轉接處添加小圓弧半徑r保證所有的軌跡光滑、連續(xù)，并且改善控制特性，此功能由G64指令實現(xiàn)。通過各個軸所允許的最大偏差來確定圓弧過渡區(qū)域與理論直線插補之間的最大誤差Tmax，根據(jù)Tmax和兩直線插補之間的夾角來確定過渡圓弧半徑，再根據(jù)圓弧插補原理確定過渡圓弧處的最大進給速度，從而避免轉角處的停頓。假設兩直線插補夾角的角度為γ，則有：

圖4 G64轉接輪廓處理

2 軟件開發(fā)和實例驗證

利用VB.net 2010 開發(fā)了Heller 機床后置處理系統(tǒng)軟件，該軟件即能處理三軸加工程序，也能處理五軸加工程序，其中的時間處理模塊的算法流程如圖5所示［5］。

為驗證時間計算精度，選擇了1 個典型零件的10個工序在某機床上進行測試。理論時間、計算時間和實際時間，如表1 所示。其誤差范圍在90%以內(nèi)，滿足時間計算精度要求。

圖5 算法流程

表1 加工時間對比 min

再選擇有5個工序的典型零件B，生成不同的3臺數(shù)控銑床的加工程序，分別在3 臺數(shù)控設備上正式加工，同時記錄實際的工序加工時間，畫出工序-時間曲線，如圖6 所示。由曲線圖上可以看出誤差率均在10%以內(nèi)。

圖5 不同機床工序-時間對比

3 結論

數(shù)控機床加工時間的計算對于生產(chǎn)計劃的安排非常重要，本文提出了后置處理時計算加工時間的方法，結合實時獲取機床參數(shù)，針對不同類型加工程序給出了具體的計算公式。

利用VB.net 語言開發(fā)了基于CATIA 軟件刀位文件的專用后置處理器的實際加工時間計算模塊，通過分析和實際切削加工證明了該時間計算模塊的方法的正確性和可行性。本文所提出的方法具有通用性，為其他后置處理器的開發(fā)提供了有益的借鑒。

本產(chǎn)品已經(jīng)在某典型企業(yè)得到了應用，對企業(yè)的生產(chǎn)安排起到了很大的作用，提高了企業(yè)的制造效率。