基于CAXA数控车的特殊弧形零件的自动编程

在数控车削加工中，弧形零件是一种较为常见的加工零件，其轮廓通常由直线和圆弧曲线构成。对于此类外形轮廓较为简单的零件，编程人员可以通过常见的编程指令G01、G02、G03来实现。而对于具有特殊外形要求的弧形零件，例如零件的外轮廓曲线非一般圆弧曲线，而是由特殊的曲线方程构成，如果采用手工编程的方式，编程人员没有现成的编程指令可循，只能利用宏程序进行编程加工，而宏程序编程涉及到变量设定、程序语言结构设定、坐标平移变换等多种计算机及数学处理方法，计算容易出错且工作效率较低，无法满足企业的实际生产需要。若采用软件自动编程方法，则可以明显提高编程效率和编程质量，尤其是在外形轮廓是非圆弧的复杂曲面编程中，更能发挥其优势。
自动编程就是利用计算机专用软件编制数控加工程序的过程。目前，常见的数控车床自动编程软件有CAXA数控车、Mastercam、UG、pro/E等。其中，CAXA数控车是我国自主研发的一款集计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)于一体的数控车床专用软件，其具有零件二维轮廓建模、刀具路径模拟、切削验证加工和后置代码生成等功能。下面通过一复杂弧形零件——手柄轮廓零件的数控编程来介绍CAXA数控车在自动编程中的具体应用。

1 特殊弧形零件分析

1.1 手工编程难点分析

在一些精度高、品种多且批量少的弧形零件中，其外轮廓曲面通常都具有特殊要求，非一般简单圆弧面构成，而是由特殊的曲线方程所构成，例如椭圆方程、双曲线方程或抛物线方程。如图1和2所示。

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图1 椭圆方程弧形零件示意图

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图2 抛物线方程的弧形零件示意图

在一般数控系统中(FANUC、SIEMENS和华中数控系统)，只能做直线插补和圆弧插补的切削运动，如果工件轮廓是非圆弧曲线，数控系统就无法直接实现插补。因此对于此类具有特殊曲面的弧形零件，编程人员无法直接使用编程代码进行手工编程，而需要通过一定的数学处理方法，用直线或者圆弧段去逼近非圆曲线或者利用宏程序编程。而这两种手工编程方法在零件的实际加工过程中，往往存在以下的不足之处：

(1)用直线或者圆弧逼近非圆曲线时，首先要计算出节点的坐标。节点的计算一般都比较复杂，靠手工计算很难完成，必须借助计算机辅助处理。

(2)利用逼近法编程时，工件的轮廓精度取决于节点数目的多少，所取节点越多，计算愈复杂，误差相对较小，但程序段越长，加工时间越长，工作效率降低。

(3)利用宏程序编程时，要求编程人员懂得计算机语言方面的知识，例如变量的设定，各种循环语句、跳转语句及判断语句的格式，程序的调试等，对编程人员水平要求比较高。

(4)特殊曲线的原点与编程原点往往不重合，因此在手工编程时编程人员需要花大量时间进行坐标平移变换、变量转换等繁琐的计算编程，导致工作效率较低。

1.2 典型特殊弧形零件——手柄的工艺分析

1.2.1 手柄零件图分析

如图3所示，零件手柄的轮廓由直线、楠圆、螺旋线和圆弧所构成。该零件图的加工准点在于由R42的圆弧段、椭圆曲线和R8圆弧段相切形成的光滑曲面的编程计算，若采用手工编程，则各段曲线相切处的节点计算非常复杂，必须借助计算机辅助绘图。另外该段特殊曲面的轮廓变化为凹凸相间，采用宏程序编程时只能使用G73循环指令。该指令会导致出现多次走空刀的现象，降低了加工效率。

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图3 手柄的加工零件图

因此利用CAXA数控车对手柄零件进行自动编程，手柄零件造型如图4所示。

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图4 手柄的造型图

1.2.2 手柄的加工工艺分析

手柄零件的数控加工流程包括外轮廓、外槽和外螺纹的粗加工及精加工，零件的加工难点在于特殊弧形外轮廓的编程加工。因此，下面着重介绍基于CAXA数控车软件的特殊弧形外轮廓的粗、精加工编程。

在利用CAXA数控车软件对零件进行数挖自动编程加工前、首先要对零件进行加工工艺分析，正确划分加工工序，选择合适的加工刀具，设置相应的切削参数，确定加工路线和刀具轨迹，以保证零件的加工效率和加工质量。

(1)确定毛坯及装夹方式

根据零件图选毛坯为解Φ28mm×130mm的圆捧料，材料为45钢。该零件为实心轴类零件，使用普通三爪卡盘夹紧工件，并且轴的伸出长度适中(100mm)。以工件的圆弧R8的右端点为工件原点建立编程坐标系。

(2)确定数控刀具及切削用量

根据手柄零件特殊外轮廓的加工要求，选择刀具及切削用量如表1所示。

表1 外轮廓加工的刀具及切削用量
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2 CAXA数控车的加工设置

2.1 毛坯及外轮廓的建模

在CAXA数控车软件中建立加工对象轮廓模型时，需要同时给出毛坯轮廓和加工对象的外轮廓，轮廓的建模可以通过CAXA数车软件直接绘制或者利用AutoCAD中dxf图形文件的导入来实现。无论是采用直接绘图还是间接导入的方式，都只需要画出零件的加工轨迹轮廓，不需要画出完整的零件图，且无需考虑最后切断的加工长度和直径方向的余量，直接按照手柄的外轮廓最终尺寸进行绘制，加工余量刚通过毛坯轮廓的建模来体现。

在CAXA数控车软件中导入dxf图形文件的具体步骤为：首先利用AutoCAD软件绘制好所需的毛坯及手柄外轮廓，并将其保存为dxf文件，然后利用CAXA数控车中的数据输入功能将dxf文件读入到CAXA数控车的界面中。毛坯及手柄的具体外轮邢图如图5所示。

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图5 手柄的毛坯和被加工轮廓图

2.2 外轮廓的自动编程

2.2.1 外轮廓粗车加工

根据加工工艺中先粗后精的加工原则，首先对手柄的外轮廓进行粗车加工。单击CAXA数控车工具栏上的“轮廓粗车“图标，根据加工要求填写各项加工参数、进退刀方式、切削用量等。加工参数设置和轮廓车刀选取如图6和7所示。所需注意的是在当前轮廓车刀中，只有一把名称为it0的车刀，需要根据实际加工需要添加所需外轮廓车刀，并根据要求设里好相应的刀具参数。

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图6 粗车加工参数设定

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图7 粗车轮廓车刀参数设定

在各项参数设里结束之后，根据系统提示分别拾取图5中的被加工轮廓和毛坯轮廓。采用限制链拾取方式，分别拾取左面轮廓线和右面R8圆弧部分的轮廓线，如图8所示。拾取毛坯轮廓线与拾取加工表面轮廓线类似，如图9所示。

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图8 拾取被加工表面轮廓

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图9 拾取毛坯轮廓

根据刀具路径轨迹选择合适的进退刀点，系统则自动生成粗车外轮廓的刀具轨迹图，如图10所示。

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图10 粗车加工轨迹图

2.2.2 外轮廓精车加工

外轮廓的精车与租车设置相似，只是将加工参数适当改变．其余采用系统默认设置，此处不赘述(图略)。

2.2.3 外轮廓的粗精加工轨迹仿真及程序生成

可以对CAxA数控车软件中生成的粗、精加工刀具轨迹进行模拟仿真，以验证加工程序的正确性。具体操作如下：单击数控车工具栏中的“轨迹仿真”图标，CAXA数控车系统可以自动进行轨迹仿真。选择“二维实体”、“缺省毛坯轮廓”方式，韫据系统提示，拾取已经生成的簇、精加工刀具轨迹，系统开始进行仿真。通过轨迹仿真，现察刀具走刀路线以及是否存在干涉及过切现象。图11为所示的仿真结果。

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图11 轮廓粗、精加工仿真结果

程序生成是根据当前数控系统的配置要求，把生成的加工轨迹转化成G代码数据文件，即生成CNC数控程序。具体操作过程如下：

单击主菜单中的【数控车】→【代码生成】命令，或着单击数控车工具栏中的“代码生成”图标，根据系统提示，填写“后置文件”对话框，保存后置文件(*.cut)的地址，填写相应的文件名称后，单击“打开”按钮，拾取相应的刀具轨迹，系统自动生成“记事本”文件，该文件即为生成的数控代码加工程序。图12为手柄外轮廓粗精加工的部分程序代码。

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图12 外轮廓粗、精加工的部分程序代码

2.3 机床设置及程序后置处理

由CAXA数控车软件生成的加工程序，通过R232串行口，可以直接传输给数控机床的MCU。由于数控机床所采用的数控系统不同，会导致G代码指令的语言格式也有差别，因此需要通过机床设置和程序后置处理方法来解决。

以FANUC数控系统为例，在CAXA数控车软件中，默认的机床名只有LATHEI、LATHE2和LATHE3，因此需要添加机床。单击主菜单的【数控车】→【机床设置】命令，添加FANUC数控机床，并设置主轴控制、数值插补方法、补偿方式、程序启停等相应操作的G代码指令。

程序后置处理就是针对已经添加的FANUC数控机床，结合已经设置好的机床配置，对后置输出的数控程序的格式、程序段行号、程序大小、数据格式、编程方式、圆弧控制方式等进行设置。具体操作为单击【数控车】→【后置设置】，根据新建的FANUC机床进行后置参数设置，以达到简化程序的目的。

3 结论与展望

CK6140数控机床上实体零件的加工结果表明，利用CAXA数车软件自动编程加工得到的手柄外轮廓曲面与手工宏程序编程加工得到的手柄外轮廓曲面相比，前者表面光洁度较好，加工质量高。另外，由于自动编程代码可以通过R232串行口直接输入至数控系统，避免了复杂的面板输入操作，自动编程加工所需时间是手工编程加工所需时间的1/3左右，因此大大提高了零件的加工效率。

CAXA数控车软件具有应用灵活、针对性强的特点，可以加工不同类型的回转体类零件。与目前市场上功能相似的同类软件(例如Pro/E、UG)相比，该软件价格相对较低，因此可以广泛应用于数控加工行业中。

作者对特殊弧形零件——手柄外轮廓的自动编程作了初步探讨，利用CAXA数控车软件进行了加工设置，生成了加工程序代码。此方法突破了手工编程的局限性，避免了手工编程时繁琐的节点计算工作，节省了在宏程序编程中多次走空刀所耗费的时间。但如何对软件产生的G代码指令进行进一步优化，则有待于进一步的研究。

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