数控加工程序的评价和优化

1引言

数控机床是按照零件加工程序对工件进行加工的。一个好的加工程序不仅能保证加工出符合要求的工件,还应能充分发挥数控机床的功能,使其安全、可靠、高效地运行。零件加工程序是数控系统的一个重要组成部分,据国外统计,数控机床停机的原因中,有20%～30%是由于编不出加工程序。为了提高数控机床的利用率,编程员应努力提高编程能力,迅速编制出优良的零件加工程序。

2零件加工程序的评价

一个零件的加工程序决不是唯一的,诸多程序(方案)中,肯定有最优的。可否从以下方面评价:

(1)保证程序是正确的,零件加工质量稳定。

(2)程序方便调试和修改,程序的可读性好。例如:要改变非圆曲线的逼近步长或曲面的走刀行距,只需修改某一个参数即可,而不必修改整个程序。

(3)程序的稳定性好。当刀具半径变化或零件安装位置改变,不需改变程序。

(4)充分发挥系统功能,使程序最短。例如:系统有检腔宏指令,一条指令可以编出一个铣腔程序。若弃之不用,改为一刀一刀的描述,则势必使程序变得冗长。

(5)程序的通用性好。若有系列零件,则只需编一种,其余只要修改关键尺寸,程序即可使用。

(6)编程成本低。为编出某一程序,所花的人工费用和机器费用要低。当然人工成本与编程员的熟练程度有关,不便量化。但是只需一个计算器和一台计算机辅助编程(CAM)系统,其成本是可比的。

(7)运行成本要低。能用三轴机床,尽量不用四轴机床；能用四轴机床加一分度转台,尽量不用五轴机床。例如:在一圆锥内面铣曲线槽,可以考虑车削中心,也可以考虑三轴机床加一旋转轴,锥面用一夹具变角,这样仅四轴机床足够,而不用五轴机床。

(8)后续加工成本低。如一模具型腔,用通用球头刀具整张曲面加工,刀具成本低,编程容易,但下道工序抛光成本高,且不易保证精度。用专用刀具分型面加工,虽然编程和刀具成本高,但抛光成本低,极易保证精度。要权衡利弊,择优选用。

具体的零件,究竟确定什么样的加工程序,要根据实际情况决定。在实际编程中要有优化意识,尤其用CAM编制的零件加工程序,由于CAM的后置处理功能比较弱,更应该进行优
化。

3CAM编制的零件加工程序的优化

由于CAM具有很强的图形数学处理功能,免去了手工编程中繁琐的数学计算,CAM源程序相对零件加工程序较短,因此很受欢迎。由于数控系统及机床各异,CAM的后置处理,尽管有专用后置或万能后置,但与机床数控系统功能相比,仍有相当差距。在实际使用中,若能既充分发挥CAM的优点,又能避免其不足,还能充分发挥数控系统的功能和操作者的实践经验,就需要对CAM编制的零件加工程序进行优化,使之编出一个高水准的零件加工程序。优化加工程序建议从以下几方面考虑。

3.1发挥系统刀具半径补偿功能

数控系统一般都具有刀具半径补偿功能,即以零件轮廓编程,刀具自动偏移一个半径矢量,刀心轨迹由系统自动计算。现以图1零件为例。

零件加工程序源自某CAM系统。从CAM编的零件程序看(见NC代码加工程序),其外拐角的刀心轨迹为围绕尖角的圆弧(相当B刀补),数控系统一般为远离尖点的直线转接(C刀补),对保持尖点有利,CAM编的零件程序包含外拐角的转接程序段,而数控系统用刀具半径补偿功能自动生成转接程序段,零件程序中不出现。这样,程序段数量减少,便于阅
读。

若以轮廓编程,系统用刀具半径补偿功能控制刀心,当改变刀具尺寸时,操作者只需改变刀补值,不必改变程序。

CAM若要生成刀心轨迹沿零件轮廓的加工程序,只需将刀具半径设置为零。如果CAM不能生成刀具补偿的G代码,操作者可将刀补G代码加入程序中。此时的零件加工程序,既体现了CAM的数学处理的优势,避免了繁琐的手工计算,又体现了带有刀具半径补偿程序的灵活
性。

自动生成的NC代码加工程序如下:%

OOOOO

(PROGRAMNAME-EX1)

(DATE＝DD―MM―YY―11―04―00TIME＝HH:MM―15:29)

(12.END_MILL_FLATTOOL―1DIA.OFF.―21LEN.―1DIA.―12.)

N100G21

N102G0G40G49G80G90

N104T1M6

N106G0G90G55X―6.Y25.S600M3

N108G43H1Z7.M8

N110G1Z―10.F15

N112Y135.

N114G2X0.Y141.I6.

N116G3X19.Y160.J19.

N118G2X25.Y166.I6.

N120G1X75.

N122G2X81.Y160.J―6.

N124G3X100.Y141.I19.N126G2X106.Y135.J―6.

N128G1Y25.

N130G2X100.Y19.I―6.

N132G3X81.Y0.J―19.

N134G2X75.Y―6.I―6.

N136G1X25.

N138G2X19.Y0.J6.

N140G3X0.Y19.I―19.

N142G2X―6.Y25.J6.

N144G0Z1.

N146M5

N148G91G28Z0.M9

N150M30

%

3.2以圆弧插补功能代替直线逼近

在曲面加工中,CAM一般以直线逼近生成零件加工程序。如果是对称形状,则一般只出第一象限的曲面加工程序,其余象限的加工用系统的镜象功能解决。就是第一象限的程序有时也很长,超过了系统的内存。笔者曾遇到一个程序超出系统内存,若扩大内存,则需投资4～5万元,而且以后的利用率很低；若分段加工则效率低。曲线是在G18平面内,改用圆弧逼近轮廓,程序段数量大幅下降,内存还有剩余。但程序中Z轴需进行刀具长度补偿和刀具半径补偿,操作者要查看系统有否此功能。

3.3利用系统的简化编程功能

系统提供了大量的简化编程功能,如固定循环、刀具补偿、轮廓直接编程、比例缩放和镜象、坐标旋转、典型形状(圆周、矩阵)孔位描述计算、规则形状(圆形、矩形)挖腔、不规则形状挖腔、带孤岛型挖腔等功能。若CAM的后置处理,能按这些功能处理出零件加工程序,则可大大缩短程序。

例如曲面加工,只编出一个象限的加工程序,利用系统的镜象功能加工其余象限,则程序为原来的1/4。在链轮等重复形状的轮廓加工中,用CAM编出一个形状的轮廓,其余用旋转功能,程序缩短的更可观。又如矩形腔的挖腔程序,多刀多层切削程序较长,若能处理成挖腔宏指令,则只需一段程序便能完成整个挖腔加工。

3.4发挥系统空间刀具半径补偿功能

对曲面,CAM一般生成刀心直线运动的加工程序。曲面加工一般用球头刀,若要改变刀具则必须改变程序,给加工带来不便。如果系统有空间三维刀具半径补偿功能,则CAM可以按曲面生成程序,并同时生成刀心矢量,实际的刀心位置由系统按刀心矢量计算。这样,刀具半径大小在一定范围内可调,给加工带来方便。

3.5利用系统的用户宏程序功能,缩短非圆曲线轮廓、空间曲线甚至曲面的加工程序

以非圆曲线轮廓为例,CAM一般生成直线逼近程序。在加工中,若要改变步长,则需重新编程而且程序较长(成百上千段程序)。对程序正确性的检验,只能靠图形显示或实际切削,变化很不方便。

CAM若能按系统的宏程序格式生成系统的宏程序,加工程序则由系统自动生成。笔者遇到一例:轮廓由二段摆线和一段包络线组成,先是用CAM编出的程序,又是直线又是圆弧而且很长,加工程序段约千段。后改用宏程序编程,而宏程序仅几十段,调整修改都非常方便。经比较,操作者选用了宏程序编辑的程序。而且,当产品有几个规格,又做了赋值程序,只需输入几个关键尺寸便可改变尺寸的输入值。宏程序是通用的,深受操作者欢迎。

3.6利用子程序功能简化编程

用CAM编制子程序加工程序,由数控系统编制主程序和子程序调用功能。子程序中有大量的数值计算工作量,由CAM来完成。主程序多调用指令用手工编程,这样程序灵活且编程工作量又不大。

4结束语

综上所述,数控系统的编程功能有基本指令,如轮廓描述的直线与圆弧指令,简化指令,固定循环、刀补功能,比例缩放与镜象,坐标旋转功能,宏指令等,还有用户宏程序功能。CAM一般按基本指令编制零件加工程序,有的用部分简化指令,如固定循环等,未能充分发挥数控系统的功能。如果使用者能对CAM编制的零件加工程序进行优化,将数控系统的高级功能与CAM相结合,则可编制出优良的加工程序。

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