典型零件CAM应用
——主轴箱体加工图形交互式CAM编程应用

著者：北京市机电研究院 AMS办公室 孙家暾   出处：不详

   　CAM是在刀具建库、夹具建库、NC—POST建模、CAD实体造型基础上的集成。在计算机中建立机床加工环境，根据加工工艺方案设置参数，模拟机床的实际切削过程，进行刀具干涉检查，最后生成NC代码文件。主轴箱体(数控夹攻中心零件)具有多孔、多平面、多连接尺寸、位置公差要求多、尺寸公差精度高等特点，具有相当的复杂性。　
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关键技术
① 夹具库的建立、多工位夹具的装配及在各工序间的切换。
② 装配式刀具库的建立及在仿真切削过程中的调用。
③ NC—POST在FFANUC 15MA系统的应用调试。
④ 使用Pro/Engineer的数据库功能和Family Table建立系列刀具元件、系列夹具元件、加工毛坯模型。
⑤ 模拟加工试切过程，并进行切削干涉检查。
⑥ 在Tool Motion层，修改刀具路径。
⑦ 应用软件功能，生成刀具、夹具及部装装配图和刀具路径图，输出各种工艺信息及报表。
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概述
　　现阶段，许多工厂常用AUTOCAD进行基于2D的平面图零件设计，然后由工艺人员/程序员按3D概念，直接以G代码或APT语言进行NC编程。这种方法适用于一般简单零件的平面加工、直线加工、回转体加工及点位加工。其编程速度较快，代码简洁。可是对于几何形状复杂、夹具装配复杂，特别是对非圆曲面的加工上述编程方法就十分困难了。
　　因为对空间几何图形和轨迹进行数学处理的计算量大，过程复杂，不易掌握。而且编程过程中，不能对加工环境构成要素的几何体之间的空间关系进行检查；将刀位坐标转为加工对象的几何图形检查精度低，不直观；因此需上机调试程序，占用数控机床工时，技术准备周期时间长。
　　近几年来，计算机辅助制造技术发展迅速，图形处理功能有了很大增强，硬件平台价格大幅下降。同时，CAD/CAM软件技术日益成熟。直接将零件的几何体信息转变为数控加工程序的计算机辅助编程技术—图形交互式自动编程得以推广和应用。
　　“图形交互式自动编程”以CAD生成的零件几何信息为基础，采用人机交互对话方式，在计算机屏幕上指定被加工件的几何特征，定义相关的加工参数，由计算机进行数据处理，并动态显示加工路径，最后输出NC代码数据。特别是它所提供的仿真切削功能，能模拟加工环境进行切削，并检查刀具干涉。主轴箱体零件尺寸精度高，孔、平面等几何要素位置公差约束多，箱体六个面都要加工，多次切换夹具。加工周期长，计有工序共95道工步完成加工。
　　使用的图形交互式编程软件是PTC（美国参数技术公司）的Pro/Engineer --V18.0，软件运行于SGI图形工作站。Pro/Engineer是基于三维的零件设计、制造、分析软件包。其制造功能模块主要具有以下功能：
　　1) 数据的唯一性、相关性。如果对一个零件模型进行了修改，与此零件相关的装配图、零件图等都会自动更新；
　　2) 强大的加工环境设计能力。能够模拟加工条件，建立三维的组装式夹具装配、刀具装配、加工毛坯系列；图形交互式人机对话；有多种进刀方式，可自动生成加工刀具路径。能进行铣削、镗削、钻削、铰孔、车加工、线切割等多种加工。每种加工方式提供多种加工方式；能图形显示刀具路径；屏幕模拟实际切削过程，显示材料去除过程和进行刀具干涉检查；提供完整的工艺过程信息。可提供刀具装配、安装、使用信息，夹具安装、使用信息，机床使用信息，工步参数设置信息等。
　　Pro/Engineer是目前企业级CAD/CAM/CAE中较为完善的一种实用软件。根据实际应用过程，我们把图形交互式编程可分为七个阶段：
　　① 准备工作阶段。在这个阶段里，主要完成加工环境设计工作。即在人工或CAPP完成工艺方案设计的前提下，在计算机上完成数控机床（FMC）参数设置；刀具元件建库，刀具组装；加工毛坯系列设计；CAD模型检查和简化设计；通用夹具元件建库、专用夹具元件建摸、夹具组装。上述这些工作，建立了三维的实际的加工环境，而加工刀具路径的建立，要受上述要素的空间几何关系约束。
　　② 加工方案概念设计阶段。在前一阶段建立的加工环境上，按工艺方案的要求，根据零件毛坯、夹具装配之间空间几何关系及刀具特征和参数，筛选最适用的加工方法。拟定刀具的进入路径、切削路径、退出路径。刀具在运动中可能发生干涉的部位，并及时地进行加工环境调整。注意：要按照工艺方案，一道序一道序地进行加工方法筛选，拟订刀具路径。因后道工步而调整加工环境时，要返回到与夹具调整有关的工步，重新进行加工方案设计。在后道工步加工方案拟定没有完成时，不要急于进入加工路径设计。否则因后道工步进行了加工环境调整，将使你当前所完成的路径设计作废。
　　③ 加工方案初步设计。此时进入实际的路径设计过程。要选定刀具、设置坐标和参数，重点是放在刀具路径的优化上。特别要注意刀具进入和退出的插入点。应在满足工艺要求的前提下使切削路径最捷。
　　④ 加工方案细化设计。在这个阶段主要是对与路径优化的各项参数进行优化。如：提高空刀运行速度，缩短空刀运动距离等。
　　⑤ 刀具路径坐标检查。在图形方式下刀具路径显示受程序员观察角度及显示器分辨率误差的影响，不能精确的描述刀具在X—Y、Y—Z、Z—X三个平面的确切位置。在动态显示刀具运动轨迹时，浏览APT文件，检查刀具X、Y、Z坐标的正确性。在加工微量进给时，如半精加工或精加工，刀具路径的坐标检查是必不可少的。
　　⑥ 工序切换的环境准备工作。在工序切换时，加工环境会进行一定的更动。如：更换新的夹具，更换新的毛坯，增加或减少加工毛坯个数。同时需对加工环境要求重新进行设置。
　　⑦ NC后处理及信息输出。根据具体的加工单元系统，选用相应的后处理器NC--POST，将已生成的APT文件编译成特定CNC系统的NC代码文件。随着代码文件的生成，输出全面工艺过程信息。主要有：工艺路线表、刀具装配清单、刀具安装表、刀具使用明细表、夹具装配明细表、夹具使用明细表、加工单元参数表、工步参数设置等。
　　同时还可提供刀具路径图形输出。上述信息根据需要，发送到不同的使用人员手中。
　　以上简述了图形交互式编程七个阶段的工作内容。在上述2—5阶段中，各阶段都需进行以下两项相同的工作：
　　① 刀具干涉检查和相应的加工环境调整。刀具干涉检查有三种方式：静态图形检查、动态图形检查、静态数学计算检查。图形检查属于一种定性检查方式，适用于过度切削或明显干涉的情况下的工步全过程检查。一般用于方案初步设计和细化设计阶段，使用频率较高。数学计算检查是一种精确定量的检查方式，一般用于细化设计和数字检查阶段，在有限特定点处进行。
　　② 发生刀具干涉后的调整。有参数调整和环境调整两种方式。一般先采用参数调整，即重新草绘路径、重设置进入或退出方式等。当参数调整仍不能避免干涉的发生，就不得不对加工环境进行调整。如：改变刀长、更换刀头、更换夹具元件、调整夹具元件位置，直至修改工艺方案设计或新设计师提出修改零件图。要注意：加工环境的调整，可能影响到已经完成的前工步的路径设计。要返回与此相关的前工步，重新进行刀具干涉检查或修改刀具路径。
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图形交互式编程的要点
1. 关于工作毛坯的设计
1.1. 建立在唯一数据库上的相关的工作毛坯
　　工作毛坯对加工模型施放了加工余量，它为计算机进行切削路径的计算提供了依据。在制造过程中，应在切换工序的同时，切换相应的毛坯。注意：工作毛坯的设计，不是在三维模型设计的原形备份上，简单地在加工表面上加上加工余量。这样设计的毛坯，脱离与原零件模型的依存关系，当原设计模型进行了修改时，还需人工对工作毛坯进行重复的修改，以保持数据和特征的一致性。工作毛坯的设计应采用系列零件设计功能。Pro/Engineer提供了Family table 功能进行零件系列的设计，系列中的每个模型可有不同的加工对象特征或不同的加工尺寸特征，当对设计模型进行修改时，整个系列零件会自动进行相应的修改。而这一切都是由系统在后台进行的。
1.2. 为了简化NC设计过程或定义加工路径，可建立与实际加工特征不同的加工对象特征。如：volume、 mill surface、drill group 等。
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2. 对设计模型的要求
2.1. 必须保证设计模型的正确性。
　　首先用Pro/Engineer 的Feature Info对模型特征进行正确性检查，不能使用有缺陷的模型进行加工。其次，应保证工艺尺寸的正确性。有些设计人员习惯于图板上的2D零件设计，对于螺纹、铰孔的预钻底孔等孔深尺寸或锥管螺纹预钻孔随意标注。根据三维特征进行的制造是被特征尺寸所驱动的，错误的尺寸设定，将造成切削工具破损或工件报废。因此，要进行工艺尺寸正确性检查。
2.2. 压缩与制造无关的特征。
　　零件上的一些特征，如：铸造圆角、螺纹、铸造清砂孔等，都可以予以压缩。这些特征被压缩后，可明显感觉到运算和显示速度的提高。
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3. 夹具装配设计要求
3.1. 应用Pro/Engineer提供的Family table功能进行工作毛坯系列设计，可减少冗余数据，节约使用磁盘空间。
3.2. 使用夹具编码规则命名夹具元件的文件组。
　　不论是通用夹具元件、专用夹具元件或是夹具子装配，即使在不同的工作目录下，也不允许同名文件产生。计算机在恢复数据检索文件遇到同名文件时，不能辨明原夹具装配使用的夹具元件，它将使用首先检索到的文件。这样将造成加工环境再生成的失败。
3.3. 使用Pro/Engineer提供的Simplfd rep view功能设置简化显示。
3.4. 夹具定位确定了毛坯在机床上的定位，要考虑到加工单元在三个坐标方向上的行程限制，防止运动超程。
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4. 装配刀具设计要求
4.1. 为便于工艺管理、刀具管理，应使用装配式刀具。
4.2. 使用夹具编码规则命名夹具元件的文件组。
4.3. 进行简化设计，只建立外形尺寸特征，不必建立与干涉检查无关的孔、槽、倒角等特征不必建立。
4.4. 要将机床主轴箱前端部加入到装配刀具中。即将主轴箱前端部及一些附件作为刀具的组成部分，参加切削过程干涉检查。见图3实例：图中虚线即主轴箱前端部分，箱体端面上的凸起物是油冷却喷嘴固定台。编程和实际加工实践证明：干涉有时发生在主轴箱轮廓、主轴箱端面上的附件与工作台、夹具和毛坯之间。这一点很易在编程时被忽略。
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5. 刀具路径的优化及有关参数的设置
5.1. 进行平面加工时，刀具应丛X—Y平面切入加工表面。如受零件几何形状或夹具空间限制，必须从Z向切入时，应设置相应参数采用Helical或Ramp方式。
5.2. 进行平面加工时，对EXIT__FEED参数进行设置。使刀具退出加工表面后，用高速返回Retract平面（Retract平面是刀具开始进刀和结束切削的退回平面），减少退刀时间。
5.3. 对同一加工表面进行粗铣、半精铣、精铣时，只要根据切削量给以AXIS__SHIFT参数适当值，即可完成各工步的加工。在显示刀具路径时，要用Pro/Engineer的Show File功能，进行Z坐标进给量检查。
5.4. 进行平面加工时，设置INTER__REL__HEIGH参数，使刀具从一平面空刀移动到另一平面时，不返回Retract平面，减少空刀运行时间。注意：在空刀运行路径上是否有与设置平面相交的特征，防止打刀。
5.5. 设置CUT__ANGLE参数，使刀具沿加工面长边切削。
5.6. 在对轮廓表面加工时，设置APPROACH__TYPE 、LEAD__IN、LEAD__OUT参数，使刀具沿着与轮廓面相切弧线进入加工表面，以避免刀具擦伤。
5.7. 对定位精度高的孔系加工时，设置SCAN__TYPE参数为TYPE__ONE__DIR，即在计算路径时精度优先。当参数设置为TYPE__SPIARL时，则刀具路径最捷。
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6. 刀具干涉的发生及预防
6.1. 易发生切削干涉的情况
夹 具
1. 自Retract平面切入加工面或自加工面退回Retract平面时
2. 自一加工表面空刀快速移动到另一加工表面时
3. Retract平面设置不当，工作台回转时
4. 夹具装配误差过大
被加工毛坯
1. 自一加工表面空刀快速移动到另一加工表面时，刀具轨迹与毛坯凸台相交
2. Retract平面设置不当，工作台回转时
3. 加工口小内腔大的零件，切入或退出零件空腔时
4. 使用FACE方法进行平面时，进退刀参数设置错误
5. 进行轮廓加工时，刀具自垂直方向切入加工面
工 作 台
1. 夹具高度不够，毛坯较低时
2. 自Y向进刀或退刀时刀杆
刀 具
加工口小内腔大的零件时，在切削过程中与进入口处干涉主轴箱外轮廓在进刀较深时易发生
6.2. 切削过程干涉的预防
a) 限制夹具安装误差。当刀具与夹具、毛坯间隙很小时，绘出刀具路径图，需提醒夹具组装人员和机床操作者注意；
b) 根据情况使用适当的干涉检查方式。在间隙较小处增加检查点，使用数学计算法检查；
c) 合理设定Start点和End点，以约束刀具的进入和退出；
d) 用mill surface和volume对刀具活动范围进行限制；
e) 使用树脂砂造型铸件，控制铸件毛坯误差；
f) 当铸件或夹具发生变动时，必须及时通知程序设计员，更改程序。
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结论
　　图形交互式编程方法用于数控加工中心的复杂零件主轴箱体的制造中，在熟练掌握编程方法情况下，实际编程八个工作日（包括了仿真切削和刀具干涉检查）。刀具路径设计合理、正确，执行加工一次成功。与传统的手工编程和APT语言编程相比，Pro/Engineer的图形交互式编程软件有几个特点：
1. 在计算机屏幕上面向零件的几何图形，以鼠标指点操作对象，使用相关菜单，进行编程设计。方法简单易学。
2. 在数据库管理下，Pro/Engineer应用并行工程，缩短了技术准备时间。
3. 编程结果直观（图4为刀具路径示意图），处理速度快。经仿真切削和刀具干涉检查，所编程序一次成功，大幅度减少了机床调整时间和机床试切时间。缩短了生产周期。
4. 减少了程序调试时间，减少了机床工时占用。缩短了生产周期。

真是太棒了？

写得太好

是不是那里帖过来的