应用MasterCAM软件进行5轴联动数控编程和仿真

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应用MasterCAM软件进行5轴联动数控编程和仿真

北京机械工业学院 杨庆东　陈秀梅


一、概述
5轴联动加工技术主要应用于加工具有复杂曲面的工件，和3轴联动数控加工相比，5轴联动加工可以加工出更高质量、更复杂的曲面，主要适用于飞机、模具、汽车等行业的特殊加工。目前已经可以从理论上充分证明增加自由度可以提高表面加工质量。机床行业的专家也曾预言，随着5轴加工技术的提高，5轴加工技术和5轴机床将在很大程度上取代3轴机床。但是，由于生产制造技术的难度远远大于3轴机床，5轴加工机床很长时间没有解决国产化问题，国内有许多研究机构和大专院校正在研制和生产。另外，5轴联动控制系统技术上难度大，国外限制进口，又由于国内工艺、装配、制造等技术的问题，在控制技术上也不容易实现。另外，5轴联动曲面加工编程也比较困难。这些原因使得5轴加工技术的推广和使用存在着一定的障碍。
二、5轴联动曲面编程的方法
数控加工的质量与效率，很大程度上取决于所编程序的合理与否。而仿真可以预现加工过程，以检查刀具参数设置得是否正确，夹头是否干涉，加工过程中刀具与工件是否干涉，是否产生过切等，这样在试切前就可以发现、解决部分问题，以节约制造成本。因此，本文主要就5轴联动加工数控编程和仿真问题进行简单的探讨。
1．以往5轴编程的方法
最初的5轴编程方法是编程员根据零件图样和有关加工工艺要求，用一种专用的数控编程语言来描述整个零件的加工过程，即零件的源程序。然后将源程序输入计算机中，由计算机进行编译、计算，最后再由与所用数控机床相对应的后置处理程序处理后，自动生成相应的数控加工程序。该编程方法直观性差，并且不便于进行阶段性检查，阻碍了设计与制造的一体化，编程过程比较复杂不易掌握，对用户的技术水平要求较高。
2．目前5轴编程的方法
随着计算机技术的发展，“图形交互式自动编程”也应运而生。它直接将零件的几何图形信息自动转化为数控加工程序。该方法极大地提高了数控编程的效率，并具有精度高、直观性好、使用简便、便于检查等优点，因此，该种方法已成为目前国内外先进的CAD/CAM软件所普遍采用的数控编程方法。目前市场上比较成熟的CAD/CAM软件有十几个，如Unigraphics，Pro/ENGINEER，MasterCAM等，这些软件的出现使得以往5轴联动加工编程中存在的问题得到了解决，本文仅就使用MasterCAM进行5轴联动加工编程中容易出现的问题进行简单的探讨。
三、MasterCAM软件的功能和特点
MasterCAM对CAD和CAM做了明显的分工。它包括3个功能模块，分别是Design、Mill和Lathe，其中Design为CAD模块，Mill和Lathe为CAM模块。用户可以通过CAD模块进行几何图形的造型，然后通过CAM模块编制刀具路径，再通过后处理器转换成机床数控系统能识别的NC程序，并能模拟刀具路径验证NC程序，然后通过计算机输入到数控机床中进行加工。另外，它还可以模拟加工和计算加工时间，这样可以省去试切的过程，节约宝贵的时间，降低材料消耗，以便提高工作效率和加工精度。MasterCAM提供了5种5轴联动加工的方法，其中大致可以分为：5轴曲线加工仿真、5轴钻孔加工仿真、5轴侧壁铣削加工仿真、5轴流线加工仿真、4轴旋转加工仿真等，这5种方法基本上能够解决各种形式的（3轴加工不容易实现的曲面）曲面加工问题。
另外，它可以很容易地与AutoCAD、SolidWorks等其他CAD软件实现数据交换，这就大大提高了它的通用性。而且，它在各个方面是通过模块化处理来进行的。所以，为各种不同需要的人员提供了选择的余地。
MasterCAM曲面造型功能强大，除了提供了创建规则曲面的方法外，还提供了自由形式曲面的创建方法。自由形式曲面的形状取决于其边界的组成直线或曲线，需要Bezier曲面、Coons曲面等复杂的造型技术。自由曲面可以进一步分为约束型和非约束型两类，约束型自由曲面一定通过所指定的边界曲线，如Coons曲面，非约束型曲面无需通过预先给定的线或点，其曲面形状是由控制点决定的，如B样条曲面和NURBS曲面。MasterCAM提供了4种构建自由形式曲面的方法，即直纹曲面、举升曲面、昆氏曲面、扫描曲面和实体曲面等。其曲面造型功能相当强大。为一些复杂曲面的编程加工提供了很大的方便。
四、用MasterCAM软件进行5轴加工造型和生成刀具轨迹及数控代码的方法
首先我们创建一个如图1所示的涡轮造型，然后我们为其创建刀具轨迹和加工数控代码。
图1 零件外形
该涡轮由3个叶片组成，连接3个叶片的是一个带有键槽的轴。对于轴的加工和键槽的加工的数控编程比较容易，而每个叶片又是由4个曲面组成的，用传统的自动编程比较麻烦，不易实现，下面我们利用MasterCAM软件进行“图形交互式自动编程”编制叶片的数控加工程序。首先对叶片表面进行粗加工，然后利用MasterCAM提供的5轴流线加工方法。（注：在此不提供零件造型的过程）
其编程的具体步骤如下，首先进行工件参数设置，对工件的结构尺寸、原点、材料等进行选择，然后对曲面进行干涉检查，以保证曲面加工的完整性。接下来设置某个叶片的上表面加工路径，然后通过复制完成其他叶片的表面加工路径，再加工主体的上表面。最后进行加工路径的模拟和仿真，我们共建立了16个刀具路径，如图2、图3所示。
模拟加工显示完后，下面我们进入图4所示的仿真加工过程。
(a)　　　　　　　　　　　 (b)
图3 模拟路径的加工过程
　(a)　　　　　　 (b)
图4 仿真的加工过程
最后利用操作管理对话框中的后处理功能，进行后处理生成数控加工代码，并进行保存。结果如下。
%
O0000
(PROGRAM NAME - YL)
(DATE=DD-MM-YY - 26-10-01 TIME=HH:MM - 21:42)
N100G20
N102G0G17G40G49G80G90
(1/8 FLAT ENDMILL TOOL - 1 DIA. OFF. - 1 LEN. - 1 DIA. - .125)
　　N104T1M6
　　N106G0G90G54X-2.6549Y1.0042A0.S4278M3
　　N108G43H1Z2.5
　　N110Z.358
　　N112G1Z.008F6.16
　　N114X-2.5672Y.9871
　　N116X-2.4797Y.9689
　　N118X-2.3927Y.9485
　　N120X-2.3279Y.9312
　　N122X-2.2641Y.9108
　　N124X-2.2363Y.9005
　　N126X-2.2079Y.889
　　N128X-2.1796Y.876
　　N130X-2.1521Y.8614
　　N132X-2.1263Y.845
　　N134X-2.103Y.8264
　　N136X-2.0829Y.8056
　　N138X-2.0669Y.7822
　　…………………
　　N2484X1.2323Y1.7135
　　N2486X1.2483Y1.6901
　　N2488X1.2595Y1.664
　　N2490X1.2649Y1.6383
　　N2492X1.2659Y1.6117
　　N2494X1.2633Y1.5848
　　N2496X1.2579Y1.5582
　　N2498X1.2506Y1.5325
　　N2500X1.2279Y1.4695
　　N2502X1.2029Y1.4072
　　N2504X1.1785Y1.3447
　　N2506X1.1578Y1.2811
　　N2508X1.1457Y1.229
　　N2510X1.1381Y1.1758
　　N2512X1.1354Y1.122
　　N2514X1.1381Y1.0684
　　N2516X1.1466Y1.0159
　　N2518X1.1514Y.9968
　　N2520G0Z.258
　　N2522Z2.5
　　N2524M5
　　N2526G91G28Z0.
　　N2528G28X0.Y0.A0.
　　N2530M30
　　%
五、应用中的问题和解决方法
由于5轴加工中心的刀具可以对工件呈任意的姿势进行加工，所以可避免切削速度为零的现象，还可以选择最适宜的刀具及相对于工件的姿态有效地进行加工，以及对凹入的形状用刀具倾斜的姿态进行加工，这些都是有利于加工的条件。我们也可以通过上面的例子发现计算机辅助编程是相当简单和容易的，但是在实际的数控编程中还存在着一些问题。完全靠计算机是不行的，还需要人的参与。
例如，对于凸面的加工，我们可以在编程时实现整个凸起面的数控加工问题，但是实际存在着安装定位以及刀具运动范围的问题。也就是说，在程序编制时，我们很容易实现刀具在360°的范围内摆动，而在实际的机床上，没有任何一个刀具的运动范围可以达到360°，刀具的最大摆动范围是介于+110°和-110°之间，再就是对于型腔类的工件加工中，刀具可能需要倾斜一定的角度进行切削，此时也需要限制刀具的摆动范围。因此，也就给实际加工带来了问题。
那么，遇到这样的问题该怎么解决呢？这就要求我们在程序编制时，人为参与设置刀具的运动范围在机床许可的范围内摆动即可。在实际的应用中还会遇到其他问题，在此不再一一介绍。
六、结论
5轴联动数控加工技术的发展，对于我国国民经济和加强国防建设都有非常重要的作用。对于仿真加工过程同样具有非常重要的作用和意义。
MasterCAM作为基于平台的CAD/CAM软件，由于其对硬件的要求不高，可以在普通计算机上运行，且操作灵活，易学易用，效率高。鉴于目前我国企业的经济及技术实力，选用计算机平台来实现3～5轴的CAM是非常实际的。

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又见面了！

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