直紋面加工編程軟件

       在我之前的文章“智能制造時(shí)代的水射流切割：第一部分柔性刀具控制系統(tǒng)”中，我分享了本人對(duì)柔性刀具控制系統(tǒng)的理解，該柔性刀具控制系統(tǒng)解決了刀具變形引起的幾何誤差問(wèn)題。換言之，它處理的問(wèn)題是一個(gè)切削工具本來(lái)應(yīng)該有一條直線的形態(tài)，但事實(shí)上，它又不是那么直，并因此帶來(lái)加工誤差，柔性刀具控制系統(tǒng)可以控制和補(bǔ)償這些誤差。本文將討論線形切割刀具加工編程的其他問(wèn)題。

       我以一個(gè)例子開(kāi)始這個(gè)話題。圖1顯示了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪部件的局部模型，該葉輪是由鈦合金鍛造坯料加工而成的。由于采用傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行所有的加工工作是極其昂貴和耗時(shí)的，一個(gè)較好的解決方案是采用水射流切割進(jìn)行粗加工，然后采用傳統(tǒng)的數(shù)控加工或電化學(xué)加工來(lái)完成零件所需的幾何形狀、尺寸和精度。然而，水射流是一種線形刀具，理論上，它只能切割直紋面。根據(jù)定義，直紋面是由移動(dòng)的直線生成的曲面，其結(jié)果是通過(guò)曲面上的每個(gè)點(diǎn)可以畫(huà)出一條完全位于曲面中的直線。如果你近距離觀察的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)圖1所示的三維模型葉片表面是自由曲面（中間葉片除外），而不是直紋面。為了使用三維CAM軟件產(chǎn)品進(jìn)行水切割加工編程，必須將葉片三維模型修改為加工面為直紋面的葉片模型（如圖1中間的葉片模型）。對(duì)于一個(gè)工程師來(lái)說(shuō)，要想設(shè)計(jì)出一個(gè)符合要求的直紋面葉片模型是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，該模型應(yīng)該包絡(luò)原始葉片，并且應(yīng)該與原始葉片具有盡量小的誤差，以便減少后續(xù)加工工序的加工余量。如果三維CAM軟件能自動(dòng)生成這種帶有直紋面的包絡(luò)模型，這是不是太好了？是的。我將介紹的一個(gè)三維CAM軟件產(chǎn)品可以做到這一點(diǎn)。

圖1飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的三維模型

       水射流并不是唯一的線形刀具，激光、等離子弧和線切割也屬于線形刀具的一類，它們有以下共同特點(diǎn)：

       切削刀具有直線的形狀。一個(gè)明顯的例子是線切割，因?yàn)樗褂勉f絲作為刀具。對(duì)于水射流、激光和等離子弧切割，這個(gè)線形刀具實(shí)際上是一種具備直線形態(tài)的高能束切割刀具。

       切削過(guò)程采用輪廓成形的形式。刀具在沿著切削路徑移動(dòng)時(shí)在材料中產(chǎn)生切縫，刀具本身的材料去除量小，但由切割輪廓形成的材料去除量可以非常大，加工效率可以非常高。

       切削刀具必須穿過(guò)工件，不能在深度方向做進(jìn)給加工，不能做沉孔加工。

       切割通常是一次性進(jìn)給加工，不像銑削加工通常需要多次進(jìn)給，線形刀具通常無(wú)法通過(guò)多次進(jìn)給加工改變工件的切削     質(zhì)量和精度，所以如何能夠在單次切割加工中獲得想要的切削質(zhì)量和精度顯得尤為重要。

       在工件輪廓的入口和出口處引入和引出切割是必要的。在切割輪廓之前，刀具需要穿透工件。穿透操作可以使用切割工具本身（如所有高能束切割過(guò)程）或使用不同的穿透工具（如電火花線切割）。穿透操作產(chǎn)生的孔通常比線形刀具本身的直徑大，因此不能在加工路徑上穿孔，穿孔通常放置在零件外部靠近切削路徑的地方，然后刀具從穿透孔導(dǎo)入輪廓。切出與切入正好相反。

       刀具是柔性的，在切割過(guò)程中會(huì)變形，與剛性刀具（如銑刀）不一樣。所有高能束切割刀具在工件底部都會(huì)向后彎曲，切縫通常有錐度（比如，切縫寬度隨深度而減?。?。電火花線切割中的鉬絲在工件厚度的中間位置向后彎曲成弓形。柔性刀具的變形會(huì)造成工件的各種幾何誤差。

      主流的三維CAM軟件產(chǎn)品主要關(guān)注傳統(tǒng)的數(shù)控加工，特別是銑削和車削，很少關(guān)注上述線形刀具。因此，如果使用三維CAM軟件的主流產(chǎn)品做線形刀具的加工編程，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些三維CAM產(chǎn)品無(wú)法獲得預(yù)期的效果。當(dāng)零件的三維模型包含非直紋面時(shí)，這些三維CAM產(chǎn)品缺乏自動(dòng)構(gòu)建替代直紋面的解決方案，對(duì)于柔性刀具變形所引起的問(wèn)題，這些三維CAM產(chǎn)品就更是束手無(wú)策了，它們對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)控加工可能有許多強(qiáng)大的功能特點(diǎn)，比如，無(wú)規(guī)則形狀多次進(jìn)給的空間加工軌跡的規(guī)劃和優(yōu)化，但這些功能特點(diǎn)對(duì)線形刀具可能毫無(wú)用處，甚至成為一種額外成本的負(fù)擔(dān)。

       本文所介紹的三維CAM軟件產(chǎn)品是專門為線形刀具和柔性刀具設(shè)計(jì)的，它不僅解決了上述問(wèn)題，并提供了更多有實(shí)用意義的功能特點(diǎn)。

       讓我們看看當(dāng)零件的三維模型包含非直紋面時(shí)，它是如何解決加工編程問(wèn)題的。軟件會(huì)根據(jù)直紋面的標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)檢查加工曲面，如果不符合標(biāo)準(zhǔn)，軟件將自動(dòng)生成替代直紋面并將其構(gòu)建到切割程序中，用戶還可以檢查生成的直紋面和原始曲面之間的誤差。對(duì)于圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，圖2顯示了該三維CAM軟件自動(dòng)生成的兩個(gè)包夾住葉片的直紋面（黃色），直紋面和原始曲面之間的誤差分布如圖3所示。

圖2自動(dòng)生成的替代直紋面（黃色）

圖3直紋面與原始曲面之間的誤差分布圖

       直紋面切割的另一個(gè)例子是圖4所示的俗稱“天圓地方”的零件，該三維CAM軟件成功地生成了該零件的直紋面（黃色）加工程序。

圖4切割“天圓地方”零件的直紋面加工程序

       由于線形刀具需要切入/切出，該軟件自動(dòng)添加切入/切出功能，并自動(dòng)生成完整的三維切割路徑。在切割路徑中，內(nèi)部輪廓安排在外部輪廓之前切割，以便在切割程序完成之前避免零件處于不固定的情況。切割路徑與零件表面保持一個(gè)固定的偏移距離（例如，刀具半徑），以便零件尺寸不受刀具直徑的影響。這個(gè)完整的三維切割路徑由快進(jìn)線、切入/切出操作和所有切割加工面組成，如圖5所示。

圖5自動(dòng)生成的切割路徑

       該軟件允許設(shè)置線形刀具在整個(gè)切割路徑上始終垂直于零件上表面，例如，設(shè)置線形刀具（用紅色箭頭表示）垂直于圓柱面，在圓管表面切割五角星圖形（圖6），還允許設(shè)置線形刀具始終平行于某一矢量方向，例如，設(shè)置線形刀具（用紅色箭頭表示）始終平行于圓管接頭的相貫軸線（藍(lán)色），用于切割加工圖7中圓形通孔。

圖6在圓管上切下的五角星

圖7在管接頭上切割相貫圓形通孔

       在某些情況下，加工零件的復(fù)雜性需要多次切割來(lái)達(dá)到工件的幾何形狀和尺寸要求。例如，圖8所示的零件有這些不規(guī)則的孔，在孔的一側(cè)，切削表面由上加工面和下加工面組成，多次加工的解決方案是：在第一道工序中切割下加工面后，然后在第二道工序中切割上加工面，如圖8右側(cè)的示意圖所示。該軟件使這種多次切割編程變得簡(jiǎn)單易行。

圖8加工這個(gè)不規(guī)則的孔需要多次切割

       為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化編程，圖8所示的單個(gè)孔的多次切割程序可以自動(dòng)復(fù)制到整個(gè)零件的圓形陣列，免除用戶重復(fù)操作，當(dāng)然，該軟件也允許對(duì)切割程序進(jìn)行線性陣列復(fù)制，如圖9所示。

圖9可以將切割程序復(fù)制成線性陣列

       此軟件允許用戶為每個(gè)切割表面指定特定的質(zhì)量級(jí)別（例如，水切割采用切割質(zhì)量從低到高的1到5級(jí)），然后軟件自動(dòng)根據(jù)工件材料、質(zhì)量級(jí)別和射流參數(shù)等工藝數(shù)據(jù)，利用配套軟件中的切削模型，計(jì)算出最佳切割速度和補(bǔ)償角（用于修正錐度和其他幾何誤差），然后將最佳切割速度和補(bǔ)償角度編程到最終的五軸機(jī)床數(shù)控加工程序中。

       編程完成后，可以在軟件中預(yù)演該程序，以檢查準(zhǔn)確性和可能發(fā)生的碰撞，如有必要，可以修改程序。切割前，程序應(yīng)在不打開(kāi)切割刀具（如水切割噴嘴）的情況下在機(jī)器上進(jìn)行物理預(yù)演。由于實(shí)際工件與三維模型有細(xì)節(jié)的差異，所以切割程序常常需要進(jìn)行一些微調(diào)。該軟件提供了簡(jiǎn)單方便的工具，可以對(duì)切削軌跡上一系列編程加工點(diǎn)以及線形刀具角度甚至加工速度進(jìn)行批量調(diào)整。下面是這個(gè)工具一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的案例。在圖1中，我們可以看到葉片上沿低于材料毛坯的頂面，如果在葉片或所生成的替代直紋面上進(jìn)行編程，切割刀具將會(huì)與材料毛坯的頂面碰撞。使用該軟件工具將切割路徑上的所有點(diǎn)沿著直紋面母線延伸至與材料毛坯的頂面對(duì)齊（見(jiàn)圖10），這個(gè)問(wèn)題就可以解決了。這個(gè)對(duì)加工刀具路徑做批量調(diào)整的功能對(duì)機(jī)器人離線加工編程尤為重要。

圖10切割路徑上的所有點(diǎn)延伸到與材料毛坯的頂面對(duì)齊

       該直紋面切割軟件的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，軟件產(chǎn)品也在不斷開(kāi)發(fā)和改進(jìn)之中。該軟件最初是為三維水射流切割而開(kāi)發(fā)的，但它稍加開(kāi)發(fā)，也可以用于其他線形刀具（激光、等離子弧、線切割等）的切割加工。

       本文討論了用線形刀具進(jìn)行直紋面切割的問(wèn)題，所介紹的三維CAM軟件產(chǎn)品可以對(duì)非直紋面的加工面自動(dòng)生成替代直紋面，可以自動(dòng)生成線性刀具切割輪廓時(shí)所需的切入切出并對(duì)整個(gè)切割路徑進(jìn)行自動(dòng)規(guī)劃和優(yōu)化，可以設(shè)置線性刀具垂直于工件上表面或平行于某一直線，可以對(duì)工件進(jìn)行變角度多次切割，可以把局部加工程序進(jìn)行圓形或線性陣列復(fù)制，可以對(duì)不同加工表面設(shè)置不同質(zhì)量等級(jí)，可以在加工路徑各處自動(dòng)配置最佳切割速度和線性刀具補(bǔ)償角（用于修正錐度和其他幾何誤差）并編程到最終的五軸機(jī)床數(shù)控加工程序中，可以對(duì)加工程序進(jìn)行仿真預(yù)演和碰撞檢測(cè)，可以對(duì)加工軌跡上線形刀具位置和角度甚至加工速度進(jìn)行批量調(diào)整。

       由于作者的局限性，讀者對(duì)本文有疑問(wèn)在所難免，這里介紹的三維CAM軟件也不是一個(gè)全能的解決方案，作者希望更多的人對(duì)這個(gè)話題感興趣，并希望能聽(tīng)到他們的觀點(diǎn)和見(jiàn)解。作者真誠(chéng)地歡迎反饋、更正和討論，本人的郵箱地址是：zengjiyue@lionstek.com。