1 前言

　　數(shù)控機床最主要的優(yōu)點是高效與柔性的高度結(jié)合，其主要表現(xiàn)在數(shù)控機床能完成對不同零件的加工僅需改變的是機床的控制介質(zhì)——數(shù)控代碼，這正是數(shù)控加工區(qū)別于其它傳統(tǒng)加工之處。目前國內(nèi)企業(yè)的數(shù)控機床利用率普遍較低，造成這一情況的原因是數(shù)控編程技術(shù)跟不上，很多企業(yè)還停留在手工編程階段，因此迫切需要改變數(shù)控編程的現(xiàn)狀。

　　經(jīng)歷了手工編程和計算機輔助編程之后，數(shù)控加工自動編程技術(shù)進入了圖形編程時代。圖形數(shù)控編程已成為CAD/CAM必不可少的一部分，是數(shù)控編程的最佳途徑。目前國內(nèi)該方面的軟件還很少，而國外的軟件多處于工作站方面，微機運用上也不多，并且軟件系統(tǒng)費用很高，不適合國內(nèi)企業(yè)的實際情況，操作界面為外文，不便于工程人員操作，需花費大量的人力和物力來培訓(xùn)。因而迫切地需要一套適合國內(nèi)運用的數(shù)控編程軟件。

　　本系統(tǒng)是基于微機、面向國內(nèi)企業(yè)而開發(fā)的圖形數(shù)控編程軟件，用戶輸入零件的幾何信息(或打開相關(guān)的數(shù)據(jù)文件)后，系統(tǒng)自動生成零件圖形，結(jié)合輸入的加工信息(毛坯尺寸、切削參數(shù)等)，系統(tǒng)能進行動態(tài)模擬加工，并自動生成數(shù)控車床的G/M代碼。本系統(tǒng)是利用VB5.0開發(fā)出來的，采用純中文操作，界面通俗易懂、形象直觀，適合于普通工程技術(shù)人員使用。系統(tǒng)采用了下拉式菜單、彈出式菜單和工具條相結(jié)合的方式進行操作，極大地方便了用戶的使用。

2 GNC系統(tǒng)的硬件組成

　　一個完整的GNC系統(tǒng)包括完成從信息的獲取到加工指令的全過程。手工輸入(MDI)NC代碼程序單內(nèi)容，既麻煩，又枯燥，出錯率高。將計算機系統(tǒng)與機床數(shù)控裝置聯(lián)機，可以省去人工操作這一環(huán)節(jié)，還可以同時對多臺機床進行實時或分時控制，所以可以配上用于通訊的串行口和DNC接口。GNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 GNC系統(tǒng)硬件組成

圖2 GNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 零件幾何信息的輸入和圖形生成

　　零件幾何信息的輸入包括確定零件的線條總數(shù)、各段的參數(shù)及相互間的連接特性。零件幾何圖形的生成是指系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的相關(guān)信息自動在屏幕上生成零件的幾何圖形。

　　1) 零件幾何信息的輸入

　　用戶自左至右依次輸入零件各段的參數(shù)并確定其連接特性后，系統(tǒng)能準確地求出相互間的交點坐標，并“記住”相關(guān)幾何信息(如各段的線型特征、圓弧的順逆、各段間是否相切等)。在零件中若有非圓曲線(拋物線、橢圓)，系統(tǒng)則采用“變間距直線逼近法”求出其節(jié)點坐標值，并將該值放入一數(shù)組中儲存起來。幾何信息輸入完畢后，系統(tǒng)會將所得的數(shù)據(jù)放在一用戶指定的文件中，以便后置處理時使用。

　　非圓曲線的處理方法(以橢圓為例)：

　　本系統(tǒng)采用“變間距直線逼近法”，該方法與傳統(tǒng)的“等間距法”相比具有明顯的優(yōu)越性。傳統(tǒng)的“等間距法”是將非圓曲線所在的區(qū)間平均細分為n份，即將曲率半徑較大的地方也依曲率半徑較小的地方分成同樣大小的子區(qū)間。這樣反應(yīng)到數(shù)控機床上就是不必要的多走刀，效率很低。而變間距法則能較好地處理這一問題。具體方法如圖3所示。

圖3 變間距直線逼近法

　　根據(jù)已知的參數(shù)方程求出Y＝F(X)的表達式：(X-Xc)2/R12+(Y-Yc)2/R22=1，將指定區(qū)間se分成n份，根據(jù)求得的間距DX求出Xi，將所得的Xi代入Y＝F(X)即可求出一系列的(Xi，Yi)，即為每個線段終點坐標，并以該坐標值或?qū)?yīng)的刀心坐標值編制直線程序段。算至p點，若發(fā)現(xiàn)不滿足精度要求，則將pe區(qū)間分得更細，依次進行，直到全部滿足精度要求為止。

　　誤差檢驗方法如圖3所示。MN為試算后的某一段逼近線段，M'N'平行于MN且到MN的距離為D(用戶給定)，可得MN及M'N'的方程：

　　M N：AX+BY+C＝0　　M'N'：AX+BY=C±d[(A2+B2)]½

　　求解聯(lián)立方程，當M'N'和(X-Xc)2/R12+(Y-Yc)2/R22=1兩者有交點時，說明需再次細分區(qū)間，以減小DX的值(即增加所分的區(qū)間數(shù)n)，直到兩者無交點為止。

　　D的允許值，一般取零件公差的1/5或1/10，本系統(tǒng)推薦D的允許值在0.001mm以內(nèi)。

　　2) 零件幾何圖形的生成

　　VB(Visual Basic)提供了較為豐富的畫圖指令，因而在知道相關(guān)參數(shù)的情況下，能較為輕松地生成零件的圖形。直線和圓弧直接利用“Line”和“Circle”命令。遇到非圓曲線時，將采用變間距直線逼近法求出非圓曲線的節(jié)點，依次用直線連接起來，即可近似地得到非圓曲線。

4 數(shù)控加工模擬

　　模擬加工時，用戶需按系統(tǒng)提示依次輸入毛坯尺寸、機床起刀點、刀補值及絲杠間隙補償值、切削參數(shù)(切削深度、切削速度、進給量)、數(shù)控代碼在機床存儲單元的位置等信息。

　　考慮到車床的加工工藝較復(fù)雜，且車削的零件千變?nèi)f化，很難以每一固定方式編程，而盡可能多地包括各種情況。系統(tǒng)將車床零件分成兩類：階梯軸和典型零件(基本上能解決常見形狀零件的加工)。

　　階梯軸是指嚴格意義上的從左至右依次遞減的類型，系統(tǒng)根據(jù)輸入的加工信息，結(jié)合零件的幾何信息，自動制定加工路線進行模擬加工，并自動生成相應(yīng)的G/M代碼。

　　典型零件是指需去除的金屬形狀如圖4所示的5種類型。若是典型零件，則加工路線需要自定義，選擇粗加工的特性類型，按要求輸入相應(yīng)點(圖中已標出)的坐標值。坐標值的輸入應(yīng)綜合考慮毛坯尺寸、零件尺寸、精加工余量，系統(tǒng)會提供零件中交點坐標的信息。系統(tǒng)依據(jù)用戶的選擇順序進行模擬加工，并生成相應(yīng)的G/M代碼。

圖4 需去除的金屬形狀5種類型

　　為了便于觀察，動態(tài)模擬過程中用一與刀具外形相類似的二維圖形來代替刀具，毛坯輪廓與已切削的部分被賦予不同的顏色，這樣就好象真的用刀子在切削一樣，形象逼真，如圖5所示。

圖5 動態(tài)模擬圖

5 數(shù)控代碼的生成

　　將模擬加工過程中數(shù)控軌跡生成的直線或圓弧數(shù)據(jù)，按照加工路線和所用機床控制輸入格式要求，生成加工圓弧或直線程序段。具體步驟如下：首先判斷是加工直線段還是圓弧段，此信息在零件幾何信息輸入時已獲得，當加工直線段或者非圓曲線段(用直線逼近)時，輸出G01代碼；若加工圓弧，則需判斷圓弧是順時針還是逆時針，分別輸出G02、G03代碼。然后結(jié)合刀位點的信息(X，Z的坐標值)和切削參數(shù)，將這些信息結(jié)合起來依次放入一用戶指定的文件中，則得到數(shù)控代碼。

6 結(jié)論

　　本系統(tǒng)符合數(shù)控自動編程的發(fā)展趨勢，能在微機上處理數(shù)控車床的編程問題，自動生成G/M代碼，且操作簡單，界面形象直觀，適合普通工程技術(shù)人員使用。目前該系統(tǒng)已在數(shù)控車床上使用，具有良好的經(jīng)濟效益和實際推廣應(yīng)用前景。