典型CAM平台数控铣削加工编程功能对比应用

 摘要：本文简略介绍了通用典型CADCAM平台在进行数控铣削加工编程时，其三轴刀具轨迹设计、五轴刀具矢量控制及其轨迹设计、后处理程序开发等方面的对比应用，并以实例的形式进行说明，希望能为读者利用不同的CAM软件平台进行
数控编程时提供参考借鉴作用。

    关键词：数控铣削编程，CADCAM

前言:

    数控加工作为机械制造业中先进生产力的代表，经过十余年的引进与发展，已经在汽车、航空、航天、模具等行业发挥了巨大的作用。它推动了企业的技术进步和经济效益的增长。但是由于多方面原因，国内不同行业在应用数控加工方面表现的差距较大。一方面由于机床刀具软硬件配置等方面的原因，尤其是多坐标控制联动的高速铣削机床，进口设备由于其成本很高，企业不得不考虑其投资效益问题。另一方面多坐标联动高速铣削的CAM软件选型、应用编程与开发方面，需要一个长时期的技术积累才能赶上国外先进水平，尤其是对于人员的技术水平要求较高的CAM软件应用编程开发方面表现更为明显。

    用于数控铣削加工编程的CAM软件平台较多，比较常用的UGNX、CATIA、Pro/E、Mastercam、Cimatron、Surfcam、Powermill等，这些CAM软件平台在不同企业数控铣削编程方面发挥了很大的作用，虽然各自应用流程略有差别，但各系统提供的基本数控编程功能都比较相似。但是企业产品对象不同，使得对CAM平台的选型和应用方面的要求有所不同。数控三轴铣削编程上都能满足企业的要求，但在五轴铣削编程，刀具轴矢量控制与后处理程序开发等方面还是存在较大差别的，尤其是五轴机床的加工编程与后处理程序开发表现更为突出。本文就通用的CADCAM软件平台为环境，以几个具体的产品对象的数控铣削加工编程应用实例，简要介绍它们在进行数控三轴铣削、五坐标联动加工编程、后处理开发模式、机床仿真加工模拟接口方面的实例应用。希望对读者有所借鉴作用。

一、三轴铣削刀具轨迹设计

    现有典型CAM平台在进行数控铣削编程时，其流程基本相同，主要涉及加工对象定义、刀具选择、加工模式选择、轨迹优化编辑修改控制、后处理与实体模拟等方面内容。典型CAM平台在三轴联动数控铣削加工编程方面，都包括为粗加工、精加工、清根加工三种模式以及实体模拟仿真。在刀具轨迹的生成控制方式主要包括二维轮廓粗精加工、、深孔钻削加工、平行或环形等高分层铣削、螺旋铣削、曲面流线、投影加工、曲面清根、放射加工等功能，在高速铣削加工方面一般都提供高速R圆角控制、变速处理、直线拟合、样条插补等轨迹优化策略。利用典型的CAM平台在加工某薄壁空间曲面，其刀具轨迹示意图如下图1～3所示。从图中可以看出，在粗加工方面，各CAM平台功能相当；但在清根处理上，UGNX、CATIA、CIMATRONE可进行多次清根处理；在实体仿真切削时，MASTERCAM、CATIA、CIMATRONE、SURFCAM等平台相对而言模拟速度较快。

二、五轴数控铣削刀具轨迹设计

    在利用CAM平台进行五轴数控铣削刀具轨迹设计时，其核心内容主要包括刀具轴矢量控制、轨迹驱动方式、进退刀处理、五轴数控机床后处理与五坐标机床加工仿真模拟等方面的工作。由于五轴加工时产品的复杂性和刀具轴控制的灵活性和多样性，导致五坐标联动加工编程的难度和复杂性较大。一般CAM平台都提供五轴铣削数控编程功能，其主要包括（A）旋转四轴：多用于带旋转工作台或配备绕X、Y轴的旋转台的的四轴加工；如MACH1600位Z轴旋转的工作台主轴可立卧转换，可对外圆上的槽或型腔进行加工；（B）五轴底刃铣削：用于铣刀的底刃对空间曲面进行加工，避免传统球头刀的加工，此时需要对刀轴矢量进行合理的控制设计；（C）侧刃五轴：利用铣刀的侧刃对空间的曲面进行加工，避免球头刀的R切削，能大幅度提高曲面粗精加工的效率；（D）五轴顺序铣削与五面体加工：多用于铣削工步内容比较多的多面体加工，如立卧转换五面体加工中心可一次加工产品上的五个面或内外腔的场合，多用于工序的复合化加工；（E）曲线五轴：对空间的曲面曲线进行五轴曲线加工；（F）五轴钻孔：对空间的孔进行钻孔加工，多用于孔的位置不再三个基准平面上比较特殊的场合，如圆锥面上的孔或产品上孔位的轴线方向变化的场合。

    空间曲面五轴加工涉及的内容比较多，尤其是五轴加工时更明显。进行五轴加工时涉及加工导动曲面、干涉面、轨迹限制区域、进退刀及刀轴矢量控制等关键技术。四轴五轴加工的基础是理解刀具轴的矢量变化。四轴五轴加工的关键技术之一是刀具轴的矢量（刀具轴的轴线矢量）在空间是如何发生变化的，而刀具轴的矢量变化是通过摆动工作台或主轴的摆动来实现的。对于矢量不发生变化的固定轴铣削场合，一般用三轴铣削即可加工出产品，五轴加工关键就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削加工来完成。刀具轴的矢量变化控制一般有固定矢量、曲面法线、固定点、直线导动、直纹面导动、刀具轨迹投影、点位与任意矢量连续插补等方式。
  
    典型CAM平台在对某变锥度零件数控铣削加工编程时，各平台环境下的刀具轨迹示意图如下图4～7所示。从图中可以看出，现有的CAM平台一般能满足该产品五坐标铣削加工编程的需要。但是从用户的使用经验上讲，UnigraphicsNX平台在刀具轴矢量控制方面表现得更加灵活，尤其是其提供的插补刀具轴矢量控制和顺序铣削编程功能能够使得用户很轻松得完成所期望的五坐标联动铣削刀具轨迹目标。

三、后处理程序开发模式

    五坐标数控铣削加工编程的后处理程序开发的主要内容包括：①算法处理：主要针对多坐标加工时的坐标变换、跨象限处理、进给速度控制。②数控系统控制指令的输出：主要包括机床种类及机床配置、机床的定位、插补、主轴、进给、暂停、冷却、刀具补偿、固定循环、程序头尾输出等方面的控制。③格式转换：数据类型转换与圆整、字符串处理等：主要针对数控系统的输出格式如单位、输出地址字符等方面的控制。

    五轴数控机床的配置形式多样，典型配置有绕X轴和Y轴旋转的两个摆动工作台，其二为主轴绕X轴或Y轴摆动，另外的工作台则相应绕Y轴或X轴摆动来构造空间的五轴联动加工。对于主轴不摆动的五轴数控机床，其摆动轴存在主次依赖关系，即主摆动轴（Primary Table）的运动影响次摆动轴（Secondary Table）的空间位置，而次摆动轴的运动则不影响主摆动轴的空间位置状态。用于对典型的五轴机床运动方式进行配置，可对工作台双摆动、主轴头双摆动、主轴摆动及工作台摆动、工作台复合摆动（回转）、主轴复合摆动（回转）等典型五轴机床进行设置。主轴回转或摆动对应于相应机床，其所处于主动轴或从动轴的形式。在确定机床运动类型以后，其旋转轴矢量平面和旋转中心等设置是非常重要的，：用于设置主动轴及次动旋转轴矢量方向，设置主轴或工作台复合摆动轴矢量方向。旋转轴中心、偏心设置及刀具轴输出设置。如下所示为在Mastercam平台下的五轴机床类型设置。

#Machine rotary routine settings
mtype       : 0     #Machine type (Define base and rotation plane below)
                    #0 = Table/Table
                    #1 = Tilt Head/Table
                    #2 = Head/Head
                    #3 = Nutator Table/Table
                    #4 = Nutator Tilt Head/Table
                    #5 = Nutator Head/Head
head_is_sec : 1     #Set with mtype 1 and 4 to indicate head is on secondary

    现有的CAM平台提供的刀具路径的文件包括标准的可编译文件（如APT文件）和二进制文件. CATIA, UGNX, Surfcam,PROE等CAM都支持这两种格式, MasterCam的NCI则是另外的文字格式档案.后处理则各家大多有各自的后处理。典型CAM平台的后处理用户界面如下图8所示。除Mastercam采用文本方式以外，大部分CAM平台都提供自己的后处理用户界面，操作设置比较方便，尤其是可用于多CAM平台和异构数控系统，如Imspost后处理包可支持几乎所有的通用CAM平台和流行的数控系统。后处理程序的开发编辑模式各不相同，其UnigraphicsNX 采用UGPostBuilder，采用基于TCL语言的二次开发功能完成用户开发；Mastercam提供基于GENERIC FANUC系统通用五轴铣削后处理文件，用户需根据具体机床对其进行编辑修改，达到最终的使用要求。其中 CimatronE、 Catia可采用ImsPost进行后处理开发；Spost/Gpost则采用宏程序方式用于Surfcam 、Pro/Engineer 平台。

四、机床加工仿真模拟接口

    美国CGTech的产品VERICUT，它可用来在编程阶段校验加工程序的准确性，能够让编程人员对NC加工环境进行仿真。应用VERICUT，可对包括工装夹具在内的整个机床建模，它的易修改的控制程序库使得NC程序在仿真环境中的运行，完全模拟了在机床上的运行。一些CAM系统本身具备校验功能，内部校验检查的是内部的CAD/CAM数据，它们在上机床执行前往往已被转换多次了。外部校验系统则不仅能检查内部CAM文件，还能够校验G代码。NC校验软件能够校验不同CAM系统生成的程序，用同样的手段校验所有的NC程序，使编程人员能够对所用的各种CAM系统得到稳定的可靠的结果。NC校验软件能够减少甚至省略在机床上进行人工的修正，这不仅节省了编程时间，更能使机床被解放出来完全用于加工产品。校验程序还可使返工、加工出废品和损坏加工刀具的可能性降到最低。

    Vericut提供了许多功能，其中有对毛坯尺寸、位置和方位的完全图形显示，可模拟2~5轴联动数控加工。现有的CAM平台都提供与Vericut的嵌入式接口或转换功能。如下图所示分别为UGNX、CATIA、Mastercam等平台与Vericut之间的转换设置，且它们可直接与Vericut进行嵌入式链接仿真，如Pro/Engineer、UGNX、CATIA、Mastercam平台等。其中UGII/Vericut 切削仿真模块是集成在UGII软件中的第三方模块，它采用人机交互方式模拟、检验和显示NC加工程序，是一种方便的验证数控程序的方法。由于省去了试切样件，可节省机床调试时间，减少刀具磨损和机床清理工作。通过定义被切零件的毛坯形状，调用NC刀位文件数据，就可检验由NC生成的刀具路径的正确性。UGII/Vericut可以显示出加工后并着色的零件模型，用户可以容易的检查出不正确的加工情况。如图9为UGNX、CATIA、Mastercam与Vericut的数据转换接口设置，图10为基于Vericut环境的机床加工仿真模拟，能帮助用户大幅度提高五坐标加工编程的效率和质量。

五、小结

    典型CAM平台用于数控铣削加工编程时，各平台的基本功能都差不多。在细节控制上，UG更灵活，对于高速切削加工，应采用螺旋铣削加工，或者是在转角处配置圆弧过渡 都在一定程度上支持高速加工；在支持变速切削的功能上，高速加工转角处的降速处理上，UG和CiamtronE相对好一些，CimatronE支持变速切削，Mastercam只有一次降速功能；在根部清根上的处理，UG和CiamtronE相对好一些，可实现多次清根；五轴铣削刀具轴矢量控制方式上，UGNX非常灵活，其它平台基本都能满足使用要求，主要依赖于用户的灵活应用开发上；后处理程序开发上UGII/PostBuilder灵活，Mastercam采用文本形式，而CimatronE与Catia均可采用支持异构数控系统与CAM平台数控程序转换的Imspost进行后处理，Surfcam与Proe可采用同一后处理NCpost或Gpost；与Vericut软件之间的接口关系，仿真加工上，各平台均可链接；参数化驱动方面UGNX、Catia、Pro/Engineer等均支持参数化刀具轨迹编辑修改，相对其数控编程模板与参数化功能更强大一些。

参考文献：

    【1】实用数控加工技术，《实用数控加工技术》编委会，兵器工业出版社，1995

    【2】数控加工编程的理论基础，刘雄伟，机械工业出版社，2000