关于复杂曲面加工方法的研究

关于复杂曲面加工方法的研究

摘要随着社会的快速发展，数控自动化机械已逐渐成为社会工业发展的需要，数控编程作为数控加工的关键技术之一，其编制效率、加工零件的时间、加工零件的精度在很大程度上决定了其适应度。

关键词数控；编程；效率；精度

1 手工编程与自动编程的介绍

手工编程是指编制零件加工程序的各个步骤，即从零件图样分析及工艺处理、数值计算、编写程序单直至程序检验，均由人工完成，故称为“手工程序编制”。其优点是方便快捷，并且可以省略很多走空刀的地方，可以最大地优化加工路径。其缺点是无法编制复杂工件比如非常规曲面的程序，同时手工编程对编程人员有较高的要求，又要水平高，又要细心。

自动编程是使用计算机进行数控机床程序编制工作，即由计算机自动进行数值计算编制零件加工程序单。在这里程序编制工作的大部分或全部由计算机来完成。其优点是由软件生成，可信度高，数据准确，可以加工用软件模拟出来的任意可加工曲面。其缺点是前期准备时间长，需要用软件建立模型，再设置刀具和毛坯等等，不适于简单工件的加工。程序冗长，一个复杂曲面的加工程序可能达到几十兆大小，需要在线加工，机床内存无法大量存储这么大的程序。加工路径不灵活，可能會有很多空运行的路径。

2 手工编程中宏程序和自动编程的特点

从编程手段上来说，用户宏程序算是比较高级的手工编程，但仍属手工编程，其次，从实现方法上来说，宏程序是通过变量来实现用直线对一些不规则线条的拟合。

宏程序编程之前要经过仔细的加工工艺分析，根据不同的零件和生产要求进行计算，然后据此编制加工程序，并且前提要求操作员比较熟悉宏程序的编程。宏程序天生就短小精悍，只要合理适当地应用宏程序，一个常规零件的加工程序不会超过60行，换算成字节，至多会有2KB，而常规的机床存储空间大体都在128～256KB之间，一个机床里一般可以存储上百个宏程序。宏程序结合了机床功能和数控指令系统的特点，编程人员根据零件的几何信息建立相应的数学模型，采用模块化的程序设计思想进行编程，除了便于调用外，还使编程人员从烦琐的、大量的重复性工作中解脱出来。

为了对复杂的加工运动进行描述，宏程序必然会最大限度地使用数控系统内部的各种指令代码，例如直线插补G01指令、圆弧（螺旋）插补G02/G03指令等，因此机床在执行宏程序时，数控系统的计算机可以直接进行插补运算，运算速度极快，伺服电动机响应快，机床反应迅速，加工效率极高。

自动编程看似比较烦琐，但其实生成NC程序的过程很接近于一个标准化的步骤，在师傅的指导下很快就能掌握操作的方法。其前提是有参数化的或是自己制作的零件模型。自动编程软件中，当零件的几何参数改变时，都要重新建模，重新设置加工参数，重新生成数控程序。对于CAD/CAM软件生成的程序，CAD/CAM软件生成的程序通常都比较大，非常容易就突破机床数控系统内部程序存储空间的限制，因此一般来说，除了相对简单的孔系加工、二维轮廓或口袋加工以外，其余绝大部分程序都不得不以DNC方式进行在线加工，而机床与电脑之间的传输速度也严重影响了加工速度[1]。

3 曲面半球宏程序编程与自动编程对比

零件分析：零件是凸半球零件，球的半径为50，并且设定零件的上表面中心为加工原点，但半球的圆心在加工原点负方向50处。利用圆上所有点都满足三角函数的特点，图中所画半球是90度到0度。进行编程时要注意零件是一个凸半球，我们要把除半球以外的所有零件全部切削，所以在本编程中进行宏指令的套用。

宏程序：

%123

G90G17G40G49

T01M6

G55

G41G00X20Y20Z100D01

X0Y0

Z10

M3S600

G01Z0F100

#1=90

WHILE#1GE[0]

#2=50*SIN[#1*PI/180]

#3=50*COS[#1*PI/180] G01X[#3]

Z[#2-50]

G2I[-#3]

#4=#3+6

WHILE#4LE[145]

G01X[#4]

G2I[-#4]

#4=#4+10

ENDW

#1=#1-5

ENDW

G40G01Z5

G00Z80

M5

M30

自动编程：

%0106

G40 G17 G49 G80 G90 G00 G90 G54 X0.Y0. T01 M06

S2000 M03

M08

G0 X-105.06 Y-9.563

G43 Z10.H01

Z2.

G1 Z-1.F250.

、

、

、

、

、

、

、

、

X-52.431 Y-16.454 Z-48.325 X-52.306 Y-17.008 Z-47.526 X-52.217 Y-17.4 Z-46.632 X-52.169 Y-17.614 Z-45.677 Z-36.

G0 Z10.

M05

M09

G91 G28 Z0.0M30

通过宏程序和自动编程程序的对比不难看出：手工编程短小精悍，共有28行，占用空间1KB.而利用软件编出的程序共有22270行，占用空间483KB。因为自动编程比较长，传输到机床加工时，相邻的每两个逼近点之间数控系统都要进行直线插补运算，系统的计算机工作量巨大，反映到机床上，相对于宏程序会出现一定的运动迟钝、不连贯。

本例中宏程序采用圆拟合的方式出来，虽然转化到机床上仍然是由直线插补，但插补由机床来完成相对于自动编程中计算机用直线拟合，然后在传送到机床，相对要更精确些。宏程序中基本上没有走空刀的路径，而自动编程走空刀的路径比较多。通过是实际加工出的零件對比，从加工时间和加工精度上都是宏程序具有明显的优势。因为自动编程都是一个数学运算的过程，必然存在着计算的误差和处理，而在对其生成三维加工刀路时，软件是根据你选择的加工方式、设定的加工参数，并结合所设定的加工误差（或称为曲面的计算精度），使刀具与加工表面接触点（相交点或相切点）逐点移动完成加工，从本质上看，其实就是在允许的误差值范围内沿每条路径用直线去逼近曲面的过程。

宏程序的调试相当复杂，在实机效验中就出现加工出的零件某个地方不对，可是又不容易从程序上找出错误的地方。还有就是机床上的设置对宏程序的影响往往很不容易看出来，导致加工的零件错误。这些问题对于接触宏程序不久而且缺乏指导的人来说是非常致命的。自动编程软件的调试相对简单，配合自带的加工仿真组件，可以清楚明了的看到零件的加工过程。不过软件偶尔也会出现实际加工路径与软件上模拟出的不一样的情况或是加工路径不合常理，效率低下的情况[2]。

4 复杂曲面加工方法的选择

对于点位加工或几何形状不太复杂的零件，程序编制计算比较简单，程序段不多。可进行手工编程。但对于轮廓形状不是由简单的直线、圆弧组成的复杂零件，特别是空间曲面零件以及程序量很大，计算相当烦琐易出错、难校对的零件，手工编制程序是难以完成的，甚至是无法实现的。因此，为了缩短生产周期，提高生产效率，减少出错率，解决各种复杂零件的加工问题，必须采用“自动编程”方法。一些老师傅说过，工艺是程序的灵魂，程序是工艺的身体。当我们达到以上的基础，我们就可以跟着自己的工艺思路轻松地进行程序的编制。当我们遇到简单的零件时自然可以用手工编程来完成，稍复杂的规则零件则完全可以用用户宏程序来实现。

而遇到一些带曲面的规则零件，我们完全可以利用自动编程的基于特征，采用手工编程+自动编程（可以包含宏程序）的方式来实现加工，首先采用手工编程编出出包含整个程序（不包括曲面部），然后采用自动编程加工那些复杂的曲面，然后将自动编程产生的程序改作一个子程序，最后在手工编制的程序中调用曲面加工子程序。

当遇到多曲面的较复杂零件时，采用手工+自动编程的方法在实际的加工中往往会因为莫名其妙的问题并且难易消除，我们可以根据零件的加工难易程度来