基于數控仿真軟件的數控車零件機械加工設計

該文結合北京斐科的VNUC4.3數控仿真軟件和北京數碼大方CAXA數控車2011軟件，通過對復雜長軸數控車零件模的設計、工藝文件生成和制造加工整個過程，并模擬出刀具、坯料調整后或參數變更后的效果。分析此類軟件的局限性，為后續數字化機械設計制造奠定基礎。

CAD、CAM、CAPP為基礎的PLM技術使機械產品從設計到工藝確定，再到數控程序針對不同系統的校驗、加工精度分析，都可實現無紙化和全過程動畫模擬化。軟件仿真雖不能替代真實加工的實踐校驗性，但畢竟能提升產品的可靠和效率性。在實踐中最復雜的數控車案例如下：公式樣條曲線的加工；刀具干涉檢查；內凹復雜曲面的加工；內溝槽、內螺紋的自動編程等。如果用CAXA數控車201 1軟件頂替宏程序解決加工問題，有其自身優點。CAD、CAM后采用VNUC或宇龍數控仿真軟件可繼續驗證工藝程序在不同數控系統內的操作準確性和零件成型結果。因此解決數控車零件設計與加工的全仿真可如下幾步處理。

1 CAXA設計和加工工藝出圖

機械制造過程分為設計制圖、工藝、標準化、審定等步驟。

機械設計圖紙的生成

（1）CAXA數控車制圖沒有利用尺寸驅動與幾何約束的最先進畫法，公式曲線指令采用二軸參數方程各表的方法；（2）加工軌跡生成零件和毛坯的部分，利用圖層設置，將中心線、尺寸線放在專用圖層內便于隨時隱藏。（3）零件標注可通過文字替代功能修改，但加工軌跡和程序生成按照設計圖形尺寸，單位為毫米；（4）圖幅調入填寫必以CAXA坐標系原點為中心。加工中繪圖原點又為數控編程原點；一般為毛坯的右端面中心。因此設計圖紙中的零件一般是按加工原點尺寸設計后縮放并偏移后放在圖幅中間并注釋。

按加工工藝設計生成左右內外加工等工藝圖

工藝圖紙的數量并無具體規定，既可按精確工藝文件管理要求，生成粗、精、切槽、螺紋、鉆孔、內加工等單步圖紙，也可集合自動換刀程序，單獨生成加工工藝軌跡圖；加工軌跡分四種顏色：白色為G00指令快走刀，綠色為切削用量界面內的進刀量速度走刀，粉紅退刀，紅色進刀。軌跡顏色均不能修改且易混淆，因此可設計一個軌跡圖層顯示隱藏；將需要切除的毛坯部分和保留的成型部分設在不同的圖層和使用不同的顏色、線性以便加工拾取；對內、外溝槽的繪制處理原則是：由于CAXA數控車存在不識別并跳過槽加工的缺陷，以及粗加工時內溝槽下切的錯誤，應在不同的工藝圖紙中將溝槽進行封口處理。利用圖層將溝槽和封口分開設置隱藏；只需繪制出螺紋的大徑，不能仿設計圖紙的小徑繪制和標注。在數控車加工時輸入螺紋牙深即可；（6）CAXA數控車2011未開發內螺紋、溝槽的加工，需要鏡像工藝圖紙處理。

2 CAXA數控車生成加工軌跡

機床類型設置。CAXA機床設置存在錯誤必須在軌跡生成前修改。如生成FANUC數控系統指令時，存在明顯錯誤：螺紋切削指令是G32不是G33；（2）螺紋加工節距是F不是K；刀具號和補償號位數應默認為2且自動補足0；行結束符默認應為小寫的分號。

后置處理設置。后置設置程序格式和樣本，應注意：（1）數控車程序不宜設置行數上限和允許CAXA自動將復雜的程序分成若干個文件。用戶可自行將輪廓粗、精、溝槽、螺紋分成若干步進行，并用手動主、子程序連在一起；（2）未發現有機床和CAM軟件不識別TXT格式程序的。

刀具庫設置。該設置仍存在下列缺陷：增加刀具時軟件界面開發遺漏了一個刀具補償號。這個缺陷必須在每增加一把新刀具時，必須在相應類型的刀具庫管理的界面內補充，不然程序無效；刀具名支持中文，但切槽車刀設置不穩定；銑刀具和鉆孔車刀設置意義不大。

生成加工軌跡：指令使用分析。CAXA數控車工具欄共提供了六個車加工和六個二軸銑加工指令，車加工：（1）有固定循環指令是生成用戶較易讀懂的數控車程序，實際加工不易采用；（2）鉆孔加工指令前提是將鉆頭用刀架固定，鉆孔軌跡和程序的生成沒有意義。VNUC能仿真可做為教學的反面案例或興趣拓展；（3）指令中未開發內溝槽和內螺紋的加工指令。探索其解決方法為：將內溝槽和內螺紋繪制完成后按CAXA坐標系x軸（實為數控車床z軸）鏡像后生成加工程序，手動以x一替換掉所有x即可。無輪何種內加工都關注的是，第一要考慮起刀點，第二退刀一定要考慮刀具直徑和孔徑的比例。因為CAXA仿真并不檢查內干涉撞刀。

軌跡過程分析。以使用“輪廓粗車”指令，生成外輪廓粗加工軌跡為例，其關鍵為：（1）由后向前依次，輪廓車刀、切削用量、進退刀方式、加工參數；（2）CAXA數控車加工對刀具前后角的表述不準，主副偏角被CAXA表述為前后角，且刀具后角沒有自動關聯加工的干涉后角，默認干涉后角是10度；（3）相對坐標系的位置絕對不能發生改變；（4）圓弧擬合界面內的恒線速度和機床轉速上限設置必須符合實際，圓弧擬合的半徑越大加工精度越高；（5）拾取加工表面輪廓和毛坯輪廓時提示不封閉錯誤，但不提示是曲線斷點還是重合；（6）軌跡生成最后一步進退刀點實際是換刀點，起刀點由進退刀距離決定；（7）修改軌跡參數可以利用“參數修改”指令，也可以在CAXA數控車新增了一個刀具軌跡管理指令；（8）CAXA自帶一種仿真動畫軟件分為動態、靜態和二維實體三種模式，由于不能測量和干涉檢查，所以用其校驗軌跡正誤幾乎沒有。

3數控代碼和工藝文件的生成

軌跡完成后須對工藝文件和程序進行質量管理。（1）切輪廓、槽、螺紋等多步加工合一的程序生成必須注意到如前所述的換刀點，同時注意每步加工在程序中的先后順序與軌跡生成的先后順序無關，即生成的程序順序由拾取軌跡的次序決定；（2）不同用于銑加工的CAXA制造工程師軟件，CAXA數控車沒有專門的工藝文件生成指令。可利用不同軌跡的屬性生成TXT文本近似工藝文件。

4數控仿真加工及測量

CAXA數控車自帶了不能測量的仿真加工動畫程序，同時軟件檢測自身生成的數控代碼并不可靠。用VNUC4.3數控仿真軟件檢測上步數控代碼正誤的正確過程為：（1）將CAXA工藝程序中的刀具參數（如后角），對應在VNUC刀具庫中（對應副偏角）；（2）按毛坯尺寸完成刀具的對刀，不同于實際VNUC每把對刀都不存在誤差；（3）分步加載CAXA生成的右外、左外、左內數控程序并執行加工，重點觀測有無進退刀超限、撞刀等停頓報警事故；（4）完成加工后利用VNUC～，I量工具檢測加工精度誤差。如果加工表面方程樣條線的誤差不超過0.0 1 mm（或最小步長的10倍左右），<2>直斜線和圓弧加工只存在刀尖半徑殘余，沒有尺寸誤差，則該程序代碼可視為切實可用的；（5）VNUC仿真軟件也可以驗證CAXA生成的鉆孔程序。

本文將截至2013年底之前最新版本的CAXA數控車軟件和VNUC數控仿真軟件結合起來，針對不同工藝材料的機械產品，繪制設計，工藝出圖，生成數控程序，帶入仿真機床進行“實操”加工，最后生成工藝文件，實現了一個最復雜案例數控車零件的全過程無危險浪費的仿真加工校驗。同時，也指出了CAXA數控車201 1和VNUC4.3版本的若干錯誤和值得改進的地方。

（作者單位：長江大學文理學院機電與信息工程系）