自動編程及仿真軟件在數控技術中的應用

李勇興

(西京學院機械工程學院，陜西西安，710100)

1 自動編程及仿真軟件發展趨勢

在數控技術應用過程中，自動編程及仿真軟件應用水平直接取決于加工方案以及加工參數的科學、合理選擇，比如：機床、刀具形態、設備尺寸、刀具加工表現形態、刀具路線、主軸運轉速度、切削深度以及給進速度等相關方面。

為了優化和完善數據控制參數，必須在復雜切削基礎條件下深入探索操作參數與刀具磨損、加工質量等許多因素之間的聯系，因此加工外部形態復雜的零部件時，所產生的切削狀態始終處于變化狀態，由此可見，加工方案與參數的選擇成為了完善和優化數控編程智能水平的重要標志，同樣成為了完成車間編程個性化的重要前提條件。

而在建立工藝數據和信息庫的基礎上，應采取自動特點識別技術以及編程技術，才能從根本上解決數控技術應用問題。現階段技術人員針對加工方案以及參數自動化相繼開展全面探索和研究。目前我國在數控技術應用環節上，相繼開展智能化、自動化技術研究，但是實際使用環節上不能達到系統適用性。所以對于編程系統研究現狀來說，現階段應用比較廣泛的數控技術則是集合數據作為核心的集成技術方式，確保技術人員能夠直接從數據庫中提取所需要的自動編程信息，然而此種技術模式在實際操作環節上仍然需要較多的人工干預。如圖1，零部件倒角指令編程。

圖1 零部件倒角指令編程

除此之外，自動編程及仿真軟件實際開發過程中，主要以模型數據庫作為核心的集成化處理方式，確保產品生產模型的建立則需要使用全新造型技術，有利于根據模型中所包含的信息明確具體的加工方案、給進速度、主軸速度等，因此從本質上來看是一種系統化的集成化技術方式。

在實際的數控技術應用過程中，主要從以下幾個環節來控制和優化零部件的生產工藝。

1.1 參數選擇合理化

數控加工效率在實施過程中，需要依賴具體的加工方案和參數選擇，對于參數選擇上，應根據刀具型號、刀具走刀路線以及給進速度等方面進行深入控制，因此數控加工發展目標則是在滿足基礎加工需求、機床設備正常運轉以及刀具設備使用壽命的前提條件下，確保數控技術實際加工效果。

1.2 刀具生產軌跡

刀具生產軌跡是復雜形狀零部件進行數控加工的重要內容，所以能否生產出高質量產品，刀具運行軌跡成為了決定加工質量、效率以及可能性的重要條件之一。而刀具生產軌跡的首要目標和方案能夠滿足生產環節上對于產品無干涉、無碰撞、刀具切痕光滑等質量要求，除此之外，刀具生產軌跡還應滿足產品通用性好、穩定性強、代碼小等核心條件。如圖2，刀具生產軌跡圖。

圖2 刀具生產軌跡圖

1.3 仿真軟件數控加工

雖然現代化生產工藝在方案規劃以及刀具生產軌跡等方面具有較大進展，但是實際生產過程中，由于零部件生產形狀十分復雜且多變，加上產品加工條件十分混亂，所以想要在加工階段確保產品生產效果，就需要選擇適合的加工模式。比如：產品加工環節上的過切、機床零部件之間的碰撞等，此種影響因素對于產品加工來說十分重要。為此刀具加工之前，需使用專業應對措施針對質量檢驗和修整，以此作為基礎條件，利用數控加工技術結合自動編程及仿真軟件針對材料切除流程進行質量檢驗和優化。

1.4 后續處理技術

后續處理技術是現階段CAD/CAM系統有效銜接和集成的重要技術之一，該技術將前置生產處理完成的刀具位置數據轉化為適合數控技術加工的系統化程序，由于后續處理內容包含：機床運動學建模與求解、機床結構誤差補償、機床運動非線性誤差校核修正等方面，所以，科學、合理進行后續處理，以此確保基礎加工質量，從根本上提高加工效率。

2 數控技術加工要求

數控技術從本質上來看是一種自動化水平和應用密集程度較高的機電一體化生產技術手段，是結合計算機技術、自動控制系統、自動檢測系統以及高精準程度機械生產技術的綜合化生產系統，隨著數控機床的全面發展和成長，現代化生產企業需要針對數控加工技術進行全面分析。現階段數控車床成為了現階段使用最為廣泛的數控技術之一，為此本次研究主要以數控生產技術以及系統化編制問題進行詳細討論。比如：數控車削技術在生產環節上主要用于回轉加工模式，現有典型加工表面主要包含：圓柱、外圓錐、螺紋、圓弧面等方面，在數控技術加工過程中，想要加工符合生產需求的零部件，應使用自動編程的技術手段，加上數控技術實施過程中不同數控系統以及編程運行模式各有不同，所以應積極引進自動編程及仿真軟件，確保系統能夠正常運轉。

2.1 明確生產路線

想要保證自動編程及仿真軟件能夠在數控技術中合理化使用，需積極明確具體的生產路線，并且按照先主后次、先粗加工后精加工等加工原則，明確具體的加工生產路線結構，同時使用固定循環控制指令和系統軟件針對所生產產品外部形態進行粗制加工，隨后進行細致加工，最后進行螺紋加工。

2.2 刀具選擇

夾具選擇上，則應使用三爪自定心卡盤進行固定和卡緊，有效針對生產實際情況選擇適合的刀具設備，刀具位置點能夠集中在右端面與回轉軸線的交叉點上，而根據實際技術加工生產需求，應使用試切法對刀，對刀的同時把端面加工出來。

2.3 明確切削用量

對于零部件加工來說，明確切削基礎用量已經成為影響產品加工效率的重要因素之一，為此利用數控技術進行產品生產時，產品外部結構粗制車軸轉速為500r/min，切削給進速度為0.3mm/r，精細加工主軸轉速為800r/min，所以產品切槽和螺紋時，主軸旋轉速度為300r/min，進給速度為0.1mm/r。進而明確工件中心軸線與球頭中心交點作為軟件編程的原始位置點，明確零部件加工程序。

3 自動編程及仿真軟件應用案例

為了驗證數控技術應用效果和質量，本次研究主要以五角星生產模型作為實際案例，其中五角星外接圓形半徑為80毫米，而中心位置點高度為15毫米。

3.1 創建模型

在自動編程及仿真軟件實施過程中，充分利用Mastercam系統的CAD操作功能構建出五角星零部件的實體數據模型。

第一，技術人員首先需要繪制半徑長度為80毫米的五角星外部連接圓形結構，此時需要啟Mastercam系統，并且單擊主要功能菜單的繪圖結構。隨后根據生產零部件實際情況生成五角星零部件的底座結構，同時單擊主要功能菜單的實體結構，隨后在底座結構上創建圓形結構，向Z軸負方向進行結構拉伸。如圖3，五角星規劃圖。

圖3 五角星規劃圖

第二，繪制半徑為80毫米的圓形，隨后在圓形中進行內切正五邊形，并且在系統主要功能菜單中繪制多變性結構，并且繪制五角星中心位置點，從而根據生產產品實際情況設置內部結構圖，確保單機主功能菜單的繪圖點能夠在標準范圍內，隨后有效連接五邊形各個位置點并且詳細修建，隨后創建五邊形各個未指定點和中心點相互連接，確保在標準視角內能夠創建斜面并且刪除多余的段落。最終完成五角星實際建設模型，通過系統保存進行下一步。

3.2 模型加工

在模型加工實施過程中，需要充分利用Mastercam系統的CAM應用功能針對五角星制造模型進行技術加工，等待模型生成之后開展后續程序處理。

第一，模型加工環節上需要使用高等切削模式，因此在主要功能應用菜單中，應根據刀具加工路徑開展曲面粗制加工，因此刀具設備選擇應選擇直徑為12毫米的端銑刀設備。并且實際進行削切時，應根據生產實際情況設置切削參數以及外部粗加工參數。而在模擬加工環節上，想要保證零部件生產質量和效果，應單擊主功能菜單的公共管理以及路徑模擬，并且將所生成的處理程序以及粗加工操作流程進行詳細說明。

3.3 仿真加工

在系統仿真加工和處理環節上，需要將Mastercam系統中的處理程序使用記事本方式開啟，并且將所有的信息和數據管理文件轉化為.cnc等格式，正確地選擇刀具及設置參考點后即可進行數控加工仿真。

4 自動編程及仿真軟件應用策略

4.1 機械加工軟件編程應用

我國現有機械加工自動編程軟件主要包含：Mastercam、UG、Pro-E、CAXA等，其中 Mastercam系統軟件從 80年代引進至今已經優化至MastercamX9版本，由于該軟件強大的后續處理能力在機械加工行業中被廣泛的使用，所以Mastercam系統軟件自動編程在使用和仿真軟件建設環節上，需要依靠企業技能培訓、高校培訓等方式為各個行業傳輸專業技術人才，并且由于該系統應用功能強大、系統界面操作便利，因此成為現階段數控技術應用的核心系統之一。

Mastercam自動化系統編程軟件最初的系統運轉版本主要由三個相對獨立的管理模塊共同構成，其中包含：設計模塊、車床模塊和銑削模塊，隨著系統不斷完善和改革，已經有效結合空間線架結構設計、曲面設計、三維實體造型、多軸加工等方面綜合的模塊軟件。相比其他類型的自動編程及仿真軟件來說，Mastercam自動化系統編程軟件造型功能雖然具有一定優勢，但是該軟件自身具備較高的系統性、融合性，其中所生產的軟件格式為DXF形式，以便于圖形文件能夠直接應用至Mastercam自動化系統中，普遍具備較高的系統適用性。能夠直接在軟件中針對圖形結構進行后續參數選擇和設置。

除此之外，Mastercam自動化系統編程軟件在實施過程中，增加了刀具運行路線分析功能，確保操作人員懸停在刀具運行路徑上時，能夠有效顯示生產路線、給進速度、走刀模式以及冷卻液體物質開關狀態等方面，無論是軟件操作還是系統管理都更具備交互和靈活性。而系統進行模擬加工時，針對所產生干涉問題和碰撞部門進行高調渲染，進而有效提醒技術操作人員修改加工參數。

4.2 數控仿真技術應用

由于數控技術在實施環節上所使用的專業技術包含機械類、控制等專業技術，所以無論是從理論學習還是實際數控操作都需要利用專業技術手段。現有的數控仿真技術普遍具備高度的仿真數據模擬性，進而幫助學員快速且全面的熟悉機床按鍵使用，并且熟悉程序編輯、信息輸入以及校準實驗等環節，進而選擇適合的生產刀具和夾具，精準控制數控機床的加工，有效展現出刀具走向軌跡，對加工零部件準確測量。

4.3 軟件聯合使用

現階段，各個行業針對學員開展機械加工和數控技術教學時，無論是教育培訓還是專業技術優化，往往利用軟件開展獨立教學，此種現狀導致軟件之間并沒有足夠的聯系，而隨著自動編程及仿真軟件的引進，經過長時間教學實踐與操作，多個軟件之間相互聯合使用能夠保證企業建立更加可行的數控技術與機械加工技術，進而更好地完成產品加工任務。