臥式數(shù)控加工中心回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)

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幾年前起，這三個(gè)階段相互孤立，每個(gè)階段都必須解決特定的問(wèn)題。有時(shí)生產(chǎn)階段的一些必要條件會(huì)加給其他階段（例如，當(dāng)設(shè)計(jì)師建立工件公差；或當(dāng)機(jī)器生產(chǎn)無(wú)法進(jìn)行或者出現(xiàn)故障時(shí)，設(shè)計(jì)師有必要在生產(chǎn)階段對(duì)工件做一些更改）但三個(gè)階段嚴(yán)格分離。 此外，不同的程序員有不同的“邏輯”，編寫出不同的程序，使這些不同的程序相互“交流”被認(rèn)為是不可能的。近年來(lái)，盡管有人試圖使不同程序聯(lián)合溝通以解決一些問(wèn)題，但這個(gè)目標(biāo)是很難實(shí)現(xiàn)的。。 有一些程序可以聯(lián)合運(yùn)行，但他們不是通用程序，而是非常專業(yè)的，只能用于使用強(qiáng)大計(jì)算機(jī)的特殊領(lǐng)域。事實(shí)上，開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠被簡(jiǎn)單的、普通的、非常便宜的個(gè)人電腦方便使用的通用軟件是必要的。 數(shù)控機(jī)床因?yàn)槟軌虼龠M(jìn)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)力和質(zhì)量的提高，降低成本而被廣泛應(yīng)用，。實(shí)際上，數(shù)控機(jī)械比普通機(jī)械更加高效和精密，可以加工出非常準(zhǔn)確的表面，但它們比普通機(jī)械更昂貴，使用起來(lái)更復(fù)雜。 此外，為了獲取使刀具精確運(yùn)轉(zhuǎn)所需的數(shù)據(jù)，編寫一個(gè)能被機(jī)器控制單元讀取的特定程序是必要的。這個(gè)程序（被稱為“零件程序”）是用某種特定的編程語(yǔ)言編寫的，可以被每一個(gè)數(shù)控機(jī)床讀取（類似機(jī)床有：車床，銑床等）。 使用數(shù)控機(jī)床面臨的第一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)程序員在編寫零件程序時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò) 誤，工件就不會(huì)按照將我們?cè)O(shè)定的方式被進(jìn)行加工，因此工件會(huì)出現(xiàn)不同的形狀或不同的特征。但是編程如果對(duì)刀具下達(dá)錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)指令，由于數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床的速度高，刀具和機(jī)器固定部件會(huì)之間發(fā)生碰撞，這是更加危險(xiǎn)，也是代價(jià)昂貴的。 利用數(shù)控機(jī)床還存在其他的問(wèn)題，例如如何選擇合適的深度或進(jìn)給速度或如何選擇工件的形狀來(lái)減少材料的浪費(fèi)。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)可以解決這些問(wèn)題，但進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)是非常昂貴的，會(huì)造成人力，時(shí)間，材料和金錢的浪費(fèi)。 此外，不是所有的問(wèn)題都是通過(guò)實(shí)施一個(gè)測(cè)試就容易解決的，而是是反復(fù)實(shí)驗(yàn)。用計(jì)算機(jī)代替數(shù)控機(jī)床來(lái)實(shí)施虛擬的切削實(shí)驗(yàn)和盡可能多的通過(guò)機(jī)床處理工作來(lái)展示空間相交區(qū)域應(yīng)該是真正有用的。機(jī)械部分電子表征系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，我們可以用來(lái)虛擬三軸端銑機(jī)的切削實(shí)驗(yàn)。 2.切削過(guò)程 切削過(guò)程是刀具與工件相互作用的結(jié)果，可以通過(guò)一系列的布爾達(dá)運(yùn)算來(lái)模擬。 刀具，一種端銑刀，可以通過(guò)AutoCAD中運(yùn)動(dòng)的實(shí)體來(lái)表示。刀具的“掃描體”通過(guò)平面來(lái)表示，刀具運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生“掃描體”的邊和點(diǎn)。每一個(gè)原語(yǔ)根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向創(chuàng)造出自己的刀具“掃描體”。例如，一個(gè)圓柱形的刀具可以沿著于刀具正軸線平行或正交的線運(yùn)動(dòng)。在第一種情況下，該“掃描體”是一種高筒，在第二種情況下，“掃描體”是以一個(gè)長(zhǎng)方體和了兩個(gè)半圓柱體的組合。 封閉多段線（刀具的橫切面）（圖1）繞旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)可以表示沿圓線進(jìn)行的切削過(guò)程。為了模擬端銑的切削過(guò)程，這些實(shí)體可以從表示工件的實(shí)體中減去。 圖1. 刀具掃描體 3.AutoCAD Autodesks公司的軟件AutoCAD自1982年被引進(jìn)后倍受歡迎，是個(gè)人計(jì)算機(jī)里功能強(qiáng)大的專業(yè)繪圖軟件。它一直提供AutoLISP、ADS編程接口來(lái)開(kāi)發(fā)一系列定制應(yīng)用。ADS比LISP更高效、更方便使用，ADS作為一種可供選擇的接口，自R11版本出現(xiàn)以后一直被應(yīng)用。因?yàn)锳NSI-C已經(jīng)成為被普遍接受的編程語(yǔ)言，ADS軟件使用ANSI-C來(lái)開(kāi)發(fā)雜項(xiàng)應(yīng)用。同時(shí)ADS可以使用所有ANSI-C里可移植的語(yǔ)言庫(kù)。 在1996年，我們利用AutoCAD R12開(kāi)發(fā)出軟件.當(dāng)時(shí)AutoCAD使用AME來(lái)設(shè)計(jì)三維實(shí)體造型，但AutoCAD自從R13版出來(lái)轉(zhuǎn)為使用標(biāo)準(zhǔn)ACIS。隨著R14新版本的發(fā)行，我們決定升級(jí)我們的軟件，因?yàn)锳CISs計(jì)算效率更快，對(duì)實(shí)體的描述更加精確。此外，它減少了繪圖文件的大小。因此，與AME相比ACIS更能夠處理好非常復(fù)雜的模型。 4.開(kāi)發(fā)的軟件 我們的軟件由C語(yǔ)言編寫而成，與一些AutoCAD命令執(zhí)行的特殊指令在ADS環(huán)境下一起被執(zhí)行?！?,7】 該軟件分為兩個(gè)基本部分： 第一部分是在零件程序與AutoCAD環(huán)境之間創(chuàng)建一個(gè)接口。 第二部分是使零件程序數(shù)據(jù)可以被讀取和解釋。 零件程序包含了刀具路徑的一些指令（Gxx指令），幾何特性（像點(diǎn)坐標(biāo)或連接半徑），工藝特點(diǎn)（進(jìn)給率，主軸轉(zhuǎn)速，等）：該軟件只解釋這些幾何指令。 該軟件在AutoCAD內(nèi)運(yùn)行，操作員可以畫出工件或作為外部文件進(jìn)行加載，選擇刀具形狀（有四種類型的刀具：圓筒狀，圓柱形球頭，半球體，球體）和它的尺寸：該軟件能計(jì)算并繪制出是AutoCAD多段線的刀具的橫截面（圖2）?，F(xiàn)在，操作員必須加載零件程序，開(kāi)始模擬。 首先，該程序分析幾何特點(diǎn)，然后將其按時(shí)間順序組合（例如：一般運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)的X坐標(biāo)被稱為“oldx”,一般運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)X坐標(biāo)被稱為“valx”。） 第一步后，該軟件執(zhí)行零件程序下達(dá)的運(yùn)動(dòng)指令（G01，G02和G03指令）通過(guò)AutoCAD的“拉伸”和“旋轉(zhuǎn)”命令來(lái)繪圖。AutoCAD中“拉伸”命令可以將三維添加到二維封閉多段線，而AutoCAD中的“旋轉(zhuǎn)”命令可以從二維封閉多段線實(shí)現(xiàn)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)?shù)毒卟唤佑|工件時(shí)，G00指令代表刀具運(yùn)動(dòng)：在我們的工作中，由棱柱形的AutoCAD的實(shí)體表示。實(shí)體的橫截面與刀具相同，通過(guò)“拉伸”命令獲取。這一運(yùn)動(dòng)的模擬對(duì)于驗(yàn)證是否與夾具發(fā)生碰撞是非常有用的。 當(dāng)工具接觸工件時(shí)，G01指令代表刀具運(yùn)動(dòng)：在我們的工作中，它是由AutoCAD 中棱形實(shí)體表示。實(shí)體的橫截面同樣與刀具相同，通過(guò)“拉伸”命令獲取。AutoCAD中“拉伸”命令使用線段；它的起點(diǎn)坐標(biāo)是“oldX”、“oldY”、“oldZ”，終點(diǎn)坐標(biāo)是“valX”、“valY”、“valZ”。 值得注意的是，為了執(zhí)行“拉伸”命令，需要Z軸與在X-Y平面內(nèi)的線段和多段線對(duì)齊。為此，我們已經(jīng)創(chuàng)建了相同的指令來(lái)改變AutoCAD坐標(biāo)系統(tǒng)（UCS：用戶坐標(biāo)系）。 G02和G03指令由運(yùn)動(dòng)的實(shí)體表示。刀具的橫截面繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生這些實(shí)體。旋轉(zhuǎn)軸從圓角的中心開(kāi)始并垂直于X-Y面。 由于零件程序不包括AutoCAD繪制這樣的實(shí)體所需的信息，對(duì)我們來(lái)說(shuō)，為了從零件程序數(shù)據(jù)中獲取必要的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)一些計(jì)算程序是必要的?，F(xiàn)在操作員可以開(kāi)始進(jìn)行模擬。他選擇工件（或繪制它），選擇刀具的形狀和尺寸；該軟件自動(dòng)繪制多段線并將其放在遠(yuǎn)離工件的所謂的“靜止點(diǎn)”。該刀具具有“編程點(diǎn)”即遵循程序軌跡的點(diǎn)（圖3）。 當(dāng)我們的軟件處理G00或G01指令，它有兩個(gè)選項(xiàng)： 1.起點(diǎn)的Z坐標(biāo)不同于終點(diǎn)的Z坐標(biāo)：我們有一個(gè)垂直運(yùn)動(dòng)并且該軟件會(huì)繪制一個(gè)與刀具半徑相同的圓柱體，公式是h=Z2-Z1。 2.起點(diǎn)的Z坐標(biāo)和終點(diǎn)的Z坐標(biāo)相同：刀具在X-Y平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，該軟件復(fù)制刀具多段線的橫截面，使其向著運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)移動(dòng)。軟件改變UCS（Z軸與從起點(diǎn)到終點(diǎn)的線段對(duì)齊）并使多段線旋轉(zhuǎn)，使其必須垂直于Z軸?，F(xiàn)在，多段線可以被拉伸，該軟件繪制一個(gè)實(shí)體來(lái)代表刀具運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)軟件處理G02或G03指令時(shí)，工具在X-Y平面上運(yùn)動(dòng)，該軟件復(fù)制刀具的多段線橫截，使其向著運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)（G02）或運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)（G03）移動(dòng)。這個(gè)程序的結(jié)果是多段線繞著旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)所繪制的實(shí)體代表著刀具的運(yùn)動(dòng)（圖5）。 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，操作者可以在他個(gè)人電腦的屏幕上看到完整的刀具路徑。但是現(xiàn)在有一個(gè)CAD文件：這個(gè)刀具路徑是一個(gè)AutoCAD的實(shí)體，可以被測(cè)量，被改變，被計(jì)算體積。他也可以使用另一個(gè)AutoCAD命令：通過(guò)“刪減”命令，可以獲得工件的最終形狀，同時(shí)也也能夠測(cè)量它，還可以改變角度，或者獲取體積的幾何信息，重力的中心等等。 我們已經(jīng)使用一些零件程序測(cè)試了該軟件，結(jié)果是非常滿意的：這些模擬是非常的簡(jiǎn)單，快速和便宜。圖6是使用我們軟件獲取的樣品圖像。 該樣品表示的是一個(gè)體積為300mm×300mm×50mm，中部有孔（直徑為175mm）的鋼鐵模座的工件。圖上顯示的是夾具和帶有球頭工具（直徑40mm）的加工部分。使用配備133兆赫的奔騰處理器和32MB內(nèi)存的個(gè)人電腦對(duì)這一工件進(jìn)行模擬所需要的時(shí)間近似少于一分鐘。因此，為了優(yōu)化程序設(shè)計(jì)階段，在幾分鐘內(nèi)通過(guò)改變幾何參數(shù)來(lái)進(jìn)行重復(fù)切削模擬成為可能。 圖2 . 工具選項(xiàng) 編程點(diǎn) 圖3. 工具的編程點(diǎn) 圖4. G01命令模擬 圖5.G02命令模擬 圖6. 渲染圖像的仿真 5.結(jié)論 如果人工操作，就時(shí)間和人力資源來(lái)說(shuō)，零件程序檢查是非常昂貴的。由于在后處理階段之后軟件可以改正編程錯(cuò)誤，許多切削實(shí)驗(yàn)可以被取消和機(jī)器功能被使用。所開(kāi)發(fā)的軟件對(duì)快速容易的驗(yàn)證零件程序提供有效支持。 事實(shí)上，所開(kāi)發(fā)的軟件可以與功能強(qiáng)大的可以構(gòu)建實(shí)體模型的常用繪圖軟件結(jié)合。因此設(shè)計(jì)師程序員能夠立即看到工件的形狀或切削過(guò)程中的錯(cuò)誤。此外，模擬結(jié)果產(chǎn)生的繪制圖像可以真實(shí)地表示加工件，該軟件對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)控加工模擬和驗(yàn)證提供了一個(gè)更好的方法。 模擬數(shù)字是一個(gè)實(shí)體模型，可以給出所有不可能被其他任何模擬程序提供的幾何信息（例如體積，重心等）。此外，實(shí)體模型真實(shí)地描繪工件，通過(guò)不同角度展現(xiàn)出來(lái)。該模型也可以被操作來(lái)實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。此外，通過(guò)使用廉價(jià)的個(gè)人電腦和一個(gè)通用繪圖軟件該軟件就可以在幾分鐘內(nèi)模擬復(fù)雜的零件程序。