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來(lái)源:減速機(jī)信息網(wǎng)    時(shí)間:2008-6-16 8:42:56  責(zé)任編輯:lihongwei  
  任何數(shù)控加工只要能夠用宏程序完整地表達(dá),即使再?gòu)?fù)雜,其程序篇幅都非常有限,可以說(shuō)任何一個(gè)比較合理、優(yōu)化的宏程序,極少會(huì)超過(guò)60行,換算成字節(jié)數(shù),至多不過(guò)2KB。一方面,宏程序天生短小精悍,即使是最廉價(jià)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng),其內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間再小也會(huì)有個(gè)10KB左右(FANUC 0i系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置一般為128KB或256KB,其他常見(jiàn)的數(shù)控系統(tǒng)也與此大體相仿),完全容納得下任何“龐大”的宏程序,因此根本無(wú)需考慮機(jī)床與外部電腦的傳輸速度對(duì)實(shí)際加工速度的影響(事實(shí)上還沒(méi)有什么數(shù)控系統(tǒng)或DNC軟件支持以DNC方式運(yùn)行宏程序來(lái)進(jìn)行在線加工)。

   另一方面,為了對(duì)復(fù)雜的加工運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述,宏程序必然會(huì)最大限度地使用數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的各種指令代碼,例如直線插補(bǔ)G01指令、圓弧(螺旋)插補(bǔ)G02/G03 指令等,因此機(jī)床在執(zhí)行宏程序時(shí),數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可以直接進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算,運(yùn)算速度極快,伺服電動(dòng)機(jī)響應(yīng)快,機(jī)床反應(yīng)迅速,加工效率極高。

   而對(duì)于CAD/CAM軟件生成的程序,情況則要復(fù)雜得多!下面筆者將結(jié)合自己多年使用CAD/CAM軟件的心得與經(jīng)驗(yàn),對(duì)此進(jìn)行比較深入、詳細(xì)的闡述。

    首先,CAD/CAM軟件生成的程序通常都比較大,非常容易就突破機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部程序存儲(chǔ)空問(wèn)的限制(通俗地說(shuō)就是系統(tǒng)裝不下程序),因此一般來(lái)說(shuō),除了相對(duì)簡(jiǎn)單的孔系加工、二維輪廓或口袋加工以外,其余絕大部分程序都不得不以DNC方式進(jìn)行在線加工,顯然機(jī)床與電腦之間的傳輸速度成為了影響加工速度的第一個(gè)“瓶頸”因素。除了那些機(jī)床系統(tǒng)內(nèi)置硬盤(pán)、或機(jī)床與電腦之間以FDDI、以太網(wǎng)等形式進(jìn)行組網(wǎng)的新型數(shù)控機(jī)床(主要是高速加工機(jī)床)之外,目前凡是運(yùn)用CAD/CAM軟件進(jìn)行數(shù)控編程的數(shù)控銑/加工中心絕大多數(shù)都是通過(guò)RS232口的串口通信來(lái)實(shí)現(xiàn)DNC在線加工的。

   絕大多數(shù)主流的中檔數(shù)控系統(tǒng),如FANUC 0M、0i,三菱M52、M64,西門(mén)子8021)、810D等,系統(tǒng)所支持的RS232口最大傳輸速度(即波特率Baud rate)基本上都是19200,而大多數(shù)DNC軟件(如V24,PCIN,AIC等)支持的最大波特率多數(shù)也不過(guò)紅19200~38400,即使在 19200的波特率下工作,當(dāng)計(jì)算精度較高、進(jìn)給速度,值又較大(如F1800~F2500)時(shí),程序傳輸速度往往還是;跟不上機(jī)床的節(jié)拍,在實(shí)際加工中可以看到機(jī)床的進(jìn)給;運(yùn)動(dòng)有明顯的斷續(xù)、遲滯,對(duì)于FANUC系統(tǒng),即使打開(kāi)DNC緩沖,或設(shè)置C51.1參數(shù),也難以有大的改觀。

   經(jīng)驗(yàn)證明,由于RS232口通信抗干擾能力有限,其傳輸效果實(shí)際上還涉及到傳輸線是否屏蔽良好、是否長(zhǎng)度適中、機(jī)床與電腦兩端接地是否良好等,波特率越高,傳輸越不穩(wěn)定,實(shí)際中往往被迫限制在9600甚至更低,如此一來(lái)DNC在線方式下的加工效率更打折扣。

    其次,從用戶使用的層面上說(shuō),使用CAD/CAM軟件來(lái)生成刀路及程序是非常容易的事,但是剖析CAD/CAM軟件計(jì)算刀路的原理,就知道它存存一定的弊端。在CAD/CAM軟什中,無(wú)論構(gòu)造規(guī)則或不規(guī)則的曲面,都有一個(gè)數(shù)學(xué)運(yùn)算的過(guò)程,也必然存在著計(jì)算的誤差和處理,而在對(duì)其生成三維加工刀路時(shí),軟件是根據(jù)你選擇的加工方式、設(shè)定的加工參數(shù),并結(jié)合所設(shè)定的加工誤差(或稱為曲面的計(jì)算精度),使刀具與加工表面接觸點(diǎn)(相交點(diǎn)或相切點(diǎn))逐點(diǎn)移動(dòng)完成加工,從本質(zhì)上看,其實(shí)就是在允許的誤差值范圍內(nèi)沿每條路徑用直線去逼近曲面的過(guò)程。

   這樣任意曲面自然都能對(duì)付,而且也是完全合理的做法,但是在加工規(guī)則曲面如球面時(shí),工藝上就出現(xiàn)了一些問(wèn)題。由于CAD/CAM軟件構(gòu)造曲面的底層數(shù)學(xué)模型所限,也由于CAD/CAM軟件對(duì)曲面生成刀路的逼近原理所限,在走事實(shí)上真正的整圓或圓弧時(shí),軟件無(wú)法智能地判斷這里其實(shí)是“真正的整圓或圓弧”,生成的程序并不是G02/G03指令,而是G01逐點(diǎn)逼近形成的“圓”——可以想象為用正N邊形去逼近一個(gè)圓,只不過(guò)這個(gè)N非常巨大而已。如果整圓或圓弧是座落在G18或G19平面內(nèi),更加沒(méi)有機(jī)會(huì)生成 G02/G03指令。這也正能解釋為什么CAD/CAM軟件生成的程序“天生”就龐大無(wú)比。程序執(zhí)行時(shí),相鄰的每?jī)蓚(gè)逼近點(diǎn)之間數(shù)控系統(tǒng)都要進(jìn)行直線插補(bǔ)運(yùn)算,系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)工作量巨大,反映到機(jī)床上,必然表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)遲鈍、不連貫。如下圖所示,表面上看起來(lái)都是同樣的半球,但是在CAD時(shí)其實(shí)是有多種不同的建模方法,圖1是把ZX平面內(nèi)的一段1/4圓弧作為母線,以Z軸為軸線旋轉(zhuǎn)360º得出的半球曲面;圖2是把XY平面內(nèi)的一段1/2圓弧作為母線,以X軸為軸線旋轉(zhuǎn)180º得出的半球曲面。即使是采用實(shí)體造型(如Pro/E、SolidWorks之類),在其底層草圖構(gòu)造的數(shù)學(xué)機(jī)理上,也有類似的差別。

2

    由此可以看出,兩種情況下構(gòu)成半球曲而的UV流線是截然不同的,各種CAD/CAM軟件在生成半球曲面精加工的刀路時(shí),也必然存在差別。簡(jiǎn)單地說(shuō),即使是被業(yè)界普遍認(rèn)為是最杰出的數(shù)控編程軟件之一的Cima-tron軟件,也只有在極少數(shù)情況下(如下面的圖1),并以Surmill方式(類似與 Mastercam中的曲面流線加工)加工,Cimatron軟件才能判斷出這里其實(shí)是“真正的整圓”,生成的刀路軌跡本身才是“真正的整圓”,后處理出來(lái)的程序才都足主要由G02/G03指令構(gòu)成。如果使用srfpkt、3D_step等其他走刀方式,則絕對(duì)都是用G01逼近的結(jié)果。

    再舉另外一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子,例如用銑刀以螺旋方式加工內(nèi)圓孔,使用宏程序不僅程序非常短,區(qū)區(qū)20行都不到!而且機(jī)床實(shí)際運(yùn)行時(shí)進(jìn)給速度f(wàn)= 2000mm/min都可以保持非常均勻、快速的螺旋運(yùn)動(dòng);而在Cimatron軟件中,即使通過(guò)使用外部用戶功能user中的helicprf,雖然也可以生成相似的刀路,但是刀路是根據(jù)給定的誤差值(通常給0.01)用G01逐段逼近的,程序字節(jié)數(shù)根本就是比宏程序大兩個(gè)數(shù)量級(jí),而且即使把整個(gè)程序都存人到機(jī)床的控制器中,機(jī)床實(shí)際運(yùn)行時(shí)速度根本上不去,在F600以下還不明顯,如果F值打到F1200左右,就可以看到機(jī)床在明顯的“顫抖”。

   對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)支持NURBS曲線插補(bǔ)的高速機(jī)床來(lái)說(shuō),如果使用擁有高速加工功能的CAD/CAM軟件來(lái)配合編程,當(dāng)然沒(méi)有太大的問(wèn)題;但是對(duì)于絕大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)始終都是問(wèn)題。

    其實(shí)CAD/CAM軟件廠商也不可能沒(méi)有意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題,事實(shí)上,各個(gè)CAD/CAM軟件也捉供了一些其他途徑來(lái)對(duì)此加以改善,但都不是在根本上解決先天性的問(wèn)題,而是在“后天”的環(huán)節(jié)上做文章。眾所周知,CAD/CAM軟件進(jìn)行編程的原理是首先生成一個(gè)僅包含純粹幾何意義的刀位點(diǎn)文件(即刀路軌跡),這個(gè)過(guò)程對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)往往是后臺(tái)的、不透明的,例如Pro/E的CL文件(Cutter Location File)、UG的CLF文件、Mastercam的NCI文件,Cimatron的APT文件等,然后要經(jīng)過(guò)一道非常重要的環(huán)節(jié)即后處理,才能生成真證的程序。

   CAD/CAM軟件所能做的,就是在不改變刀位點(diǎn)文件(即用G01直線逼近曲線的刀路軌跡)的前提下,在后處理上做文章。例如Mastercam軟件后處理的環(huán)節(jié)中,允許使用者設(shè)定最小半徑值和最大半徑值來(lái)生成G02/G03指令,其實(shí)就是用G02/G03來(lái)逼近(準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)是“擬合”)相鄰的若干段直線段,以達(dá)到減少程序字節(jié),提高機(jī)床實(shí)際運(yùn)行速度的目的。

   而Cimatron軟件也是采用相似的做法,即使用者不用通常使用的GPP后處理,而是用另外一個(gè)非常專業(yè)的后處理軟件IMs,這是個(gè)第三方軟件,可以外掛在眾多的知名CAD/CAM軟件上運(yùn)行,使用者可以根據(jù)自己的需要度身訂作,設(shè)置最適合自己的后處理選項(xiàng),不過(guò)一般的軟件用戶很少擁有運(yùn)行IMS軟件的權(quán)限。筆者曾經(jīng)在2002年專門(mén)針對(duì) Cimatron軟件的GPP和IMS兩種后處理進(jìn)行研究,并在一家臺(tái)資模具廠進(jìn)行實(shí)際加工測(cè)試和評(píng)估,撰。寫(xiě)過(guò)一篇內(nèi)部文章,結(jié)論是:改善較大,但不能從根本上解決。

   在后處理上做文章有一個(gè)根本的弊端:它并沒(méi)有改變、改良或優(yōu)化刀路軌跡本身,只是增加了一個(gè)“二次逼近”的計(jì)算過(guò)程,必然會(huì)導(dǎo)致額外的誤差積累,也不可能從根本上解決問(wèn)題。

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