李鐵鋼

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，沈陽(yáng)　110136)

基于Edgecam的型材銑床自動(dòng)化編程技術(shù)研究*

李鐵鋼

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，沈陽(yáng)110136)

摘要：針對(duì)某型材銑切機(jī)床的數(shù)控程序的自動(dòng)化生成問(wèn)題，研究了基于Edgecam軟件的自動(dòng)化編程方法。首先，在基于Edgecam的基礎(chǔ)上提出了程序智能生成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，而后，解析了機(jī)床接口文件格式，論述了編程操作和軟件系統(tǒng)構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)，利用VB.NET并結(jié)合PCI和PDI等二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編寫(xiě)了程序，最后以典型零件的數(shù)控編程的實(shí)例證明了方法的有效性，實(shí)現(xiàn)了型材銑床程序的智能化和快速化生成，為其它機(jī)床的數(shù)控程序的自動(dòng)化生成提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：型材數(shù)控銑；自動(dòng)編程；Edgecam；二次開(kāi)發(fā)；VB.NET

0引言

隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展，幕墻逐漸成為當(dāng)代樓宇外部裝飾的新潮流，在機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站、體育館、博物館、文化中心、大酒店和大型商場(chǎng)等標(biāo)志性建筑中廣泛采用，特別是伴隨幕墻工藝與科技的結(jié)合，比如太陽(yáng)能光伏幕墻等智能型幕墻的出現(xiàn)更展示出了建筑的獨(dú)特魅力。

鋁型材是幕墻結(jié)構(gòu)的骨架，是主要受力結(jié)構(gòu)部件，為提高制造精度和生產(chǎn)效率，大型幕墻制造企業(yè)廣泛采用數(shù)控型材銑床加工?，F(xiàn)在數(shù)控型材銑床與傳統(tǒng)的金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)不同，屬于專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床，能夠完成鉆孔、攻絲和銑削溝槽、直線(xiàn)、圓弧、曲線(xiàn)等加工操作，程序編制在機(jī)床自帶的控制系統(tǒng)上完成，編程采用交互會(huì)話(huà)方式進(jìn)行，輸入加工的幾何元素信息，定義刀具、加工參數(shù)和加工操作，而后控制機(jī)床加工。前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的CAD模型不能直接在程序編制時(shí)使用，編程時(shí)信息手工輸入易錯(cuò)且效率低下，機(jī)床經(jīng)常停機(jī)等待程序編制，造成生產(chǎn)效率低下?，F(xiàn)在的通用數(shù)控編程軟件無(wú)型材加工功能，必須在此類(lèi)軟件平臺(tái)上，針對(duì)具體的機(jī)床開(kāi)發(fā)相應(yīng)的型材加工功能模塊，以提高數(shù)控加工效率。

Edgecam是由海克斯康公司開(kāi)發(fā)的應(yīng)用于數(shù)控銑、數(shù)控車(chē)、數(shù)控線(xiàn)切割以及車(chē)銑復(fù)合加工等領(lǐng)域的通用智能型數(shù)控編程軟件，客戶(hù)數(shù)量居獨(dú)立CAM軟件的前列，可讀取主流CAD軟件的模型數(shù)據(jù)，利用完備的二次開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行特殊領(lǐng)域復(fù)雜功能的客戶(hù)化定制編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[1]。

本文在Edgecam軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上，針對(duì)某典型型材銑床自動(dòng)化數(shù)控程序編制問(wèn)題，研究了機(jī)床交換文件的結(jié)構(gòu)、二次開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、編程操作和系統(tǒng)構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)。

1關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法

1.1機(jī)床交換接口文件解析

機(jī)床所用的系統(tǒng)為專(zhuān)用控制系統(tǒng)，只能使用專(zhuān)用的交換文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如表1所示。

表1　機(jī)床交換文件

型材銑床系統(tǒng)可以獨(dú)立地輸入/輸出七個(gè)交換文件，每次輸出一個(gè)交換文件，交換文件特征中的“必備”指加工時(shí)必須有，而“可選”指根據(jù)具體的定義方法可以存在；為提高生產(chǎn)效率，也可以一次輸入/輸出具體零件所用的整個(gè)加工指令Exchange.auf文件，涉及到的其它種類(lèi)交換文件自動(dòng)關(guān)聯(lián)輸入/輸出。

交換文件是ASCII碼的文本文件，具有特殊的含義，以文件Exchange.bea為例，其由若干個(gè)加工程序節(jié)組成，順序排列，每個(gè)程序節(jié)包括程序頭和程序數(shù)據(jù)段兩部分。程序頭部分位于每個(gè)加工程序節(jié)的第一行，由92個(gè)字符組成，左起10個(gè)字符表示加工程序名稱(chēng)，左對(duì)齊，字符不夠10位時(shí)右補(bǔ)空格；第11-50位表示程序注釋?zhuān)髮?duì)齊，字符不夠位數(shù)時(shí)右補(bǔ)空格；第51-56位表示型材長(zhǎng)度，少于6位時(shí)左補(bǔ)空格；第57-66位表示型材總體參數(shù)程序名，左對(duì)齊，字符不夠位數(shù)時(shí)右補(bǔ)空格；第67-92位固定為0000.00000.00000.00000.00。程序數(shù)據(jù)段由若干程序段組成，每個(gè)程序段為1行，每行包含276個(gè)字符，第1位定義為加工進(jìn)刀方向，其中1表示刀具向下加工，2表示刀具從后向前加工，3表示刀具從前向后加工，4表示從左面加工，5表示從右面加工；第2位固定為字符0；第3位為整組加工時(shí)所需夾緊型材的次數(shù)號(hào)；第4-18位為X軸的加工位置，第19-33位為Y軸的加工位置，第34-48位為Z軸的加工位置，左對(duì)齊；第49-188為深度表，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)具有最多10個(gè)深度進(jìn)給項(xiàng)，共占14個(gè)字符，其中深度Z坐標(biāo)為7個(gè)字符，左對(duì)齊，少于7位時(shí)右補(bǔ)空格，后接6個(gè)字符的進(jìn)給率，整數(shù)占3位，小數(shù)占2位，位數(shù)不足補(bǔ)0，深度表最后1位表示進(jìn)給類(lèi)型，銑切為1，鉆孔為0；第189位表示程序段加工類(lèi)型，0表示鉆孔，1表示輪廓銑，2表示子程序；第190-199位表示輪廓或子程序號(hào)，左對(duì)齊；第200-204位表示加工輪廓長(zhǎng)度，左對(duì)齊；第205-209表示加工輪廓寬度，左對(duì)齊；第210-219位表示刀具編號(hào)，左對(duì)齊；第220-224位為轉(zhuǎn)速，整數(shù)格式，左對(duì)齊，位數(shù)不足補(bǔ)0；第225-230位為進(jìn)給率，小數(shù)點(diǎn)前3位，小數(shù)點(diǎn)后2位，位數(shù)不足補(bǔ)0；第231-255位固定為0000.000.00.0000 00:00:00；第256-276位全部為空格。

1.2基于Edgecam的程序編制

型材零件以2維DWG或DXF格式和3維的CAD數(shù)據(jù)形式由工程設(shè)計(jì)部門(mén)提供，可直接輸入Edgecam中，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)應(yīng)用流程

型材典型加工工藝為鉆孔、銑輪廓和攻絲，采用氣動(dòng)裝置夾緊，如圖2所示，定位為典型的“3-2-1”六點(diǎn)定位，底平面限制Z軸平動(dòng)、X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)自由度，氣動(dòng)夾緊裝置的固定塊限制Y軸移動(dòng)和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)2個(gè)自由度左側(cè)面定位器限制沿X軸平動(dòng)1個(gè)自由度。加工坐標(biāo)系為左手坐標(biāo)系，而在Edgecam中為右手坐標(biāo)系，如實(shí)線(xiàn)Y1軸，編程后生成交換文件時(shí)必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，變換成虛線(xiàn)Y2軸所示。

圖2　定位及坐標(biāo)系設(shè)置

對(duì)于六面體型材框架的加工即可以采取一次裝夾定位，利用角度刀具從不同的方向加工；也可以采用普通鉆頭和銑刀，統(tǒng)一采用形式1的進(jìn)刀方式多次翻轉(zhuǎn)加工，為了簡(jiǎn)化刀具和節(jié)約成本，本系統(tǒng)規(guī)定只采用繞X軸多次翻轉(zhuǎn)加工的形式。

在Edgecam中采用孔加工和輪廓銑功能模塊編程，Z向進(jìn)刀采取3段式表征，第一段選擇接近平面，用程序Z值實(shí)現(xiàn)，第二段選擇基準(zhǔn)平面，第三段選擇深度平面，第二段和第三段使用深度表實(shí)現(xiàn)。輪廓采用輪廓子程序形式，采用直線(xiàn)插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)，加工輪廓采用中心軌跡形式，不使用刀具半徑補(bǔ)償功能。

1.3基于Edgecam的自動(dòng)化編程系統(tǒng)構(gòu)建

Edgecam基于.NET架構(gòu)設(shè)計(jì)，具有豐富的PCI(Programming Command Interface)、PDI(Programming Development Interface)等二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，利用PCI和PDI可以訪(fǎng)問(wèn)Edgecam的零件PPF數(shù)據(jù)文件和SQL Server工藝數(shù)據(jù)；可以使用C++、C#、VB.NET等編程語(yǔ)言調(diào)用PCI和PDI工具訪(fǎng)問(wèn)Edgecam的接口函數(shù)[2]。本系統(tǒng)利用VB.NET并調(diào)用 PCI、PDI和SQL SERVER生成DLL動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，利用Edgecam界面定制器生成菜單和圖標(biāo)快捷方式在主界面調(diào)用，開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)模塊如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)模塊

利用Edgecam的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)系統(tǒng)管理和加工初始化等自定義管理信息，方便程序的編輯和修改，新建立的數(shù)據(jù)表如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)表

通用后置處理是將前置CAM操作轉(zhuǎn)化為機(jī)床NC程序的過(guò)程，首先利用機(jī)床用戶(hù)手冊(cè)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如表2所示，建立機(jī)床的實(shí)體裝配模型和夾具模型，而后在Edgecam中分別打開(kāi)機(jī)床和夾具模型，輸出到CodeWizard中建立通用后置處理器的運(yùn)動(dòng)模型，建立類(lèi)似FANUC 0I系統(tǒng)的控制系統(tǒng)模型，最后編譯生成后置處理器mcp文件[3-5]。在程序編制完成后，利用Edgecam進(jìn)行常規(guī)的后置處理，生成類(lèi)似FANUC 0I系統(tǒng)的NC程序。

利用通用后置處理生成的NC程序需要轉(zhuǎn)化為型材銑床可輸入的Commision(加工指令)、Program(加工程序)、Contour(輪廓子程序)、Gen. Parameter(總體參數(shù))和TOOL(刀具)等交換文件的形式，常規(guī)后置結(jié)束后調(diào)用專(zhuān)用的接口轉(zhuǎn)換器Dll程序，對(duì)生成的后置NC文件進(jìn)行轉(zhuǎn)化。專(zhuān)用接口轉(zhuǎn)換器具有Edgecam接口模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)信息提取模塊、文本文件輸入/輸出模塊、字符處理模塊和數(shù)學(xué)處理模塊等。數(shù)學(xué)處理包括坐標(biāo)變換、圓弧插補(bǔ)處理和字符截取和圓整等功能。

表2　機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)在Edgecam編程模式時(shí)右手坐標(biāo)系下零件經(jīng)通用后置處理輸出的NC文件中刀位點(diǎn)的坐標(biāo)為p0(x0,y0,z0)，型材翻轉(zhuǎn)加工時(shí)經(jīng)過(guò)饒X軸旋轉(zhuǎn)α=n×90°(n=1,2…8，角度的方向按Edgecam右手坐標(biāo)系)后的左手坐標(biāo)點(diǎn)為p1(x1,y1,z1)，則由坐標(biāo)變換有：

圓弧插補(bǔ)用指令G02/G03/G23實(shí)現(xiàn)，在Edgecam右手坐標(biāo)系下，G02表示逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)，G03表示順時(shí)針圓弧插補(bǔ)，兩種情況均需要利用I和J指令表示圓心坐標(biāo)值，要求運(yùn)動(dòng)的圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角小于180°。設(shè)圓弧起點(diǎn)的坐標(biāo)為ps(xs,ys)，圓弧終點(diǎn)的坐標(biāo)為pe(xe,ye)，圓弧圓心的坐標(biāo)為Co(xo,yo)，此處坐標(biāo)值為未經(jīng)過(guò)左手坐標(biāo)變換的坐標(biāo)值。則計(jì)算有：

式中，R為圓弧半徑，α為圓心角。

以圓弧插補(bǔ)指令G02為例，如果圓弧的圓心角不超過(guò)180°，則向量Cops繞Co點(diǎn)旋轉(zhuǎn)α度可以得到向量Cope，即有關(guān)系式：

Cops·(cosα+isinα)=Cope

其中，i為虛數(shù)單位，整理得：

如果上式成立，則圓弧插補(bǔ)格式不變，只需要對(duì)圓弧起點(diǎn)坐標(biāo)、圓弧終點(diǎn)坐標(biāo)和圓心坐標(biāo)進(jìn)行左手坐標(biāo)系變換即可。

如果上式不成立，則表示圓弧插補(bǔ)圓心角大于180°，此時(shí)G02/G03指令不適用，需要將其修改成G23指令，去掉原G02/G03中使用的圓心坐標(biāo)程序字I和J，增加圓弧上的第3點(diǎn)pa(xa,ya)，pa點(diǎn)為圓弧起點(diǎn)與圓心Co的連線(xiàn)延長(zhǎng)后同圓周弧線(xiàn)的交點(diǎn)，計(jì)算有：

xa=2x0-xs

ya=2y0-ys

2應(yīng)用實(shí)例

利用某型材骨架零件銑切編程測(cè)試，零件規(guī)格為3000×180.5×43.5，單位為mm，已經(jīng)完成長(zhǎng)度下料和端頭的開(kāi)口加工，本機(jī)床需要加工上下表面的孔，在加工中需要翻轉(zhuǎn)3次加工，零件形狀、Edgecam編程操作、轉(zhuǎn)化后的交換文件和輸入機(jī)床后的視圖如圖5所示。對(duì)比PPF中的定義的參數(shù)、瀏覽器視圖中的操作步驟、加工命令的切削參數(shù)和刀具參數(shù)，發(fā)現(xiàn)生成結(jié)果正確，實(shí)際切削加工出合格零件，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和程序開(kāi)發(fā)的正確性。

(a)型材零件

(b)Edgecam加工路徑

(c)Exchange.bea文件

(d)交換文件輸入機(jī)床系統(tǒng)后界面

3結(jié)論

基于Edgecam軟件平臺(tái)，利用VB.NET及PCI和PDI等Edgecam二次開(kāi)發(fā)工具，結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)了型材銑床自動(dòng)化編程系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)并利用典型實(shí)例測(cè)試，生成了合格的加工程序交換文件，輸入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)加工驗(yàn)證了方法和開(kāi)發(fā)軟件的正確性。

[參考文獻(xiàn)]

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(編輯趙蓉)

Research on Automatic Programming for Profile Milling Machine Tool Based on Edgecam

LI Tie-gang

(Mechanical School，Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136，China)

Abstract：In order to solve the intelligently generating of processes form in CNC programming,the method of automatic generating based on Edgecam software was introduced.Firstly,the ideas for intelligent generating in Edgecam is proposed,then,the interfere files format of machine tool were analyzing,the key technology of programming operations and software design were studied,the program was written in VB.NET,PCI,PDI and other secondary development languages in Edgecam, finally,the case study used in a typical part with the proposed method,which provides reference for the processes form generating intelligently and rapidly in other product.

Key words：profile CNC milling;automatically programming;Edgecam;secondary development；VB.NET

文章編號(hào)：1001-2265(2016)06-0138-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.037

收稿日期：2015-07-23

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975043)；遼寧省博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(20141096)；沈陽(yáng)工程學(xué)院科技基金資助項(xiàng)目(LGYB-1504)

作者簡(jiǎn)介：李鐵鋼(1973—)，男，沈陽(yáng)人，沈陽(yáng)工程學(xué)院副教授，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)閿?shù)控加工技術(shù)，(E-mail)ltgchina@126.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH166;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A