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CAX链条中的闭环数据流及其应用

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  • 发布时间:2014-08-22
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以CAD系统为基础的交互式CAD/CAPP/CAM数控编程集成系统,特别是基于特征的图形交互式自动编程的实现,使得数控加工程序编制的效率得到很大的提高。在图形交互式自动编程系统中,存在着大量的数据信息,如CAD、CAM数据,刀位数据,加工过程分析数据等,这些数据的传递和交换是数字化设计与制造链条中的信息通道。

2数字化链条结构数字化设计与制造链条结构主要由CAD几何造型、工艺交互设计、前置处理 、后置处理、加工轨迹模拟 、加工路径优化、加工过程分析与过程优化等拈组成。CAD建镍行零件的几何图形设计;工艺交互设计拈在 CAD平台上以图形交互形式 ,规划刀具运动轨迹,设定工艺参数,并生成加工工艺数据文件;前置处理拈通过对工艺数据的处理 ,生成刀具路径文件;后置处理模块根据具体机床运动结构和控制指令格式,将刀位数据进行格式转换,产生相应数控系统的数控加工文件;基于数控代码的加工轨迹模拟,动态显示刀尖运动轨迹,使数控加工过程可视化,对刀具路径进行校验,避免在车间加工阶段造成产品缺陷;基于CLDATA的加工过程分析,通过计算加工工时,评估加工效率,改进工艺过程规划,例如左右刀架加工任务的重新分配和加工顺序的重新安排,如图 1所示。

图 1数字化设计与制造链条Fig.1 Digital Design and Manufacturing Chain3链条中的闭环数据流该数字化链条中的数据包括文字数据、数字和图形数据,数据是双向流动的,即从 CAD建模、工艺规划到生成数控程序的顺向流动和通过加工分析和轨迹模拟来修改工艺规划和优化加工路径的逆向流动。系统中的数据结构和数据链分述如下:3.1 CAD数据在 CAD/CAM/CNC链条中,零件 CAD模型数据为工艺规划和轨迹模拟检验提供基本的数据和管理信息。CAD图形是存储来稿日期:2012-08-l1作者简介:高 雷,(1982-),男,山东青岛人,博士研究生,主要研究方向:数控加工及编程;桂贵生,(1945-),男,安徽桐城人,教授,博士生导师,主要研究方向:数控加工编程、高速切削76 高 雷等:CAX链条中的闭环数据流及其应用 第6期在数据库中对象的集合,基本的数据库对象包括实体、符号表和字典。实体是AutoCAD中的-种特殊的数据库对象,如点、线、圆、虎文本、实心体、区域、复合线和椭圆都是实体,用户能在屏幕上看见这些实体并能对其进行操作。AutoCAD数据库中包括9个符号表,符号表是-种容器对象,用来存储其他数据库对象,这些数据库对象能够通过-个字符串关键字来搜索。用户不能创建或删除-个符号表,但是可以向符号表中添加实体或改变符号表中实体的内容。字典提供了-个比符号表更通用的容器来存储对象,当创建-个新的图形时,AutoCAD自动创建-个字典,称之为命名对象字典,用户可以在命名对象字典内创建新字典并将新数据库对象添加到这个字典中。

3.2工艺数据(CAPPDATA)CAPP数据包含编程版本信息和以工步为单元存储的工步规划数据。编程版本信息包括编程人员、机床和编程原点等;而工步规划数据由刀具轨迹数据和切削工艺数据两个部分构成。由于工步数据信息量大,数据类型多样且复杂,故用结构体来记录这些信息,以协调数据的内在联系,同时又方便数据的操作ll。

3.3刀位数据(CLDATA)CLDATA是通过零件几何模型和 CAPP数据中包含的机床、刀具、走刀方式以及加工余量等信息进行刀位计算而得到的刀位数据。CLDATA继承了CAPPDATA中的工艺数据,但对CAPPDATA中的轨迹数据进行了坐标转换、法向矢量计算等操作,最后与工艺数据进行整合,生成了以编程原点为基准原点的刀位文件。

3.4数控代码(NCDATA)后置程序读入CLDATA文件,按照给定机床的数控代码格式要求进行处理,生成机床能识别的数控程序(NcDATA)。该系统中的数控代码依据SIEMENS 840D机床数控代码格式编制,程序指令丰富,结构灵活多变。其主要特点有:(1)采用参数化编程方法,使程序具有更大的灵活性。(2)采用分支、循环和跳转编程技术,以适应复杂的工况,如毛坯散差大,刀具破损、磨损中断后恢复等。

3.5轨迹模拟图在CAD平台上进行刀具轨迹图形模拟,根据轨迹模拟数据,绘出刀具中心轨迹线和刀尖切削轨迹线,校验刀尖轨迹是否正确,是否有过切和干涉,如图 2所示。

图 2轨迹模拟图Fig.2 Trajectory Simulation Diagram4闭环数据流的技术实现系统以在双刀架立式数控车床上加工火车车轮为研究对象,在AutoCAD平台上,以VC.NET和ObjectARX为开发工具,基于闭环数据流的思想构建了数字化设计与制造链条。

4.1 CAD建模AutoCAD是-个面向对象的CAD应用软件,它具有广大的用户群.向用户和开发者提供了包括 ObjectARX在内的多种应用程序的开发工具。与其他 CAD软件如 Pro/E,CATIA相比,AutoCAD软件价格便宜,用户界面友好,二维图形设计功能强大,适合回转体零件的CAD建模。

4.2工艺规划4.2.1人机交互规划工艺规划采用人机交互方式进行,编程版本信息对话框中包括待规划零件名称、编程人员、编程原点等信息;在工艺规划对话框中,包括完整的零件加工规划信息。在该系统中工艺规划以工步为单元添加和修改,加工轨迹通过在AutoCAD中拾取图形元素来定义。

4.2.2工艺数据的存储每个工序由若干个工步组成,规划后的工步数据随时可能修改,要求工艺数据的存储结构能够满足工步的添加、删除和修改等操作的要求。系统采用 CList链表,实现了工艺规划过程中的添加、删除和修改。

CList是-个集合类,也是-个双向链表类,是-个类模板,它的定义如下:templateclass CList:publicCObject第-个参数是实例化的类型,第二个参数是类的成员函数的参数的调用形式。其结构,如图 3所示。

-I priou I e1.-.t]next[(a)节点结构 (b)链表结构图3双向链表Fig.3 Two-Way Linked List通过 CList链表,该系统可以根据指定的关键字(工步名称 )查找到已规划工步的信息,并且进行修改和添加。

4.3前置处理和后置处理4.3.1前置处理前置处理的输入是 CAPPDATA文件,其主要功能如下:(t)计算每段轨迹起点和终点法向矢量(以方向余弦表示 o(2)进行坐标系转换。

(3)生成刀位文件 ,并将刀具轨迹数据和工艺信息进行整合,分别生成左右刀架的刀位文件(ci DATA),同时输出刀架同步匹配关系表。

4.3.2后置 处理后置处理读取CLDATA文件后,根据机床的控制指令格式,对刀位数据进行格式转换,生成数控系统可识别的 NC程序,后置处理流程,如图4所示。

4.4轨迹模拟轨迹模拟以NC代码为输入.计算出各分刀轨迹数据,绘制刀尖和刀具中心轨迹线,并使模拟速度可调。

No.6June.2013 机械设计与制造 77而 歪 - 而数控系统特性CLDATA 读取 CLDATA1 YI l⑨ L辅助指令二工二注释 、中断数据生刀位数据- 格式转换网 工程序lFig.4 Post Processing Flow Diagram4.4.1 NC代码的翻译NC代码翻译的原理是根据 CNC系统的代码语法和语义,检查NC代码,并从 NC代码中获得刀具加工位置和运动信息以及辅助功能指令 。翻译过程为:(1)词法分析:词法分析的任务是识别出-程序段中的基本语法单位-字,同时进行数据的合法检查。按照SINUMERIK 840D数控系统定义的字符集 对NC代码进行分析,剔除其中非指令字符(如注释语和空格等),将字符分为地址字符 、数字字符和其他字符,检查是否存在非法地址符和非法数字量。(2)语法分析:按 NC代码的语法规则建立语法规则库,以工步为单元逐段读取 NC代码,查询规则库中与该段中的G指令、M指令相对应的语法规则 ,判断该段代码是否符合相对应的语法规则,如是否存在指令冲突、指令重复等。(3)语义分析:根据NC代码的语义规则进行语义检查,如判断是否为循环或跳转语句 、是否换刀等;同时,翻译程序要进行必要的数据处理,如将循环语句展开,计算加工轨迹等。

4.42刀心轨迹的计算读取 NC代码,根据编程轨迹求刀心轨迹。实现过程为:每次读取三段加工轨迹信息,每段轨迹信息中包含加工类型(快进、工进)、刀架、刀补号 、刀补方式(G40、G41、G42)、轨迹类型(直线或圆弧)、轨迹方向(顺或逆)和轨迹几何坐标等信息,根据这些信息,计算出刀尖中心的位置。

(1)直线与直线间的刀尖半径补偿假设两个加工段均为直线段,以G42刀具补偿、建刀补为例,则建立刀具补偿模式,如图 5所示。图5中,加工轨迹为有向线段AB和BC,二者交于 B点,根据向量代数和 C刀补方式可以求出刀尖中心点位置;而工进中的刀尖半径补偿计算 ,系统在执行当前程序时提前读入后面的加工轨迹,并计算刀心轨迹的交点即可。

CB2 Bs RlB4(c)图5刀尖半径补偿模式Fig.5 Nose Radius Compensation Mode(2)直线段与圆弧段、圆弧段与圆弧段间的刀尖半径补偿当两段加工轨迹中的-段为圆弧段或二者均为圆弧段时,在二者的交点 B处作圆弧的切线,以切线的矢量方向 B和 BC作为圆弧在该点的走向,则可将这两种情况仍转化为补偿模式,如图 5(b)所示。

4-4-3轨迹模拟中的插补计算系统按照数字增量插补的原理,用微线段逼近刀具中心轨迹,在每-微线段上先移动刀具,后画刀具中心轨迹,实现了刀具连续运动的视觉效果。

4.5加工过程分析加工过程分析是数据实现闭环流动的重要反婪节之-.根据切削速度和进给速度以及加工元素段的长度来求出加工时间,以便对工艺规划作工时分析和工艺优化,评估双刀车削的加工效率。主要完成以下工作:4.5.1计算各工步加工时间通过读取刀位文件中各加工元素的轨迹长度和进给速度信息,计算各工步加工时间,计算公式为: ∑(∑ ) (1)式中:工步中的元素段数i产工步分刀次数;L-元素长度(mm);n -工件转速(rad/min); 给量(mm/rad)。

4.5.2计算单件工时tA及加工效率单件工时是指工件在-次安装情况下,完成各工步所需的时间,分左、右刀架分别计算,认大数值作为单件工时,对应的刀架称为目标刀架。左刀架加工工时:左tM左z 左村( 左 左 L2 J式中: -左刀架切削时间总和;f -左刀架空程时间总和;- 左刀架换刀时间总和;tW -左刀架等待时间总和(即具有相同同步号的左刀架等待右刀架所需的时间)。

同理可得右刀架加工工时 ,则 tAmax(tA , )单件加工效率计算公式121为:E(tA-t ) ,式中:f -目标刀架的等待时间总和。

4.5.3计算生产效率提高百分比卵(与单刀加工比较)通过计算双刀同时切削时生产率的提高百分比,可以评估工步安排的合理性 ,-次装夹时,双刀切削所用工时为 t ,而单刀切削所用工时f ( 左ta右)-(f 左f ),故生产效率提高百分比7/ )×100%;通常认为 r/->40%时,工艺过程可行。

5结论在传统CAD/CAM/CNC系统中由于数据单向流动造成的信息丢失,使加工过程调整和数控程序修改困难,提出 CAD/CAM/CNC数据在整个链条中闭环双向流动的思想 ,并在实际应用中实现了闭环数据流,充分利用原始数据和过程数据,实现加工过程优化和数控程序的修改,提高了自动编程的质量和效率,取得了很好的效果。

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