編程方式對加工表面質(zhì)量的影響分析及解決方法
2022-9-2 來源：武漢華中數(shù)控股份有限公司 作者：巴 峰 游幫泉 鄭紅強(qiáng) 張幼龍
摘要: 所謂數(shù)控加工程序，就是一個零件在 NC 機(jī)床上的加工順序、刀具移動的軌跡以及加工工藝參數(shù)和輔助功能等信息，用字母代碼和數(shù)字以一定的格式編寫出來。根據(jù)零件的復(fù)雜程度，可根據(jù)不同的編程方式使用手動編程或自動編程。在實際數(shù)控加工應(yīng)用中，為了提高工作效率，降低編程出錯率、減少不必要的勞動力等情況，多數(shù)數(shù)控加工采用自動編程，但由于某一些特殊應(yīng)用環(huán)境下，如模型曲面的繪圖精度 , 模型在不同軟件的導(dǎo)入導(dǎo)出下精度缺失 , 三維轉(zhuǎn)二維圖形的點、線銜接失真等因素，導(dǎo)致自動編程出現(xiàn)編程軌跡雜點或不均勻，從而導(dǎo)致表面質(zhì)量缺陷。本文主要對此特殊應(yīng)用時產(chǎn)生的不規(guī)則軌跡對加工表面質(zhì)量的影響分析，同時對該問題提出的一種解決思路。
關(guān)鍵詞 : 數(shù)控程序 ; 插補(bǔ) ; 加工 ; 表面質(zhì)量 ; 華中數(shù)控系統(tǒng) ; 勻順軌跡優(yōu)化
1.引言
數(shù)控編程實際就是將二維輪廓軌跡或三維曲面造型等軌跡轉(zhuǎn)化成數(shù)控系統(tǒng)能夠識別的 G 代碼，在編程中用得最多的 G 指令就是 G00 快速定位、G01 直線插補(bǔ)、G02 順圓插補(bǔ)及 G03 逆圓插補(bǔ)。
所謂插補(bǔ)就是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)依照一定方法確定刀具運(yùn)動軌跡的過程，插補(bǔ)是一個實時進(jìn)行的數(shù)據(jù)密化的過程，不論是何種插補(bǔ)算法，運(yùn)算原理基本相同，其作用都是根據(jù)給定的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)算，不斷計算出參與插補(bǔ)運(yùn)動的各坐標(biāo)軸的進(jìn)給指令，然后分別驅(qū)動各自相應(yīng)的執(zhí)行部件產(chǎn)生協(xié)調(diào)動，以使被控機(jī)械部件按理想的路線與速度移動。
對于標(biāo)準(zhǔn)的線、圓弧組成的二維軌跡，我們可采用手動編程或自動編程，通過 G0、G01、G02、G03 等插補(bǔ)指令來模擬軌跡路徑，而對于不規(guī)則的曲線、樣條、曲面造型等，就需要通過自動編程使用 G01 來逼近模擬路徑軌跡，這種全由G01 直線插補(bǔ)逼近的軌跡俗稱小線段。
自動編程的軟件有很多， 如UG、ASTERCAM、北京精雕、Powermill、CAXA 等。在編制程序前，都會對模型進(jìn)行處理，三維轉(zhuǎn)二維輪廓軌跡，各模型圖檔的文件導(dǎo)入導(dǎo)出，不同的軟件打開不同的模型文檔都可能會存在軌跡精度缺失，或標(biāo)準(zhǔn)輪廓從新以樣條構(gòu)建的形式存在，從而導(dǎo)致軟件編程時出現(xiàn)噪點、拐角軌跡錯亂、軌跡不均勻、軌跡精度差等情況，造成加工表面質(zhì)量欠缺。為了解決這些因素造成的表面質(zhì)量，可以從二維三維圖檔處理、編程參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)算法處理三個方面進(jìn)行規(guī)避。
2. 常見模型處理后的程序編程引起的特殊軌跡分析
2.1 模型在不同的軟件導(dǎo)入導(dǎo)出后，提取線框編程時產(chǎn)生的特殊軌跡各種繪圖及編程軟件， 如 UG、MASTERCAM、CAD、Powermill 等， 在使用過程中經(jīng)常會遇到模型之間的格式互相轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入導(dǎo)出后在不同的軟件中打開進(jìn)行編程，此時可能會出現(xiàn)模型的精度缺失，轉(zhuǎn)換后得模型提取二維線框時產(chǎn)生曲線打斷重組、樣條擬合的情況，造成編程時圓弧段軌跡產(chǎn)生步長不一致，無規(guī)則的直線圓弧拼接的特殊軌跡。
二維線框圓弧段被離散重組 離散后的曲線編程得到的程序軌跡
2.2 曲面造型時的精度與方式，造成編程時產(chǎn)生的特殊軌跡對曲面、拐角等進(jìn)行造型時，往往由于造型時曲面精度的誤差、曲面或拐角造型的方式、曲面導(dǎo)入導(dǎo)出后失真、編程的參數(shù)影響等，在自動編程時，可能會出現(xiàn)程序軌跡不均勻，程序插補(bǔ)點雜亂，參差不齊的現(xiàn)象。
多拐角曲面造型 放大后拐角處的程序節(jié)點軌跡
2.3 編程軟件及后處理造成的軌跡噪點不同的編程軟件，在曲面造型時、或經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理的三維模型及二維線框模型，編程設(shè)置不同的參數(shù)生成程序軌跡后，使用不同的后處理，可能程序的節(jié)點數(shù)會有明顯的區(qū)別，根據(jù)現(xiàn)場用戶不斷的反饋及案例調(diào)研，噪點存在的編程軌跡居多。
例如以下幾種常見形式存在的噪點。
形式 1: 軌跡折返噪點
曲面編程時，由于曲面造型的失真，出現(xiàn) 0.01mm 以內(nèi)的折返噪點
形式 2: 單軸方向噪點
X 軸單軸移動時，出現(xiàn) 0.001mm 單軸反向噪點
3. 產(chǎn)生特殊軌跡后，對加工表面質(zhì)量的影響分析
3.1 二維輪廓中的曲線打斷重組、樣條擬合等情況，編程時圓弧段軌跡產(chǎn)生步長不一致，無規(guī)則的直線圓弧拼接的特殊軌跡，在程序段中直接體現(xiàn)為 G1G2 的連續(xù)程序段，會造成圓弧轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)明顯深淺不一的豎紋或波浪塊狀紋。
3.2 曲面精度的誤差、曲面或拐角造型的方式、曲面導(dǎo)入導(dǎo)出后失真可能會出現(xiàn)程序軌跡節(jié)點不均勻，參差不齊，在程序段中直接體現(xiàn)為不規(guī)則平滑的小線段程序，會造成拐角處出現(xiàn)過切痕。
3.3 編程程序中出現(xiàn)的噪點，經(jīng)常會以不同的形式出現(xiàn)，微小線段的折返、微小線段的單軸反向、同向軌跡中微小線段的夾角節(jié)點等，在程序段中直接體現(xiàn)為單節(jié)點的異常點程序，會造成表面噪點處多出單一切痕。
4. 對特殊軌跡造成的加工表面質(zhì)量解決方法
特殊軌跡對加工表面質(zhì)量的影響分析中可以看出，一般多數(shù)是編程軌跡節(jié)點不均勻，異常噪點、曲線以微小線段直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ) G1G2代碼拼接的形式，從而引起速度加速度變化的一致性差，造成實際加工應(yīng)用表面質(zhì)量缺陷。
解決方法1:通過編程手段解決
針對曲線以微小線段直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)G1G2 代碼拼接形式的程序代碼，可通過編程軟件參數(shù)設(shè)置進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，需要提高編程軌跡精度，進(jìn)行圓弧離散編程。如 MasterCam2018、UG、第三方軟件處理源程序等均可實現(xiàn)。
解決方法2:對模型進(jìn)行補(bǔ)面修補(bǔ)重造型處理在曲面或拐角造型時，由于造型相切或位置時，設(shè)置過大的精度值，導(dǎo)致曲面拐角連接的平順性存在缺陷。或者模型的導(dǎo)入導(dǎo)出等因素造成模型圖素變形等情況，從而影
響編程時拐角或曲面處出現(xiàn)程序節(jié)點不平滑，參差不齊的情況。一般情況下，可通過一下情況進(jìn)行處理，但工作量會增加。
可通過補(bǔ)面的方式重塑模型，對有問題部分進(jìn)行局部處理 在進(jìn)行曲面的相切處理時，提高相切的精度誤差 導(dǎo)入導(dǎo)出的模型注意提高精度識別，如果變形產(chǎn)生誤差時，對局部要進(jìn)行重塑曲面處理 程序編程時，在不影響工件精度要求時，可適量放低軌跡的編程精度上下偏差，同時對拐角進(jìn)行平順處理注 ：此方法對工作人員的技術(shù)及工作量大，要求較高，實際應(yīng)用中并不常見。解決方法3:通過數(shù)控系統(tǒng)端的軌跡算法進(jìn)行處理加工針對微直線段和圓弧段混合、線段長度極度不均勻、線段轉(zhuǎn)角波動較大、噪點等軌跡缺陷，系統(tǒng)內(nèi)部能夠進(jìn)行前后程序段的預(yù)讀后，在誤差范圍內(nèi)，根據(jù)程序節(jié)點的變化曲率進(jìn)行軌跡節(jié)點的重新計算擬合和處理，從而控制加工軌跡及速度的一致性。
如華中數(shù)控系統(tǒng)的勻順功能，能夠快速有效地對上述軌跡缺陷進(jìn)行勻順光順，在允差范圍內(nèi)糾正程序指令點，糾正后的指令點組成的加工軌跡與原始的加工軌跡相比，長度及轉(zhuǎn)角都能均勻一致。
勻順示意圖
①對二維輪廓實際應(yīng)用色譜圖與實際加工效果的改善 :
②對三維曲面拐角實際應(yīng)用色譜圖與實際加工效果的改善 :
5．結(jié)語
在實際的加工應(yīng)用中，不同的編程員、不同的模型處理方法、不同的編程方式，直接對程序有很大的影響，從而間接的造成實際加工中的表面質(zhì)量欠缺。
不同的特殊代碼程序，根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境而定，可使用不同的處理方式。無論是手動優(yōu)化、第三方軟件處理、重造型、曲面拐角修補(bǔ)后后處理、還是通過系統(tǒng)的內(nèi)部軌跡優(yōu)化算法內(nèi)部處理等，最終達(dá)到我們需要的理想加工效果。
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