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基于DXF文件的刀具磨削數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)

2021-2-4 來源：深圳華數(shù)機(jī)器人有限公司作者：周盈

摘要：為了實(shí)現(xiàn)廚刀類刀具磨削機(jī)床數(shù)控編程的高效自動化，采用Auto CAD繪圖功能與HNC-808DM數(shù)控裝置相結(jié)合的方法，研究開發(fā)了一種具有刀具整體復(fù)磨、重點(diǎn)復(fù)磨、分段補(bǔ)償、多工序磨削、基于DXF文件自動編程等功能的數(shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)能讀取DXF文件自動生成刀具磨削G代碼程序，無需工藝編程人員，節(jié)省人力和時間。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用加工驗(yàn)證，該系統(tǒng)滿足了刀具磨削工藝需求，操作簡便快捷，提升了刀具磨削加工精度與合格率。

關(guān)鍵詞：刀具磨削；DXF；數(shù)控系統(tǒng)

0 引言

自動編程系統(tǒng)是高效的數(shù)控編程手段，是數(shù)控系統(tǒng)走向集成化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。目前刀具磨削加工用機(jī)床正由液壓機(jī)床向數(shù)控機(jī)床過渡，數(shù)控系統(tǒng)基本都是采用市場上的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)，其用于刀具磨削加工時，沒有集成刀具磨削專用工藝編程軟件模塊，需要高水平工藝編程人員花費(fèi)大量時間去編寫加工程序，而且還要經(jīng)過多次的打樣加工、檢測、反復(fù)修正加工程序，直到能夠加工出合格的刀具產(chǎn)品，耗費(fèi)大量時間，而且操作使用極為不便。在面向智能化數(shù)控加工與制造的轉(zhuǎn)變進(jìn)程中，如何有效的表達(dá)、快速高效地輸入零件信息，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程的高效自動化，已成為實(shí)際生產(chǎn)中亟待解決，而又一直備受重視的熱點(diǎn)課題[2]。DXF 文件是一種圖形交換文件，可以實(shí)現(xiàn)與其他應(yīng)用程序交換圖形數(shù)據(jù)。現(xiàn)今， DXF 文件格式已經(jīng)成為 CAD 領(lǐng)域的一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換文件，主流的 CAD 軟件都支持 DXF 文件格式[3]。

本文采用Auto CAD繪圖結(jié)合HNC-808M數(shù)控裝置進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)二次應(yīng)用開發(fā)，目標(biāo)是開發(fā)刀具磨削專用數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對 DXF 圖形文件的識別，提取圖形幾何數(shù)據(jù)信息，根據(jù)工藝參數(shù)自動生成G代碼程序，取代了傳統(tǒng)冗長繁雜、效率低下的手工編程方式。

1 、機(jī)床結(jié)構(gòu)

圖 1 所示為刀具磨削機(jī)床結(jié)構(gòu)，圖中機(jī)床有 X、Y、Z、A 共 4 個進(jìn)給軸和 1 個主軸，XY 軸控制工件在 XY 平面的運(yùn)動，A 軸為旋轉(zhuǎn)軸，加工過程中可控制工件旋轉(zhuǎn)角度，主軸由變頻器帶動砂輪高速旋轉(zhuǎn)，Z軸可控制左右移動，與XYA插補(bǔ)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)刀具磨削加工。

圖1 刀具磨削機(jī)床結(jié)構(gòu)

夾具板厚度隨加工工件的不同而變化。加工用刀具為砂輪，外徑 ?450 mm，厚度規(guī)格 20～45 mm。砂輪外圍為平面，內(nèi)圍稍向下傾斜（低于外圍平面），加工時使用外圍平面加工，最佳加工位置為砂輪軸心水平面對應(yīng)外圍位置。

2 、刀具磨削加工整體流程

刀具磨削流程如圖2所示，首先用CAD繪制刀具磨削加工圖形軌跡，輸出為DXF格式文件，然后通過U盤或網(wǎng)絡(luò)接口將DXF文件導(dǎo)入到數(shù)控系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)讀取對應(yīng)DXF 文件，設(shè)置工藝參數(shù)后，根據(jù)刀具磨削處理算法自動生成加工程序，最后操作數(shù)控系統(tǒng)加載已生成的加工程序，控制機(jī)床完成刀具磨削加工。

圖2 刀具磨削流程

3、 DXF文件繪制與讀取

3.1 DXF文件繪制

DXF(Drawing Exchange Format 繪圖交換文件) 是 Au?todesk 公司開發(fā)的用于 Auto CAD 與其它軟件之間進(jìn)行 CAD數(shù)據(jù)交換的文件格式，是Auto CAD圖形文件中所包含的全部信息的標(biāo)記數(shù)據(jù)的一種表示方法[4]。DXF 文件由標(biāo)題段、表段、塊段、實(shí)體段和文件結(jié)束段 5 部分組成，一個DXF 文件由若干個組構(gòu)成，每個組占 2 行，第 1 行為組的代碼，第2行為組值。組代碼相當(dāng)于數(shù)據(jù)類型的代碼，它由CAD圖形系統(tǒng)所規(guī)定，而組值為具體的數(shù)值，二者結(jié)合起來表示1個數(shù)據(jù)的含義和值[5]。以DXF文件為對象的自動編程，是將描述工件輪廓圖形的 DXF 文件中 ENTITIES 區(qū)域記錄的直線、圓、圓弧等信息經(jīng)過提取、數(shù)字轉(zhuǎn)化、提取信息的排序等處理，最終生成數(shù)控加工程序[6]。

本文根據(jù)磨削工藝需求，對DXF圖形文件繪制方法進(jìn)行規(guī)定：DXF文檔繪制須有刃口線（藍(lán)色線）、刀背線（綠色線）及入口線（洋紅色線）的信息，DXF 圖中軌跡為 3 條軌跡線在工件表面的投影軌跡，各軌跡線由1個或多個圖元（直線段或圓弧段）拼接而成。DXF 讀取函數(shù)通過顏色來區(qū)分不同軌跡。讀取軌跡信息時從右往左掃描，依次將軌跡的圖元信息（直線段的起點(diǎn)、終點(diǎn)；圓弧段的起點(diǎn)、終點(diǎn)、圓心、半徑）存儲入對應(yīng)容器中，而對于刃口線為螺旋線的工件，容器中的圖元信息并非按照加工順序存儲，需要后期通過圖元識別處理將散亂存儲的圖元排序拼接成完整正確的軌跡。

圖3 刀具樣品圖4 刀具樣品對應(yīng)DXF文件說明

圖 3 所示為某刀具樣品，其對應(yīng) DXF 文件如圖 4 所示。其中，定位點(diǎn)用于固定工件的定位銷；刃口線為刀具的利口線；刀背線為磨削面的底邊線；對刀點(diǎn)為磨削定位的坐標(biāo)點(diǎn) （起點(diǎn)）；入口為此線的角度（弧度）結(jié)定入刀方式；刃口線與刀背線的寬度為磨削后斜面的寬度。DXF文檔為刃口線及刃背線在毛坯表面投影軌跡。

3.2 DXF文件讀取

在DXF文件讀取過程中，最關(guān)鍵的問題是實(shí)體數(shù)據(jù)的讀取[7]。本文根據(jù)應(yīng)用需求僅讀取實(shí)體段的信息，完全滿足刀具磨削G代碼生成。DXF文件在設(shè)計(jì)過程中一般不考慮圖元順序，直接根據(jù) DXF 文件中圖元順序生成數(shù)控代碼，導(dǎo)致加工路徑無序，使得加工過程中空行程增多，效率降低，設(shè)備磨損加快，經(jīng)濟(jì)成本增加[8]。因此，讀取圖元結(jié)束后必須根據(jù)工藝參數(shù)進(jìn)行排序，讀取流程如圖5所示。

圖5 DXF讀取流程

4 、工藝處理及G代碼自動生成

4.1 工藝處理

根據(jù)刀具磨削工藝需求，開發(fā)了整體復(fù)磨功能、重點(diǎn)復(fù)磨功能和分段補(bǔ)償功能，圖6所示為工藝功能界面。整體復(fù)磨功能：類似于循環(huán)加工功能。最多可支持5次整體復(fù)磨，每一次的磨削深度和磨削速度均可單獨(dú)指定。這一功能能夠滿足有不同磨削量的刀具的磨削加工。重點(diǎn)復(fù)磨功能：該功能對局部軌跡進(jìn)行重復(fù)磨削，磨削方式分為﹢﹢、﹢﹣﹢和﹣﹢3 種。﹢﹢點(diǎn)復(fù)磨：正向磨削 1次，抬刀，回到局部軌跡起點(diǎn)，再次正向磨削1次。﹢﹣﹢重點(diǎn)復(fù)磨：正向磨削 1 次，反向磨削 1 次，再次正向磨削1 次。﹣﹢重點(diǎn)復(fù)磨：定位到局部軌跡終點(diǎn)，進(jìn)刀，反向磨削 1 次，正向磨削 1 次。該功能針對具有焊縫的刀具開發(fā)，在保證焊縫處磨削效果的同時能夠節(jié)省加工時間。

圖6 工藝功能界面

分段補(bǔ)償功能：可對Z軸和A軸單獨(dú)進(jìn)行補(bǔ)償，也可同時進(jìn)行補(bǔ)償。操作者只需輸入各段補(bǔ)償起點(diǎn)，補(bǔ)償終點(diǎn)以及補(bǔ)償值即可。補(bǔ)償方式分為兩類：第一類是補(bǔ)償值從起點(diǎn)開始線性遞增到終點(diǎn)時達(dá)到設(shè)定值，后續(xù)段補(bǔ)償需加上前一段補(bǔ)償終點(diǎn)值，再進(jìn)行線性遞增補(bǔ)償；第二類是補(bǔ)償值從起點(diǎn)開始線性遞增，到達(dá)中點(diǎn)時達(dá)到設(shè)定值，然后開始線性遞減，到終點(diǎn)時為零，補(bǔ)償結(jié)果被控制在補(bǔ)償段內(nèi)。兩種式能夠解決工件磨削過程中產(chǎn)生的刃口厚度均勻變化（刃口沿加工方向由厚變薄或由薄變厚）和刃口非均勻變化（刃口局部過厚或局部過薄）的情況。

補(bǔ)償起始點(diǎn)數(shù)據(jù)支持直線數(shù)據(jù)輸入和弧長數(shù)據(jù)輸入：直線數(shù)據(jù)模式下，補(bǔ)償起止點(diǎn)數(shù)值表示對刀點(diǎn)到補(bǔ)償起止點(diǎn)沿磨削方向的直線距離；弧長數(shù)據(jù)模式下，補(bǔ)償起止點(diǎn)數(shù)值表示對刀點(diǎn)到補(bǔ)償起止點(diǎn)間的軌跡長度，兩種模式能夠支持所有類型工件的分段補(bǔ)償。4.2 G代碼自動生成G 代碼自動生成通過以下 4 個步驟實(shí)現(xiàn)。步驟 1：刃口線及刃背線軌跡離散，離散步長默認(rèn)為0.05 mm，可通過參數(shù)輸入修改。步驟 2：根據(jù)加工類型，選擇離散方案。操作界面添加了加工類型選擇按鍵，由操作人員手動確定加工類型。步驟3：后置處理，該機(jī)床后置處理為非常規(guī)后置處理。

（1）確定C軸轉(zhuǎn)角。首先根據(jù)加工類型確定 C軸是否參與聯(lián)動；C 軸參與聯(lián)動，若軌跡為直線，則保持當(dāng)前 C軸轉(zhuǎn)角不變，若軌跡為上凸圓弧，則將當(dāng)前待加工點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至當(dāng)前圓弧頂點(diǎn) （旋轉(zhuǎn)后圓心在當(dāng)前待加工點(diǎn)正下方，如圖 7 所示），若軌跡為下凹圓弧，則將當(dāng)前待加工點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至當(dāng)前圓弧底點(diǎn) （旋轉(zhuǎn)后圓心在當(dāng)前待加工點(diǎn)正上方，如圖8所示）。

（2）確定A軸轉(zhuǎn)角。首先確定磨削寬度，磨削寬度為當(dāng)前待加工點(diǎn) （刃口線上某點(diǎn)）到其正下方刃背線上點(diǎn)的距離，如圖9所示，然后根據(jù)磨削厚度計(jì)算A軸轉(zhuǎn)角。

（3）確定X軸坐標(biāo)。正常進(jìn)行坐標(biāo)變換。

圖7 軌跡為上凸圓弧

圖8 軌跡為下凹圓弧

圖9 磨削寬度示意圖

（4）確定Z軸坐標(biāo)。根據(jù)對刀時A軸偏轉(zhuǎn)角度及對刀點(diǎn)到A軸旋轉(zhuǎn)軸線沿Y軸方向距離計(jì)算Z軸補(bǔ)償。步驟 4：G 代碼輸出。根據(jù)加工類型及工藝參數(shù)進(jìn)行G 代碼輸出。

5 、典型應(yīng)用實(shí)例

某切牛肉刀具刃口磨削，首先在 Auto CAD 中繪制刀具磨削圖形軌跡，保存為 DXF 文件（O 切牛肉刀.dxf），圖10所示為刀具磨削CAD圖形。

圖10 刀具磨削CAD圖形

將 DXF 文件通過 U 盤或網(wǎng)絡(luò)傳送至機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，將數(shù)控系統(tǒng)軟件界面切換至“刀具磨削”功能界面，點(diǎn)擊“ 讀取DXF”按鈕，從彈出對話框中選擇 OXXX.dxf 文件，如圖 11 所示，設(shè)置相關(guān)工藝參數(shù)，然后點(diǎn)擊“生成 G 代碼”按鈕生成相應(yīng)的 G 代碼程序，如圖 12 所示，最后操作機(jī)床加載 G 代碼程序進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)刀具磨削加工，最終加工零件如圖13所示。

圖11 DXF選擇對話框

圖12 刀具磨削功能界面

圖13 實(shí)際刀具磨削結(jié)果

如圖 14 所示為實(shí)際加工刀具零件，是本數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用加工部分零件。

圖14 實(shí)際加工刀具零件

6、結(jié)束語

本文開發(fā)的刀具磨削專用數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了DXF文件的讀取識別，集成刀具磨削工藝功能和自動生成G代碼程序功能，同時支持多工序DXF導(dǎo)入編程功能，實(shí)現(xiàn)刀具多工序磨削一次性加工，替代了人工工藝編程。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，本系統(tǒng)操作簡便快捷，具有高可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升了刀具磨削加工精度與合格率，滿足刀具磨削加工工藝需求。

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