双系统数控机床F: 雕铣实验

1 概述

数控机床调试完成之后需要进行实际且削加工实验，为此我们利用雕刻刀具加工“哈尔滨工业大学校徽”图案以及利用平底刀和球头铣刀完成球面加工实验。具体实验如下

2 MasterCAM软件概述

Mastercam X是美国CNC软件公司开发的CAD/CAM一体化软件。它通过对所设计的零件进行加工工艺分析，并绘制几何图形和建模，以合理的加工路径得到刀具路径，通过程序的后处理生成数控加工指令代码，再输入到数控机床即可完成加工。

3 铣床雕刻加工

3.1 CAD模型的建立

首先在AutoCAD中绘制哈尔滨工业大学的校徽的二维模型，其原图如下所示，然后再用Mastercam打开，再将其移至坐标原点（注意坐标原点是软件默认的工件坐标系原点）。利用Mastercam中的“绘制文字”选项写入“哈工大”和“1920”，其草图若下图所示。

校徽

3.2 设置加工工艺环境

(1) 选择“机床类型”-“铣床”-“MACHINES\MILL 3-AXIS VMC MM.MMD”命令，选择立式三轴铣床

选择加工图形

(2) 设置毛坯尺寸。将“属性-3-AXIS VMC”打开，在材料设置中进行尺寸设置。

(3) 选择“刀具路径”-“外形铣削”，再用框选选中要加工图形。并确定工件原点后确定退出。

(4) 设置相关工艺参数。首先选择刀具并编辑刀具形状，并编辑刀具相关参数，如进给率、下刀速度、提刀速度、主轴转速等，如图5-6所示；其次设置进退刀参数。

(5) 选择“操作管理”的“加工模拟”和“刀具路径模拟”查看模拟加工过程。

(6) 选择“操作管理”的“后处理已选择的操作”，点击确定后生成数控加工NC程序

刀具外形参数

刀具切削参数

共同参数设置

3.3 后置处理

当模拟完成，系统生成NCI文件，NCI文件记录了刀具轨迹的数据和辅助加工的一些数据，要得到具体的数控程序还需要进行后置处理。系统默认的后处理程序是FANUC数控系统的后处理器。后置处理是将零件的NCI文件翻译成具体的数控程序。在Mastercam软件中没有华中数控系统的后处理器文件，在工作量较小的情况下，用户可以手工修改。需要考虑到如下情况：

(1) FANUC数控系统的NC程序开头以%+字母O+四位数字0000，而华中数控系统的NC程序开头则是符号％＋四位数字0000；

(2) FANUC后置处理PST文件针对的是4轴加工中心的格式，在NC文件中会出现第四轴加工中心的格式，在NC文件中会出现第4轴数据“A0.”换刀指令“T1M6”和刀补指令“G43H1”等。而现使用的华中数控系统使用轴为三轴且不使用刀库，所以上面的“A0.””T1M6””G43H1”等是不需要的。

(3) 对FANUC的G代码进行相应修改，比如G1改为G01

根据以上对Mastercam生成的NC程序进行编辑，使其符合HNC-21数控系统的程序格式。

生成NC代码

CAM自动生成的程序 / 手工修改后的程序

3.4 程序导入

程序经过以上的后置处理之后在Mastercam自带的NC程序编辑器中将其另存为“*.txt”格式；存入Ｕ盘中，再插入数控系统的相应USB插槽中。但是需要注意一下几点：

(1) 存储程序的Ｕ盘内存需要小于２GB，且之前需要格式化为“.fat”格式；

(2) CNC的USB插槽不支持热插拔，所以需要在系统通电前将U盘插入，且U盘通电时不能拔出U盘。

由于加工程序较多，不便于在本论文中展示，所以未附该加工程序，且会在相关文件中给出。

3.5 加工效果

加工效果图

4 数控宏编程

对于一些简单的圆弧和直线指令的组合，CAM生成的程序较为繁琐，有的例如加工一个半球的CAM程序可以达到2万多行。而对于一些零件手工编程反而较为简单。

宏程序中包括变量、算数和逻辑运算符、条件转移指令以及循环指令。其不仅可以使加工程序简化而且可以将一些加工操作编为通用程序，使用时只需要修改相应的变量值就可以使用。

5 铣床3维加工（球面加工）

5.1外球面加工工艺

根据目前实验室的实际情况我们选择方木料作为加工毛坯件。

(1)加工刀具选择

外球面加工选用直径为6的平底立铣刀和直径为3球头立铣刀，前者用于粗加工，后者用于精加工。

(2)外球面加工的走刀路径

粗加工时使用行切法自上而下进刀逐段加工，且每一行使用一系列的水平面截球面所形成的同心圆完成走刀，曲面加工时靠刀尖完成的，编程时以刀具底中心为刀具轨迹。

精加工时靠球刀的球刃来完成，且才采用圆弧进刀和圆弧退刀，以提高零件表面加工质量。但是由于工件坐标系原点是球面顶点，所以编程时按照球刀的最底面顶点编写程序。

粗加工刀具路线原理图

#1— 加工球面半径

#2— 平底立铣刀半径

#3— 加工球面初始角度

#4— 加工球面终止角度

#7— 铣削时任意高度刀尖X值

#8— 铣削时任意高度刀尖距球心高度值

#18—铣削时任意高度刀尖Y值

精加工刀具路线原理图

#1— 加工球面半径

#2— 球刀半径

#3— 加工球面初始角度

#4— 加工球面终止角度

#5— 铣削时任意高度刀尖X值

#6— 铣削时任意高度刀具中心距球心的高度值

#12—铣削时任意高度刀尖Y值

(3)原点与对刀

粗加工和精加工均球面顶点为工件坐标系原点。因此加工前利用对刀先找到该坐标原点，再用G54/G55/G56/G57建立工件坐标系。根据毛坯件，对刀时X、Y轴采用对分法对刀

对刀

以上这两种情况下为“对分法对刀”方式(其具体设置方法可以见《HNC-21M机床操作说明书》)，数控装置根据公式 会自动计算工件坐标系原点坐标（X0，Y0），即：

X0=0.5*(X1+X2);

Y0=0.5*(Y3+Y4);

建立工件坐标系之后，根据该坐标原点编写程序加工即可。

5.2 加工程序

根据以上的分析利用宏定义和G代码编制球面加工程序。流程图如图5-16和5-17.

宏程序见附表，程序可以在计算机文本编辑器里面编写，再保存为“O+****.txt”即可。

需要注意的是数控编程和修改最好利用数控面板正面的“XS2 键盘”口，插入键盘后，利用键盘修改。

流程图

根据试验观察，和现有工具（游标卡尺）测量，所加工的球面尺寸符合设定值。

实物图