Pro/ENGINEER在數控編程中的應用技巧

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1 引言    Pro/ENGINEER軟件是CAD/CAM一體化的實用軟件之一，在航空、航天領域、電子通信等精密加工領域都有普遍應用，可進行三至五軸銑削以及車削、線切割的數控加工過程設計，對產品進行加工過程仿真及對工件進行切削干涉檢查并直接生成加工程序。由于軟件的整個系統建立在統一的數據庫基礎上，能將整個設計至生產過程集成在一起，具有全相關性，應用它進行數控編程，避免了加工過程對產品進行二次建模，使用方便，數據提取可靠，可以避免在加工過程中對產品的重復設計可能發生的錯誤。筆者自使用該軟件以來，成功完成了精密饋電零件、高精度天線座架和大型天線模具的多種產品的程序設計，如圖1所示。以下是應用該軟件過程中的一些技巧和體會，與大家共饗。
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) p- ^, G2 g8 J- y  G' w+ i圖1 天線上的饋電、座架、模具產品

2 應用技巧
2.1 工作路徑的設置
    Pro/ENGINEER的工作路徑的設置是很重要的，因為Pro/ENGINEER缺省的啟動路徑是在 Pro/ENGINEER安裝路徑下的BIN文件夾，該文件夾存儲Pro/ENGINEER最重要的各種命令。如果不設置工作路徑，隨著工作的進行，會直接把零件文件、裝配文件、加工文件和相應的Trail文件都保存在此文件夾中，給文件的管理帶來很大的麻煩，所以一定要建立自己的工作目錄，并且能做到文件的分類存放，統一管理。工作路徑設置的方法是：在文件目錄下選擇工作路徑目錄，然后選擇需要設置的路徑及文件夾作為工作路徑后，確定就可以了。
2.2 Config文件的正確應用
    Config文件是Pro/ENGINEER的系統配置文件，幾乎可以滿足對Pro/ENGINEER的所有要求，不僅在進行產品設計過程需要用到，在進行加工過程設計時也有非常重要的參數設置。通過這些設置，可以把Pro/ENGINEER定制為所需的工作環境。下面是在加工過程中經常需要設置的參數。
" P" c8 x# S& C$ m3 p7 h% |    （1）Mfg_auto_ref_prt_as_chk_srf：選擇yes或 no，在3、4和5軸“輪廓”和“常規”銑削序列中，缺省情況下選取整個參照零件作為檢查曲面，用于計算這些序列的“NC序列”刀具路徑。
    （2）Mfg_info_location：選擇top_left，bottom_right，用來設置“制造信息”對話框的位置。
    （3）Mfg_xyz_num_digits：缺省值為10，在CL數據文件中，為x、y、z數據點設置數字位數。
8 {* }3 D+ p& _1 w- @    （4）Nccheck_type：包括：vericut（缺?。?，指使用CGTech公司提供的Vericut；Nccheck，使用Pro/NC-CHECK。
2.3  工件坐標系選擇技巧
    機床坐標系是機床上固有的坐標系，都設有固定的坐標原點。在實際加工中，通常會選擇工件上的一點作為數控程序原點，并以此為原點建立一個工件坐標系。應用軟件進行程序設計時的坐標系就是實際加工時的工件坐標系。工件坐標系的合理確定，對數控編程及加工時的工件找正都很重要。為提高零件加工精度，程序原點應盡量選在零件的設計基準和工藝基準上，如對于以孔定位的工件，以孔的中心為程序原點就比較合適。程序原點也可以選在兩垂直平面的交線上，這樣不論是用銑刀還是用測頭都可以很容易找到交線的位置。對于幾何形狀不規則的產品，要根據產品的具體情況來選擇工件坐標系。通常都要遵守以下原則：在機床上容易找正、編程方便、對刀誤差小、加工時檢查方便、可靠和所引起的加工誤差小等。
$ w* @* C& H" L; A' A5 h7 g0 A2.4  刀具切入和切出工件的路徑設計
    應用腔體類、軌跡類加工方式，如不作特殊設計，刀具會按照系統計算的位置進行刀具的切入和切出，但有時這個位置并不是程序設計人員需要的。例如，對于薄壁產品的銑削加工，為減少刀具的軸向切削力，防止工件變形，一般首先會在工件落刀位置打孔，軸向進刀時，要求刀具從落刀孔位置軸向進刀，側刃銑削，以減小切削力，防止工件變形。在刀具路徑優化功能中可以對刀具切入和切出位置做具體設計，這個功能可以應用于整個腔體加工，也可在指定的工件層或者位置進行刀具切入和切出設計。實際應用的方法有三種 ：新建或者選擇基準點作為刀具軸向切入和切出的位置，這個點可以投影到垂直于安全面的所有加工層上 ；新建或者選擇基準軸線進行刀具的切入和切出位置設計，這個軸線可以是工件上的，也可以是毛坯上的，必須垂直于安全面，同樣刀具軸向的切入切出都是沿軸線的位置 ；用草繪工具，在加工坐標系的XY平面上進行刀具切入和切出的軌跡設計。可以應用Pro/ENGINEER軟件的草繪功能對刀具切入切出產品的路徑進行設計，可使刀具沿零件輪廓法向垂直切入或者使刀具沿零件輪廓切向切入，并可以控制刀具切入切出的延伸距離。
2.4.1 切削深度控制
  ~! A( N* J2 t    在加工腔體類的零件，特別是型腔深度尺寸比較大時，刀具切深的控制非常重要。隨著加工過程的進行，刀具懸深尺寸逐漸增大，對切削深度的要求也會不斷變化，參數表中的Step-Depth參數被定義為加工中刀具的層切削深度，適用于整個腔體加工，但在某些有特殊要求的零件，考慮加工效率和加工性能，使用同樣切深卻不一定適用。在加工過程優化設計中，可以對刀具的切削深度進行控制。
    （1）Upto Depth:每層按切削深度加工至設定的深度。
    （2）From－To Depth:在一個特定的深度范圍內分層加工。
    （3） Slice/Slice:按照每層設定的層深生成刀具運動軌跡，需要設置每層的加工深度。
3 y( ]! t7 ^" C+ g2.4.2 切削速度的控制
    在切削加工過程中，在刀具切入、切出、圓弧走刀、直線走刀等情況下需要設置不同的切削速度，在高級參數表設置里可以根據不同的加工部位設置不同的切削參數。
9 W+ g: }  R: @" Y; I7 Z; `    （1）Cut-Feed :切削加工進給速度。
1 y; y- \& p% }' m7 g* s8 p    （2）Retract-Feed :刀具返回安全面的速度。
5 k" O' \3 L/ g, D: D    （3）Free-Feed :快速進給速度，如果不設定的話，該速度應用機床默認的缺省值。
    （4）Arc-Feed :圓弧加工進給速度。
5 E( x- k+ O% }* k0 [    如果加工一個工件時刀具軌跡既有直線又有圓弧，往往對直線加工和圓弧加工設定不同的切削速度。為提高加工效率，通常也會設定刀具返回安全面的速度。
2.4.3 軌跡加工時的刀具路徑優化設計
    Pro/ENGINEER的軌跡加工方式給程序設計人員很大的自由度，可根據不同的加工產品進行刀具加工軌跡的設計。以下是加工軌跡設計的4種方式。
0 a' s# i. h: Y  s6 T    （1）草繪刀具加工軌跡 。
    （2）選擇曲面的邊作為刀具軌跡。
6 p. r/ p( X/ W' q  y- Z" f    （3）選擇或者草繪曲線作為刀具軌跡。
    （4）選擇曲面作為刀具加工軌跡。
    對于幾段不連續的軌跡加工，可以在刀具路徑優化的菜單下，通過插入方式將不連續的加工過程連接起來，不再進行切削過程的重復設計，使加工過程設計更為簡捷。具體做法是：在刀具路徑優化菜單下，分段插入新的刀具軌跡路徑，并且在軌跡加工方式下可以對刀具的運動方向、刀具半徑的偏置方向進行控制，并可根據加工產品的結構要求進行刀具的深度方向偏置。
2.4.4 五軸機床加工坐標系轉換技巧
    在五軸加工過程設計中，工件X、Y、Z軸的方向只要確定，其余兩軸也就確定了。通常情況下進行曲面和輪廓的五軸加工可直接應用工件坐標系，但在體積銑削和腔體銑削加工時，也會涉及到工件坐標系和工步坐標系之間的相互轉換，在這兩種加工方式下，只能提供三軸加工方式，刀具軸線必須沿工件坐標系的Z軸方向加工，如果零件上的腔體位置相對工件坐標系已經旋轉了一定的角度，三軸方式無法生成刀具加工軌跡。這時需要對該工步應用的坐標系進行平移旋轉，也就是使工步坐標系和工件坐標系之間進行相互轉換。具體方法是：對于在五軸加工中需要旋轉角度進行腔體或體積加工的產品，重新設計工步加工坐標系和相應的安全面，并在該工步中選擇該坐標系和安全面，使刀具沿垂直于新坐標系的Z方向進刀，坐標系之間的轉換關系如圖2所示。

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) |# z  B& q& G& W圖2   五軸加工坐標系轉換示意圖

其中  CS0——工件坐標系 ；
      CS1、CS2——旋轉后的加工坐標系。
& W/ y( x" r1 b( {8 l% H    在產生加工NC文件時，系統自動計算工件坐標系和新的工步坐標系的位置關系，在生成加工程序時自動將刀具的刀位點換算成工件坐標系的坐標數值，實現一個加工過程中不同坐標系之間的轉換。
5 `0 ]9 n3 G# v2.4.5 曲面加工加工精度的控制
9 {* K+ F/ Y  w- y" {5 ^+ y( e    Pro/ENGINEER的加工模塊提供了兩種曲面加工的方式 ：Conventional  Surface Milling（常規曲面加工）和Contour surface milling（等高線曲面加工）。曲面精度控制是曲面加工中的重要環節，通常會應用參數控制曲面精度。
% b' T9 S" ?  I# |* O: _% N) q    （1）TOLERANCE指公差。主要用來控制刀具曲線加工路徑的精度，在刀具按直線插補走刀時，兩點之間的連線和理想曲線的最大間距用公差控制，如圖3所示。公差數值越小，則曲線的精度就越高。

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圖3 公差示意圖

    （2）SCALLOP-HGT：使用球頭銑刀加工曲面的時候，刀具兩次走刀過后，在工件表面會形成一個凸臺，如圖4所示。

9 V) g) ~6 u- y  N% `- }# b圖4 SCALLOP-HGT參數示意圖

    該參數主要用來控制曲面加工中的凸臺高度，當球頭刀按照參數表中的步距加工曲面時，如果形成的凸臺尺寸超過該參數設置值時，系統自動按照該尺寸重新計算刀具的步距，確保曲面的精度要求。
, c! \( B9 Y  e$ p2.4.6 高速加工的參數設置
3 ], _0 x; ^' \    在體積銑削中進行高速粗加工時，可將參數ROUGH_OPTION（加工方式）設置為ROUGH_ONLY，將SCAN_TYPE設置為CONSTANT_LOAD（恒載荷），使刀具在高速加工時處于恒定的切削條件，刀具從工件的外側材料逼近，恒定的凹口載入，盡量避免刀具方向突然發生改變，減少重新定位移動。
4 G5 v( O- J8 `5 I+ G! W    在體積銑削中進行高速輪廓加工時，可將ROUGH_OPTION參數設置為PROF_ONLY，將SCAN_TYPE設置為CONSTANT_LOAD，盡量避免刀具方向突然發生改變，使用連續刀具路徑，減少重新定位移動，使用弧線或螺旋線移動的“進刀”和“退刀”運動來保證加工產品的表面質量。
2.4.7 后處理程序的開發應用
    Pro/NC生成ASCⅡ格式的切刀位置 (CL) 數據文件，在進行任何加工操作之前這些文件需要進行后處理以創建“加工控制數據 (MCD)”文件?？赏ㄟ^設置配置選項NCpost_type來控制要使用的后處理模塊。在進行產品加工設計之后，需要應用相應的后處理器對產生的刀位文件進行后置處理，以生成機床可以識別的NC代碼。由于每種設備的結構、功能以及使用的數控系統不盡相同，后處理器不能通用，需要使用者針對具體設備的數控系統進行二次開發，如圖5所示。所開發出的不同數控系統對應的后處理器，能夠處理不同類型格式的刀具路徑文件，并做優化處理以滿足不同類型的機床、系統、零件加工需求，生成NC程序不需人工做二次修改而直接應用于機床。

# V; I+ k2 g% d7 W9 R圖5 后處理程序開發界面

3 結束語
" o6 h* m  g/ d9 e. t& H& z    以上是筆者在應用Pro/ENGINEER軟件進行程序設計后總結出來的一些應用技巧和體會。通過對大量零件的程序設計及實際檢驗，應用軟件的MFG加工模塊可以進行各類復雜結構產品的加工過程設計，其中應用高級曲面加工模塊完成復雜曲面產品五軸機床數控加工，應用高速銑削技術進行薄壁多腔體結構件的加工、高精度產品的加工等關鍵技術的解決，取得了良好的技術經濟效益。在進行程序設計時，還需要考慮刀具路徑及程序優化，切削參數及切削方式的優化等問題，在滿足產品設計要求的前提下，降低加工成本，提高產品的生產效率。