基于DXF文件的刀具磨削數控系統開發
2021-2-4 來源： 深圳華數機器人有限公司 作者：周 盈
摘要：為了實現廚刀類刀具磨削機床數控編程的高效自動化，采用Auto CAD繪圖功能與HNC-808DM數控裝置相結合的方法，研究開發了一種具有刀具整體復磨、重點復磨、分段補償、多工序磨削、基于DXF文件自動編程等功能的數控系統，該數控系統能讀取DXF文件自動生成刀具磨削G代碼程序，無需工藝編程人員，節省人力和時間。經過實際應用加工驗證，該系統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。
關鍵詞：刀具磨削；DXF；數控系統
0 引言
自動編程系統是高效的數控編程手段，是數控系統走向集成化、智能化發展的關鍵環節[1]。目前刀具磨削加工用機床正由液壓機床向數控機床過渡，數控系統基本都是采用市場上的標準數控系統，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大量時間去編寫加工程序，而且還要經過多次的打樣加工、檢測、反復修正加工程序，直到能夠加工出合格的刀具產品，耗費大量時間，而且操作使用極為不便。在面向智能化數控加工與制造的轉變進程中，如何有效的表達、快速高效地輸入零件信息，以實現數控編程的高效自動化，已成為實際生產中亟待解決，而又一直備受重視的熱點課題[2]。DXF 文件是一種圖形交換文件， 可以實現與其他應用程序交換圖形數據?，F今， DXF 文件格式已經成為 CAD 領域的一種標準的數據交換文件，主流的 CAD 軟件都支持 DXF 文件格式[3]。
本文采用Auto CAD繪圖結合HNC-808M數控裝置進行數控系統二次應用開發，目標是開發刀具磨削專用數控系統，實現對 DXF 圖形文件的識別，提取圖形幾何數據信息，根據工藝參數自動生成G代碼程序，取代了傳統冗長繁雜、效率低下的手工編程方式。
1 、機床結構
圖 1 所示為刀具磨削機床結構，圖中機床有 X、Y、Z、A 共 4 個進給軸和 1 個主軸，XY 軸控制工件在 XY 平面的運動，A 軸為旋轉軸，加工過程中可控制工件旋轉角度，主軸由變頻器帶動砂輪高速旋轉，Z軸可控制左右移動，與XYA插補運動，實現刀具磨削加工。
圖1 刀具磨削機床結構
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，厚度規格 20～45 mm。砂輪外圍為平面，內圍稍向下傾斜（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盤或網絡接口將DXF文件導入到數控系統中，數控系統讀取對應DXF 文件，設置工藝參數后，根據刀具磨削處理算法自動生成加工程序，最后操作數控系統加載已生成的加工程序，控制機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 公司開發的用于 Auto CAD 與其它軟件之間進行 CAD數據交換的文件格式，是Auto CAD圖形文件中所包含的全部信息的標記數據的一種表示方法[4]。DXF 文件由標題段、表段、塊段、實體段和文件結束段 5 部分組成，一個DXF 文件由若干個組構成，每個組占 2 行，第 1 行為組的代碼，第2行為組值。組代碼相當于數據類型的代碼，它由CAD圖形系統所規定，而組值為具體的數值，二者結合起來表示1個數據的含義和值[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 區域記錄的直線、圓、圓弧等信息經過提取、數字轉化、提取信息的排序等處理，最終生成數控加工程序[6]。
本文根據磨削工藝需求，對DXF圖形文件繪制方法進行規定：DXF文檔繪制須有刃口線 （藍色線）、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 讀取函數通過顏色來區分不同軌跡。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、終點；圓弧段的起點、終點、圓心、半徑） 存儲入對應容器中，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DXF文件說明
圖 3 所示為某刀具樣品，其對應 DXF 文件如圖 4 所示。其中，定位點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；對刀點為磨削定位的坐標點 （起點）；入口為此線的角度 （弧度） 結定入刀方式；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，最關鍵的問題是實體數據的讀取[7]。本文根據應用需求僅讀取實體段的信息，完全滿足刀具磨削G代碼生成。DXF文件在設計過程中一般不考慮圖元順序，直接根據 DXF 文件中圖元順序生成數控代碼，導致加工路徑無序，使得加工過程中空行程增多，效率降低，設備磨損加快，經濟成本增加[8]。因此，讀取圖元結束后必須根據工藝參數進行排序，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
根據刀具磨削工藝需求，開發了整體復磨功能、重點復磨功能和分段補償功能，圖6所示為工藝功能界面。整體復磨功能：類似于循環加工功能。最多可支持5次整體復磨，每一次的磨削深度和磨削速度均可單獨指定。這一功能能夠滿足有不同磨削量的刀具的磨削加工。重點復磨功能：該功能對局部軌跡進行重復磨削，磨削方式分為﹢﹢、﹢﹣﹢和﹣﹢3 種。﹢﹢點復磨：正向磨削 1次，抬刀，回到局部軌跡起點，再次正向磨削1次。﹢﹣﹢重點復磨：正向磨削 1 次，反向磨削 1 次，再次正向磨削1 次。﹣﹢重點復磨：定位到局部軌跡終點，進刀，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，在保證焊縫處磨削效果的同時能夠節省加工時間。
圖6 工藝功能界面
分段補償功能：可對Z軸和A軸單獨進行補償，也可同時進行補償。操作者只需輸入各段補償起點，補償終點以及補償值即可。補償方式分為兩類：第一類是補償值從起點開始線性遞增到終點時達到設定值，后續段補償需加上前一段補償終點值，再進行線性遞增補償；第二類是補償值從起點開始線性遞增，到達中點時達到設定值，然后開始線性遞減，到終點時為零，補償結果被控制在補償段內。兩種式能夠解決工件磨削過程中產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?。?的情況。
補償起始點數據支持直線數據輸入和弧長數據輸入：直線數據模式下，補償起止點數值表示對刀點到補償起止點沿磨削方向的直線距離；弧長數據模式下，補償起止點數值表示對刀點到補償起止點間的軌跡長度，兩種模式能夠支持所有類型工件的分段補償。4.2 G代碼自動生成G 代碼自動生成通過以下 4 個步驟實現。步驟 1：刃口線及刃背線軌跡離散，離散步長默認為0.05 mm，可通過參數輸入修改。步驟 2：根據加工類型，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，該機床后置處理為非常規后置處理。
（1） 確定C軸轉角。首先根據加工類型確定 C軸是否參與聯動；C 軸參與聯動，若軌跡為直線，則保持當前 C軸轉角不變，若軌跡為上凸圓弧，則將當前待加工點旋轉至當前圓弧頂點 （旋轉后圓心在當前待加工點正下方，如圖 7 所示），若軌跡為下凹圓弧，則將當前待加工點旋轉至當前圓弧底點 （旋轉后圓心在當前待加工點正上方，如圖8所示）。
（2） 確定A軸轉角。首先確定磨削寬度，磨削寬度為當前待加工點 （刃口線上某點） 到其正下方刃背線上點的距離，如圖9所示，然后根據磨削厚度計算A軸轉角。
（3） 確定X軸坐標。正常進行坐標變換。
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。根據對刀時A軸偏轉角度及對刀點到A軸旋轉軸線沿Y軸方向距離計算Z軸補償。步驟 4：G 代碼輸出。根據加工類型及工藝參數進行G 代碼輸出。
5 、典型應用實例
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 盤或網絡傳送至機床數控系統中，將數控系統軟件界面切換至“刀具磨削”功能界面 ， 點擊“ 讀取DXF”按鈕，從彈出對話框中選擇 OXXX.dxf 文件，如圖 11 所示，設置相關工藝參數，然后點擊“生成 G 代碼”按鈕生成相應的 G 代碼程序，如圖 12 所示，最后操作機床加載 G 代碼程序進行加工，實現刀具磨削加工，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 實際刀具磨削結果
如圖 14 所示為實際加工刀具零件，是本數控系統應用加工部分零件。
圖14 實際加工刀具零件
6、結束語
本文開發的刀具磨削專用數控系統，實現了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導入編程功能，實現刀具多工序磨削一次性加工，替代了人工工藝編程。實際應用結果表明，本系統操作簡便快捷，具有高可靠性和穩定性，進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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