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基於DXF文件的刀具磨（mó）削數控係統開發

2021-2-4 來源：深圳華數機（jī）器人有限公司作者：周（zhōu）盈

摘要：為了實現廚刀類刀具磨削機床數控編程（chéng）的高效自動（dòng）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（fā）了一（yī）種具有刀具整（zhěng）體複磨、重點複磨、分段補償、多工序磨削、基於DXF文件自動編程等功能的數控係統，該數（shù）控係統能讀（dú）取DXF文件（jiàn）自動生成刀具磨削G代碼程序，無需工藝編程人員，節（jiē）省人力（lì）和時間。經過實（shí）際應用加（jiā）工驗證，該係統滿足了刀（dāo）具磨削工藝需（xū）求，操作簡便（biàn）快捷，提升了刀具磨削加（jiā）工（gōng）精度與合（hé）格率。

關鍵詞：刀具磨削；DXF；數控（kòng）係統

0 引（yǐn）言

自動編程係統是高效的數（shù）控編程手段（duàn），是（shì）數控係（xì）統走向集成化、智能（néng）化發展的關鍵（jiàn）環節[1]。目前刀具磨削加工用機床正由液壓機（jī）床向（xiàng）數控機床（chuáng）過渡，數控係統基本都是采用市場上的標準數控係統（tǒng），其用於刀具磨削加工時，沒有集成刀具磨削專用工藝編程軟件模塊，需要高（gāo）水平工藝編程人員花費（fèi）大量時間去編寫（xiě）加工程序，而且還要經過多次（cì）的打樣（yàng）加工、檢測、反複修正加工程序，直到能夠加工出合格（gé）的刀具產品，耗費大量時間，而且操作使用極為不便。在麵向智能化數控加工與製造的轉變進程中，如（rú）何有效（xiào）的表達、快速高效地輸入（rù）零件信息，以實現數（shù）控編程的高（gāo）效自動化，已成為實際生產中亟（jí）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。現今， DXF 文件格（gé）式已經成為 CAD 領域的（de）一種標準的（de）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（yòng）Auto CAD繪圖結合（hé）HNC-808M數控裝置進行數控係統二次應用開發，目標是開（kāi）發刀具磨削專用（yòng）數控係統，實（shí）現對 DXF 圖（tú）形文件的識別，提取圖形幾何數據信息，根據工藝參（cān）數自動生成（chéng）G代碼程序，取代了傳（chuán）統冗長繁雜、效率低下的（de）手工編程方式。

1 、機床結構

圖 1 所（suǒ）示為刀具磨削機床結構，圖中機（jī）床有 X、Y、Z、A 共 4 個進給軸和 1 個主軸，XY 軸控製工件在 XY 平麵的運（yùn）動，A 軸為旋（xuán）轉軸，加工過程中可（kě）控製工件（jiàn）旋轉角度，主軸（zhóu）由變頻器帶動砂輪高速旋轉，Z軸可控製左右移動，與XYA插補運動，實（shí）現刀具（jù）磨削加工。

圖1 刀具磨削機（jī）床結構

夾具板厚度隨加工工件的不（bú）同而變化。加工（gōng）用刀具為砂輪，外徑 ϕ450 mm，厚（hòu）度規格 20～45 mm。砂輪外圍為平麵，內圍稍（shāo）向下傾斜（低於外圍平麵），加工時（shí）使用外圍平麵加工，最佳加工位置（zhì）為砂輪軸（zhóu）心水平麵對應外圍位置。

2 、刀具磨削加工整體流程（chéng）

刀具磨削流程如圖2所示，首先用CAD繪製刀具磨削加工（gōng）圖形軌跡（jì），輸出為DXF格（gé）式文件，然後通過U盤或網絡接口將DXF文件導入到數控係統中，數控係統讀取對應DXF 文件，設置工藝參數後，根據刀具磨（mó）削處理算法自動生成加工程（chéng）序，最後操作數控係統加載已生成的加工程序，控製機床完成刀（dāo）具磨削加工。

圖2 刀具磨削流程

3、 DXF文件繪製與讀取

3.1 DXF文件繪製

DXF(Drawing Exchange Format 繪圖交換（huàn）文件) 是 Au⁃todesk 公司開發（fā）的用於 Auto CAD 與其它軟件之（zhī）間進行 CAD數據交（jiāo）換的文件格式，是（shì）Auto CAD圖形（xíng）文件中所包含的全部（bù）信息的（de）標記數據的一種表示方法[4]。DXF 文件由標（biāo）題段、表段、塊段、實體段和文件結束段 5 部分組成，一個DXF 文（wén）件由（yóu）若幹個組構成，每（měi）個組占 2 行，第 1 行為組（zǔ）的代碼，第2行為組值。組（zǔ）代碼相當於數（shù）據類型的代（dài）碼，它由CAD圖（tú）形係統所（suǒ）規定，而組值為（wéi）具體的數值，二者結合（hé）起來表示（shì）1個數據的含義和值[5]。以DXF文件為對象的自動編程（chéng），是將描述工件輪廓圖形的 DXF 文件中 ENTITIES 區域記錄的直（zhí）線、圓、圓弧等（děng）信息（xī）經過提（tí）取、數字轉化、提取信息的排序等處理，最終（zhōng）生成數控加工程序[6]。

本文根據磨削工藝需求，對DXF圖形文件繪製方法進行（háng）規定：DXF文檔繪製須有刃口線（藍色線）、刀背線（綠色線（xiàn））及入（rù）口線（洋紅色線）的信息，DXF 圖中軌（guǐ）跡為 3 條軌跡線在工件表麵的投影（yǐng）軌跡，各軌跡線由1個或多個圖元（yuán）（直線段或圓弧段）拚接而成。DXF 讀取（qǔ）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（duàn）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，而對於刃口線為螺旋線的工件，容器中的圖元信（xìn）息並（bìng）非按照加（jiā）工順序存儲，需要後期通過圖元識別處理將散亂存（cún）儲的圖元排序拚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（míng）

圖 3 所示為某刀具樣品，其對應 DXF 文件（jiàn）如（rú）圖 4 所示。其中（zhōng），定位點用於固定（dìng）工件的定位銷；刃口線為刀具的利口線；刀（dāo）背線為磨削麵的底邊線；對刀點為磨削定位的坐標點（diǎn）（起點）；入口為此（cǐ）線的角度（弧（hú）度）結定入（rù）刀方式；刃口線與刀背（bèi）線的寬度為磨削（xuē）後斜麵的寬度。DXF文檔為刃口線及刃背線在毛坯表麵投影軌跡。

3.2 DXF文件讀取

在DXF文件讀取過（guò）程中（zhōng），最關鍵（jiàn）的問題是實體數據的（de）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（dài）碼（mǎ）生成（chéng）。DXF文（wén）件在設計過（guò）程中一般不（bú）考（kǎo）慮（lǜ）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，讀取圖元結束後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（chù）理及（jí）G代碼自動生成

4.1 工藝處理

根據刀具磨削工藝（yì）需求，開（kāi）發（fā）了整體複磨功能、重點複磨功能和分段補償（cháng）功能，圖6所（suǒ）示為工藝功能界麵。整體複磨功能：類似於循環加工功能。最多可支持5次整體複（fù）磨，每一（yī）次的磨削深度和（hé）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（dāo）具的磨削加工。重點複磨功能：該功能對局（jú）部（bù）軌跡進（jìn）行重複磨（mó）削，磨削方式分為﹢﹢、﹢﹣﹢和﹣﹢3 種。﹢﹢點複（fù）磨：正向磨削 1次，抬刀，回到局部軌跡起點，再次（cì）正（zhèng）向磨削1次。﹢﹣﹢重點（diǎn）複磨：正向磨（mó）削 1 次，反向磨削 1 次，再次正向磨削1 次。﹣﹢重點複（fù）磨：定（dìng）位到局（jú）部軌跡終點，進刀（dāo），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省加工時間。

圖6 工藝功能界麵

分段補償功（gōng）能（néng）：可對Z軸（zhóu）和A軸單獨進行補償，也可同時進行補償。操作者（zhě）隻需輸（shū）入各段補償起點，補償終（zhōng）點以（yǐ）及補償值即可。補償方式分為兩類：第一類是補償值從（cóng）起點開始線性遞增到終點（diǎn）時達到設（shè）定值，後續段（duàn）補（bǔ）償需加上前一段補償終點（diǎn）值，再進行線性遞增補償；第二類是（shì）補償值從起點開始線性遞增，到（dào）達中點（diǎn）時達到設定值，然（rán）後開始線性遞（dì）減，到終點時為零，補償結果被控製在補償段內。兩（liǎng）種式能夠解決工件磨（mó）削（xuē）過程中產生的刃口厚（hòu）度均勻變化（刃口沿加工方向由厚變薄或由薄（báo）變厚）和刃口非均勻變化（刃口局部過厚或局部過薄）的情況。

補償起始點數據支（zhī）持直線數據輸入和弧長數據輸入（rù）：直線數據模式下，補償起止點數值表示對刀點到補償起止（zhǐ）點沿磨削方向的直線距離；弧（hú）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（dù），兩種（zhǒng）模（mó）式能夠支持所有類型工（gōng）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（jí）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（jù）加工類型，選擇離散方案。操作界麵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（zhòu）3：後置處理，該機床後置處理為非常規後置處（chù）理。

（1）確定C軸轉（zhuǎn）角。首先根據加工類型確定 C軸是（shì）否參（cān）與聯動；C 軸參（cān）與聯動，若軌跡為直（zhí）線，則保持當（dāng）前 C軸轉角不變，若軌跡為上凸圓弧，則將當前待加工點（diǎn）旋轉至當前圓弧頂點（旋轉（zhuǎn）後圓心在（zài）當（dāng）前待加工點正下方，如圖（tú） 7 所示（shì）），若軌跡為下凹圓弧，則將當前待加工點旋轉（zhuǎn）至當（dāng）前圓弧底點（旋轉後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（mó）削寬度，磨削寬度為當前待加工（gōng）點（刃口線上某點）到其正下方刃背線上點的距離，如（rú）圖9所示，然（rán）後根據磨削厚度計算A軸（zhóu）轉角（jiǎo）。

（3）確定X軸坐標（biāo）。正（zhèng）常（cháng）進行坐標變換。

圖7 軌跡（jì）為上凸圓弧

圖8 軌（guǐ）跡為下（xià）凹圓弧（hú）

圖9 磨削寬度（dù）示意圖

（4）確定Z軸坐標。根據對刀時（shí）A軸偏轉角度及對刀點到A軸旋轉軸線沿Y軸方向距離（lí）計算Z軸補償。步驟 4：G 代碼（mǎ）輸（shū）出（chū）。根據加工類型及工藝參數進行G 代碼輸出。

5 、典（diǎn）型應用實例

某切牛肉刀具（jù）刃口磨削，首先在 Auto CAD 中繪製刀具磨削圖形軌跡，保存為 DXF 文件（O 切牛肉（ròu）刀.dxf），圖（tú）10所示為刀具磨（mó）削CAD圖形。

圖10 刀具磨削CAD圖形

將 DXF 文件通過 U 盤（pán）或網絡傳送至機（jī）床數控係統中，將數控係統軟件界麵切換至“刀具磨削”功能界麵，點擊“ 讀取DXF”按鈕，從彈出對話框（kuàng）中選（xuǎn）擇 OXXX.dxf 文件（jiàn），如圖 11 所示，設置相關工藝參（cān）數（shù），然後點（diǎn）擊“生成 G 代碼”按鈕生成相應的 G 代碼程序，如圖 12 所（suǒ）示，最後操作機床（chuáng）加載（zǎi） G 代碼程序進行加工，實現刀（dāo）具磨削加工（gōng），最終加工零（líng）件如圖13所示。

圖11 DXF選擇（zé）對話（huà）框

圖（tú）12 刀具磨削功能界麵（miàn）

圖13 實際刀具磨削結果

如圖 14 所示為實際加工刀具零件，是本數控係（xì）統應用加（jiā）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係（xì）統（tǒng），實現了DXF文（wén）件的讀取識別，集成（chéng）刀具（jù）磨削工藝功能和自動生成G代碼程序功能（néng），同時支持多工序DXF導入編程功能，實現刀具多工序磨（mó）削一次性加工，替代了人工工藝編程（chéng）。實際應用結果表明，本係統（tǒng）操作簡便（biàn）快捷，具有高（gāo）可靠性和穩定性（xìng），進一步提升（shēng）了刀具磨削加工精度與合格率，滿足刀具（jù）磨削加工工藝需求。

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