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      矢量編程簡化五軸加工工藝


       
       
       
           由于這一車間最大的五軸加工中心上的CNC系統采用矢量坐標作為程序輸入,而不是采用傳統的G代碼,因此復雜工件可以輕易地從一臺機床轉移到另一臺機床上進行加工。

       

           Desemco公司(位于喬治亞州Marietta市)作為航空航天工業中非常優秀的一個五軸加工車間,它可承擔從設計到最終生產的全部加工項目。這家由15人組成的公司以其具有競爭力的價格、一流的生產質量和優異的按時交貨紀錄,贏得了附近一家航空航天制造商和其他航空航天及國防承包商的加工業務。

       

           Desemco公司的專長是從事航空航天工業復雜工件的高精度加工,這些工件由鎳鐵合金一類的航空級鋁合金、鈦合金和高強度合金材料制成。其加工的典型工件包括縱梁、艙壁、葉輪和窗戶墊圈的模具。

       

           對于加工這么多類型的零件而言,采用具有五軸加工能力的機床是必不可少的。某些幾何形狀,例如像復雜的輪廓和底部切槽,簡直是無法加工生產的,除非刀具或工件可以與其他3根直線運動軸同時協調地聯動旋轉運行。在其他情況下,如無法接近零件的5個加工面,那么工件必將需要進行多次的調試設置,因而會影響機床的生產時間,甚至危及加工精度。

       

          出于這個原因,Desemco公司已投入巨資購置五軸加工中心。其中體積最大和加工能力最強的是兩臺來自OKK公司的機床:KCV1000和VP600。KCV1000型機床通常配有一個很長的工作臺和行程可以延伸到的137in(1in=25.4mm)的X軸。這臺機床具有加工專門為飛機設計的較長和較大工件的能力。購置這臺機床是一個重要的市場戰略性決定,因為極少的加工車間需要這樣大尺寸的機床,其超長的X軸,也使得Desemco公司能夠在工作臺的不同區段上設置幾個較小的工作區。機床的這種靈活性為作業調度和生產計劃提供了極大的戰術價值。該機床屬于“刀具旋轉”類機型。旋轉軸位于主軸加工頭內。
       
       

      圖1 配有一特長工作臺的五軸加工機床具有很大的靈活性,既可以通過一次性裝卡調試加工一個大型零件,
      也可在工作臺的不同區段上設置加工幾個更小的零件

       

           相比之下,VP600型機床屬于“工作臺旋轉”類機型。其旋轉軸由一個裝有耳軸的旋轉工作臺組成。除了處理在長工作臺機床上開始堆積的較小五軸加工件之外,VP600型機床業還可以鎖住其旋轉軸,作為一臺功能強大的三軸銑床使用。

       

           遺憾的是,購置兩臺不同配置的五軸機床給預期的靈活性造成了一個障礙。原先適用于在刀具旋轉型機床上后處理加工的傳統G代碼CNC程序,無法在工作臺旋轉的機床上使用。為了將工件從一臺機床上轉移到另一臺機床上加工,Desemco公司的編程人員將不得不為第二臺機床購置適當的后處理器,并將其應用于原先由Mastercam公司提供的五軸編程軟件所生成的刀具路徑數據。

       

           當Desemco公司找到這家為第一臺OKK機床開發后處理器的本地經銷商Mastercam公司時,他們提出了一個不同的方法。Mastercam公司認為,該機床的FANUC CNC系統有一款軟件,可以使他們直接處理五軸矢量坐標,作為CNC程序的輸入。

       

           在概念上,這種“矢量編程”可以避開兩個困難。因為由CAM系統生成的矢量坐標(X、Y、Z、I、J及K)將只確定與零件幾何形狀有關系的刀具運動方向,因此它們屬于“中性類機床”。也就是說,需要將這些坐標轉變成機床特定運動指令的轉換值和計算值還沒有得到應用。這使得矢量編程易于攜帶:一臺機床上的輸入可以攜帶或傳送到另一臺機床上,只需做少量的修改或無需修改。

       

          除了能夠解決不兼容的G代碼程序問題之外,矢量編程對某些后處理器問題的解決也是非常有效的。有了矢量輸入,執行一個零件的程序時,通常由后處理器執行的復雜數學問題,現在可以在CNC系統中進行處理。這意味著后處理器只具有一個應用基本數據格式約定的簡單翻譯器功能。此外,同樣的后處理器,現在可用于任意OKK機床上的程序。任何特定機床的旋轉軸指令,例如像基準復位指令,都可由儲存在單個控制系統內的宏指令進行處理。

        

          這聽起來像一個不錯的想法,但要將這個想法實現,需要一個團體的共同努力,這里將涉及到CAM軟件經銷商、CNC系統供應商、當地的機床經銷商和Desemco公司的技術人員。只有通過共同合作,才能夠使矢量編程成為一個成功的現實。

       

          Desemco公司的銷售主任Grant Salmon先生認為,他的車間是到目前為止的最大的受益者:“當我們將便攜式CNC技術向我們最大的航空航天客戶演示時,給他們留下了深刻的印象。他們看到了我們的五軸加工具有更大的靈活性和安全性。這給了他們更大的信心,清楚我們有能力處理復雜的工件,并能夠按時完成任務。”Salmon先生根據這一增強的五軸加工能力,也看到了其車間業務的發展潛力。Salmon先生表示:“我們還打算購置一臺更大的五軸龍門式機床。對于這樣的機床來說,具有矢量編程的功能是絕對需要的,只有這樣,機床才能適應車間靈活的加工策略。”


       
      圖2 OKK KCV1000型機床的旋轉軸主軸加工頭

       

           追根溯源

       

           Jimmy Wakeford先生是Barefoot CNC公司的總裁,是Mastercam公司的經銷商。通過與Watson先生的合作,他確信其編程部門的Mastercam五軸加工軟件可設置用于生成相應的矢量坐標,并使后處器具有發送為機床準備程序的能力。他還與Eric Dechant先生和Todd Horton先生密切合作,前者是FANUC FA美國公司地區辦事處負責機床生產率程序的地區經理;后者是Phillips公司Jeffreys Manufacturing Solutions分公司的亞特蘭大地區銷售工程師,該公司是該地區負責OKK系列產品的機床經銷商。他們一起解決有關某些機床參數可變設定值的各種細節問題和每臺機床上FANUC CNC系統所固有的運動極限問題。

       

          2012年1月,Desemco公司將矢量編程完全融入到其操作之中。五軸加工機床操作員將已完成的CNC程序,從該車間網絡的文件服務器上下載到矢量格式之中,現在這種做法已成他們的常規工作。一個程序需要在車間編輯的情況非常罕見,他可以改變代碼,重新運行一個零件,然后將改變的程序返回給服務器。由于同樣的程序可以在任何一臺OKK機床上使用,將工件從一臺機床轉移到另一臺機床,無需編程部門的幫助。

       

          CNC系統中的應用技術

          Dechant先生說,矢量編程的主要應用技術在于CNC系統。早在2000年的時候,FANUC公司就開始提供了支持某種格式的矢量編程。他解釋說,隨著越來越多的廠商采用五軸加工技術,制造商開始引進新的機床設計與不同的主軸配置,人們對矢量編程的興趣也越來越大。最初,當FANUC公司推廣這一系列控制系統(FANUC系列30i/31i/32i-Model A CNC系統)時,將重點放在由該公司開發的先進功能上,以提高五軸加工的生產效率。矢量編程選項補充了其他的CNC功能,例如像自動工具中心點(TCP)的控制、刀具位置的控制(TPC)以及TCP的極微量調節和高速穩定性。所有這些功能都應用復雜的軟件程序來調節刀具的位置和方向,以達到更加順暢和更快的加工效果。

       

          在準備零件的五軸加工程序時,通過將通常為后處理器保留的轉換值和計算值合并在一起,矢量編程就可以更進一步。通常情況下,五軸CAM軟件可生成兩組相應的幾何坐標。X、Y和Z代表了3D空間中一系列的密集點,它幾乎接近刀尖與工件表面之間的整個行程。而I、J和K坐標則代表在給定長度上的刀具另一端行程。X、Y、Z和I、J、K坐標一起構成了確定刀具位置和方向的矢量值。

         

           在過去,后處理器的工作是從CAM系統(通常是CL數據或類似的格式)中獲取數據,然后將其轉換成可以在某一特定機床上使用的代碼。除了特定機床上的刀具長度、直徑、樞軸長度、零件位置和任何機械誤差之外,該后處理器還將處理線性軸和旋轉軸位置所需的所有計算值。程序是為“特定機床”設計的,這些變量中的任何變化需要返回到編程部門重新做起。

       

          有了今天的CNC系統的先進功能,這種情況將不會再次發生。矢量編程將后處理器的某些關鍵功能轉移到了CNC系統。這使得來自CAM系統的X、Y、Z坐標和I、J、K坐標能夠作為一個CNC的數控程序輸入方式進行輸入。因為該輸入基于零件幾何形狀的基礎之上,而不是機床的幾何形狀,因而仍然保留著其便攜性特點。

        

          還必須了解的是,矢量編程在FANUC 300iS-A控制系統上以及在OKK機床的310iS-A5控制系統上是非常有效的,因為它集中了有關刀具的控制功能。Dechant先生說:“它們作為一個工具包一起工作,以提高五軸加工的生產成果。”


      眾多的優點

       

           Salmon先生說,矢量編程對Desemco公司產生了眾多的戰術和戰略價值。反過來說,該車間的成功,對參與該項目的供應商也產生了一個積極的漣漪效應。

       

          提供一個相對比較簡單的后處理器,針對OKK五軸機床中的其中一臺機床,用FANUC控制系統準備CNC程序。還希望相同的后處理器能夠用于配有該車間可能購置類似控制系統的其他五軸加工機床上。這個后處理器的更新,將確保所有目前的五軸編程與最新技術保持與時俱進。采用流水線作業排除故障,后處理時間大大縮短。這有利于編程部門節約更多的時間,以便在CNC發放給車間使用前,進行徹底的驗證和優化。Salmon先生說,這一點是非常重要的,因為Desemco公司已成為 CGTech公司Vericut模擬和優化軟件的一個廣泛用戶。

       

          因為比較簡單的后處理器可以進行徹底的測試和調試,并可獲得一致性更好和更有預見性的加工效果,質量問題大大減少。同樣,在CNC中執行的后處理器功能是不會變化的。一旦將最優值和最佳設置值輸入到機床以后,其后處理的結果將始終是相同的。Salmon先生報告說,這對改善加工時間的作用雖然微不足道,但卻具有實質性意義,由于程序的優化,這將有利于超越和加速加工周期時間。

       

          Salmon先生確信,由于采用矢量編程,五軸的運動越流暢就越能提高表面質量,但他也承認,這一點還未能予以驗證。矢量編程是采用一個市場的微分器進行區別的,Desemco公司已成為該項技術的領頭羊??蛻舻男判脑诓粩嘣黾?,因為該車間承擔的工作任務并不是依賴任何一個主軸的實用性。該車間對安裝一臺更大型化五軸龍門銑床的計劃具有更大的信心,因為后處理器發生延誤或困難的情況似乎是不可能的。作為一種生產資源,這臺機床的靈活性將得到保證。

         

          一個全球性的大轉移

       

          Dechant先生認為Desemco公司將不是唯一的案例,以矢量格式作為CNC的輸入使用程序的概念并不是其專有的方式,FANUC公司提供這種能力作為五軸機床用戶的一個選項并不是獨此一家。“然而,采用配有這種先進技術的CNC系統只是走出了第一步。”他解釋說,“為了達到實施它的目的,必須掌握CNC系統背后的專業知識,這是至關重要的。”Dechant先生建議所有的五軸加工車間更密切地注意這一情況。

       

           同樣,Salmon先生渴望更廣泛地推廣使用這種技術。“我們大家從這個國家航空航天供應商的強大基礎上獲益匪淺。對我們來說,尤其重要的是,矢量編程使我們的重點集中在加強從設計到生產的無縫連接的工作能力之上。”他說。 

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