数控铣削加工宏程序与CAD/CAM软件生成程序的性能对比（二）

蕊颉小

　　这样任意曲面自然都能对付，而且也是完全合理的做法，但是在加工规则曲面如球面时，工艺上就出现了一些问题。由于CAD/CAM软件构造曲面的底层数学模型所限，也由于CAD/CAM软件对曲面生成刀路的逼近原理所限，在走事实上真正的整圆或圆弧时，软件无法智能地判断这里其实是“真正的整圆或圆弧”，生成的程序并不是G02/G03指令，而是G01逐点逼近形成的“圆”——可以想象为用正N边形去逼近一个圆，只不过这个N非常巨大而已。如果整圆或圆弧是座落在G18或G19平面内，更加没有机会生成G02/G03指令。这也正能解释为什么CAD/CAM软件生成的程序“天生”就庞大无比。程序执行时，相邻的每两个逼近点之间数控系统都要进行直线插补运算，系统的计算机工作量巨大，反映到机床上，必然表现为运动迟钝、不连贯。如下图所示，表面上看起来都是同样的半球，但是在CAD时其实是有多种不同的建模方法，图1是把ZX平面内的一段1/4圆弧作为母线，以Z轴为轴线旋转360º得出的半球曲面；图2是把XY平面内的一段1/2圆弧作为母线，以X轴为轴线旋转180º得出的半球曲面。即使是采用实体造型(如Pro/E、SolidWorks之类)，在其底层草图构造的数学机理上，也有类似的差别。
　　由此可以看出，两种情况下构成半球曲而的UV流线是截然不同的，各种CAD/CAM软件在生成半球曲面精加工的刀路时，也必然存在差别。简单地说，即使是被业界普遍认为是最杰出的数控编程软件之一的Cima-tron软件，也只有在极少数情况下(如下面的图1)，并以Surmill方式(类似与Mastercam中的曲面流线加工)加工，Cimatron软件才能判断出这里其实是“真正的整圆”，生成的刀路轨迹本身才是“真正的整圆”，后处理出来的程序才都足主要由G02/G03指令构成。如果使用srfpkt、3D_step等其他走刀方式，则绝对都是用G01逼近的结果。
- `( G, w1 O9 `  y" Z* H7 z　　再举另外一个很简单的例子，例如用铣刀以螺旋方式加工内圆孔，使用宏程序不仅程序非常短，区区20行都不到！而且机床实际运行时进给速度f= 2000mm/min都可以保持非常均匀、快速的螺旋运动；而在Cimatron软件中，即使通过使用外部用户功能user中的helicprf，虽然也可以生成相似的刀路，但是刀路是根据给定的误差值(通常给0.01)用G01逐段逼近的，程序字节数根本就是比宏程序大两个数量级，而且即使把整个程序都存人到机床的控制器中，机床实际运行时速度根本上不去，在F600以下还不明显，如果F值打到F1200左右，就可以看到机床在明显的“颤抖”。
　　对于数控系统支持NURBS曲线插补的高速机床来说，如果使用拥有高速加工功能的CAD/CAM软件来配合编程，当然没有太大的问题；但是对于绝大多数的数控系统来说始终都是问题。
' a' s8 O& ~3 r$ _: U9 i　　其实CAD/CAM软件厂商也不可能没有意识到这个问题，事实上，各个CAD/CAM软件也捉供了一些其他途径来对此加以改善，但都不是在根本上解决先天性的问题，而是在“后天”的环节上做文章。众所周知，CAD/CAM软件进行编程的原理是首先生成一个仅包含纯粹几何意义的刀位点文件(即刀路轨迹)，这个过程对于使用者来说往往是后台的、不透明的，例如Pro/E的CL文件(Cutter Location File)、UG的CLF文件、Mastercam的NCI文件，Cimatron的APT文件等，然后要经过一道非常重要的环节即后处理，才能生成真证的程序。
　　CAD/CAM软件所能做的，就是在不改变刀位点文件(即用G01直线逼近曲线的刀路轨迹)的前提下，在后处理上做文章。例如Mastercam软件后处理的环节中，允许使用者设定最小半径值和最大半径值来生成G02/G03指令，其实就是用G02/G03来逼近(准确地说应是“拟合”)相邻的若干段直线段，以达到减少程序字节，提高机床实际运行速度的目的。
　　而Cimatron软件也是采用相似的做法，即使用者不用通常使用的GPP后处理，而是用另外一个非常专业的后处理软件IMs，这是个第三方软件，可以外挂在众多的知名CAD/CAM软件上运行，使用者可以根据自己的需要度身订作，设置最适合自己的后处理选项，不过一般的软件用户很少拥有运行IMS软件的权限。笔者曾经在2002年专门针对Cimatron软件的GPP和IMS两种后处理进行研究，并在一家台资模具厂进行实际加工测试和评估，撰。写过一篇内部文章，结论是：改善较大，但不能从根本上解决。
. h# |/ O1 y, n, z( j; y2 k4 P' s　　在后处理上做文章有一个根本的弊端:它并没有改变、改良或优化刀路轨迹本身，只是增加了一个“二次逼近”的计算过程，必然会导致额外的误差积累，也不可能从根本上解决问题。
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