摘要：本文簡略介紹了通用典型CAD\CAM平台在進行數控銑削加工編程時，其三軸刀具軌跡設計、五軸刀具矢量控制及其軌跡設計、后處理程序開發等方面的對比應用，並以實例的形式進行說明，希望能為讀者利用不同的CAM軟體平台進行數控編程時提供參考借鑒作用。
關鍵詞：數控銑削編程，CAD\CAM
前言:
數控加工作為機械製造業中先進生產力的代表，經過十餘年的引進與發展，已經在汽車、航空、航天、模具等行業發揮了巨大的作用。它推動了企業的技術進步和經濟效益的增長。但是由於多方面原因，國內不同行業在應用數控加工方面表現的差距較大。一方面由於機床刀具軟硬體配置等方面的原因，尤其是多坐標控制聯動的高速銑削機床，進口設備由於其成本很高，企業不得不考慮其投資效益問題。另一方面多坐標聯動高速銑削的CAM軟體選型、應用編程與開發方面，需要一個長時期的技術積累才能趕上國外先進水平，尤其是對於人員的技術水平要求較高的CAM軟體應用編程開發方面表現更為明顯。
用於數控銑削加工編程的CAM軟體平台較多，比較常用的UGNX、CATIA、Pro/E、Mastercam、Cimatron、Surfcam、Powermill等，這些CAM軟體平台在不同企業數控銑削編程方面發揮了很大的作用，雖然各自應用流程略有差別，但各系統提供的基本數控編程功能都比較相似。但是企業產品對象不同，使得對CAM平台的選型和應用方面的要求有所不同。數控三軸銑削編程上都能滿足企業的要求，但在五軸銑削編程，刀具軸矢量控制與后處理程序開發等方面還是存在較大差別的，尤其是五軸機床的加工編程與后處理程序開發表現更為突出。本文就通用的CAD\CAM軟體平台為環境，以幾個具體的產品對象的數控銑削加工編程應用實例，簡要介紹它們在進行數控三軸銑削、五坐標聯動加工編程、后處理開發模式、機床模擬加工模擬介面方面的實例應用。希望對讀者有所借鑒作用。
一、三軸銑削刀具軌跡設計
現有典型CAM平台在進行數控銑削編程時，其流程基本相同，主要涉及加工對象定義、刀具選擇、加工模式選擇、軌跡優化編輯修改控制、后處理與實體模擬等方面內容。典型CAM平台在三軸聯動數控銑削加工編程方面，都包括為粗加工、精加工、清根加工三種模式以及實體模擬模擬。在刀具軌跡的生成控制方式主要包括二維輪廓粗精加工、、深孔鑽削加工、平行或環形等高分層銑削、螺旋銑削、曲面流線、投影加工、曲面清根、放射加工等功能，在高速銑削加工方面一般都提供高速R圓角控制、變速處理、直線擬合、樣條插補等軌跡優化策略。利用典型的CAM平台在加工某薄壁空間曲面，其刀具軌跡示意圖如下圖1～3所示。從圖中可以看出，在粗加工方面，各CAM平台功能相當；但在清根處理上，UGNX、CATIA、CIMATRONE可進行多次清根處理；在實體模擬切削時，MASTERCAM、CATIA、CIMATRONE、SURFCAM等平台相對而言模擬速度較快。
二、五軸數控銑削刀具軌跡設計
在利用CAM平台進行五軸數控銑削刀具軌跡設計時，其核心內容主要包括刀具軸矢量控制、軌跡驅動方式、進退刀處理、五軸數控機床后處理與五坐標機床加工模擬模擬等方面的工作。由於五軸加工時產品的複雜性和刀具軸控制的靈活性和多樣性，導致五坐標聯動加工編程的難度和複雜性較大。一般CAM平台都提供五軸銑削數控編程功能，其主要包括（A）旋轉四軸：多用於帶旋轉工作台或配備繞X、Y軸的旋轉檯的的四軸加工；如MACH1600位Z軸旋轉的工作台主軸可立卧轉換，可對外圓上的槽或型腔進行加工；（B）五軸底刃銑削：用於銑刀的底刃對空間曲面進行加工，避免傳統球頭刀的加工，此時需要對刀軸矢量進行合理的控制設計；（C）側刃五軸：利用銑刀的側刃對空間的曲面進行加工，避免球頭刀的R切削，能大幅度提高曲面粗精加工的效率；（D）五軸順序銑削與五面體加工：多用於銑削工步內容比較多的多面體加工，如立卧轉換五面體加工中心可一次加工產品上的五個面或內外腔的場合，多用於工序的複合化加工；（E）曲線五軸：對空間的曲面曲線進行五軸曲線加工；（F）五軸鑽孔：對空間的孔進行鑽孔加工，多用於孔的位置不再三個基準平面上比較特殊的場合，如圓錐面上的孔或產品上孔位的軸線方向變化的場合。
空間曲面五軸加工涉及的內容比較多，尤其是五軸加工時更明顯。進行五軸加工時涉及加工導動曲面、干涉面、軌跡限制區域、進退刀及刀軸矢量控制等關鍵技術。四軸五軸加工的基礎是理解刀具軸的矢量變化。四軸五軸加工的關鍵技術之一是刀具軸的矢量（刀具軸的軸線矢量）在空間是如何發生變化的，而刀具軸的矢量變化是通過擺動工作台或主軸的擺動來實現的。對於矢量不發生變化的固定軸銑削場合，一般用三軸銑削即可加工出產品，五軸加工關鍵就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機床原始坐標系構成空間某個角度，利用銑刀的側刃或底刃切削加工來完成。刀具軸的矢量變化控制一般有固定矢量、曲面法線、固定點、直線導動、直紋面導動、刀具軌跡投影、點位與任意矢量連續插補等方式。
典型CAM平台在對某變錐度零件數控銑削加工編程時，各平台環境下的刀具軌跡示意圖如下圖4～7所示。從圖中可以看出，現有的CAM平台一般能滿足該產品五坐標銑削加工編程的需要。但是從用戶的使用經驗上講，UnigraphicsNX平台在刀具軸矢量控制方面表現得更加靈活，尤其是其提供的插補刀具軸矢量控制和順序銑削編程功能能夠使得用戶很輕鬆得完成所期望的五坐標聯動銑削刀具軌跡目標。
三、后處理程序開發模式
五坐標數控銑削加工編程的后處理程序開發的主要內容包括：①演算法處理：主要針對多坐標加工時的坐標變換、跨象限處理、進給速度控制。②數控系統控制指令的輸出：主要包括機床種類及機床配置、機床的定位、插補、主軸、進給、暫停、冷卻、刀具補償、固定循環、程序頭尾輸出等方面的控制。③格式轉換：數據類型轉換與圓整、字元串處理等：主要針對數控系統的輸出格式如單位、輸出地址字元等方面的控制。
五軸數控機床的配置形式多樣，典型配置有繞X軸和Y軸旋轉的兩個擺動工作台，其二為主軸繞X軸或Y軸擺動，另外的工作台則相應繞Y軸或X軸擺動來構造空間的五軸聯動加工。對於主軸不擺動的五軸數控機床，其擺動軸存在主次依賴關係，即主擺動軸（Primary
Table）的運動影響次擺動軸（Secondary
Table）的空間位置，而次擺動軸的運動則不影響主擺動軸的空間位置狀態。用於對典型的五軸機床運動方式進行配置，可對工作台雙擺動、主軸頭雙擺動、主軸擺動及工作台擺動、工作台複合擺動（迴轉）、主軸複合擺動（迴轉）等典型五軸機床進行設置。主軸迴轉或擺動對應於相應機床，其所處於主動軸或從動軸的形式。在確定機床運動類型以後，其旋轉軸矢量平面和旋轉中心等設置是非常重要的，：用於設置主動軸及次動旋轉軸矢量方向，設置主軸或工作台複合擺動軸矢量方向。旋轉軸中心、偏心設置及刀具軸輸出設置。如下所示為在Mastercam平台下的五軸機床類型設置。
#Machine rotary routine settings
mtype : 0 #Machine type (Define base and rotation plane below)
#0 = Table/Table
#1 = Tilt Head/Table
#2 = Head/Head
#3 = Nutator Table/Table
#4 = Nutator Tilt Head/Table
#5 = Nutator Head/Head
head_is_sec : 1 #Set with mtype 1 and 4 to indicate head is on
secondary
現有的CAM平台提供的刀具路徑的文件包括標準的可編譯文件（如APT文件）和二進位文件. CATIA, UGNX,
Surfcam,PROE等CAM都支持這兩種格式,
MasterCam的NCI則是另外的文字格式檔案.后處理則各家大多有各自的后處理。典型CAM平台的后處理用戶界面如下圖8所示。除Mastercam採用文本方式以外，大部分CAM平台都提供自己的后處理用戶界面，操作設置比較方便，尤其是可用於多CAM平台和異構數控系統，如Imspost后處理包可支持幾乎所有的通用CAM平台和流行的數控系統。后處理程序的開發編輯模式各不相同，其UnigraphicsNX
採用UGPostBuilder，採用基於TCL語言的二次開發功能完成用戶開發；Mastercam提供基於GENERIC
FANUC系統通用五軸銑削后處理文件，用戶需根據具體機床對其進行編輯修改，達到最終的使用要求。其中 CimatronE、
Catia可採用ImsPost進行后處理開發；Spost/Gpost則採用宏程序方式用於Surfcam 、Pro/Engineer 平台。
四、機床加工模擬模擬介面
美國CGTech的產品VERICUT，它可用來在編程階段校驗加工程序的準確性，能夠讓編程人員對NC加工環境進行模擬。應用VERICUT，可對包括工裝夾具在內的整個機床建模，它的易修改的控制程序庫使得NC程序在模擬環境中的運行，完全模擬了在機床上的運行。一些CAM系統本身具備校驗功能，內部校驗檢查的是內部的CAD/CAM數據，它們在上機床執行前往往已被轉換多次了。外部校驗系統則不僅能檢查內部CAM文件，還能夠校驗G代碼。NC校驗軟體能夠校驗不同CAM系統生成的程序，用同樣的手段校驗所有的NC程序，使編程人員能夠對所用的各種CAM系統得到穩定的可靠的結果。NC校驗軟體能夠減少甚至省略在機床上進行人工的修正，這不僅節省了編程時間，更能使機床被解放出來完全用於加工產品。校驗程序還可使返工、加工出廢品和損壞加工刀具的可能性降到最低。
Vericut提供了許多功能，其中有對毛坯尺寸、位置和方位的完全圖形顯示，可模擬2~5軸聯動數控加工。現有的CAM平台都提供與Vericut的嵌入式介面或轉換功能。如下圖所示分別為UGNX、CATIA、Mastercam等平台與Vericut之間的轉換設置，且它們可直接與Vericut進行嵌入式鏈接模擬，如Pro/Engineer、UGNX、CATIA、Mastercam平台等。其中UGII/Vericut
切削模擬模塊是集成在UGII軟體中的第三方模塊，它採用人機交互方式模擬、檢驗和顯示NC加工程序，是一種方便的驗證數控程序的方法。由於省去了試切樣件，可節省機床調試時間，減少刀具磨損和機床清理工作。通過定義被切零件的毛坯形狀，調用NC刀位文件數據，就可檢驗由NC生成的刀具路徑的正確性。UGII/Vericut可以顯示出加工后並著色的零件模型，用戶可以容易的檢查出不正確的加工情況。如圖9為UGNX、CATIA、Mastercam與Vericut的數據轉換介面設置，圖10為基於Vericut環境的機床加工模擬模擬，能幫助用戶大幅度提高五坐標加工編程的效率和質量。
五、小結
典型CAM平台用於數控銑削加工編程時，各平台的基本功能都差不多。在細節控制上，UG更靈活，對於高速切削加工，應採用螺旋銑削加工，或者是在轉角處配置圓弧過渡
都在一定程度上支持高速加工；在支持變速切削的功能上，高速加工轉角處的降速處理上，UG和CiamtronE相對好一些，CimatronE支持變速切削，Mastercam只有一次降速功能；在根部清根上的處理，UG和CiamtronE相對好一些，可實現多次清根；五軸銑削刀具軸矢量控制方式上，UGNX非常靈活，其它平台基本都能滿足使用要求，主要依賴於用戶的靈活應用開發上；后處理程序開發上UGII/PostBuilder靈活，Mastercam採用文本形式，而CimatronE與Catia均可採用支持異構數控系統與CAM平台數控程序轉換的Imspost進行后處理，Surfcam與Proe可採用同一后處理NCpost或Gpost；與Vericut軟體之間的介面關係，模擬加工上，各平台均可鏈接；參數化驅動方面UGNX、Catia、Pro/Engineer等均支持參數化刀具軌跡編輯修改，相對其數控編程模板與參數化功能更強大一些。
