三维CAD软件在CNC程序编制中的应用

【文章摘要】

采用三维CAD软件作为车间级CNC程序编制的辅助工具，可以提高编程效率和准确性，是精益生产的良好体现。

【关键词】

三维CAD软件；数控编程；精益生产；加工节点

0 前言

三维CAD软件诸如Solidworks、CATIA、UG、Pro/E等在产品的设计中已经发挥着愈来愈多的作用，CNC程序的编制也愈来愈依赖于这些软件。

在CNC程序的编制中，除三轴以上的加工需要自动编程以外，大量的二维平面加工仍然由操作人员现场手工编程，这样，零件加工节点的计算就成为编制数控程序的关键。加工节点计算的准确性和效率，直接影响着零件加工的正确性和效率。据笔者观察，对于一个中等复杂的零件和中等水平的操作者来说，操作者计算加工节点所花费的时间几乎与加工该零件的时间一样多，也就是说，数控机床等待数控程序的时间等于加工该零件的时间，这是绝对的muda（浪费资源而不产生价值的过程），是与现代化精益生产（Lean Product）不相容的东西。为了提高生产效率，节约成本，就必须消除这个muda。

使用三维CAD软件是快速得到零件加工节点、从而提高编程准确性和编程效率的重要途径，完全符合消除muda，精益生产的要求。

1 原理

使用三维CAD软件设计零件的一般过程是：草绘草图-做特征-自动生成工程图。对于使用三维CAD软件来说，使用第一个过程-草绘草图就够用了。其基本原理是：一旦草图完全定义（即尺寸约束和几何约束刚刚够用），则构成零件截面草图上的任何一点（包括圆心坐标等）都是解析的，任意两点之间的距离（包括角度尺寸等）也是解析的。

具体来讲，只要我们在选定的坐标系下做的草图一旦被完全定义，这时在绘图区选取某个图素（直线、圆弧等），其相应信息（起、终点坐标、圆心坐标、半径值等）便能够一览无余的显示出来。

使用三维CAD软件获取加工节点信息的优越性是显然的，它比传统的手工计算从效率上和准确性上来讲都是先进的。对于一个熟练的三维CAD软件操作者来说，初步估计，可以提高效率约5～6倍。

在电脑日益普及的今天，在加工现场配置低配置电脑并安装三维CAD软件，在经济上和技术上都是可行的。它对于提高加工水平和加工效率都具有重大意义。

2 方法案例

下面以图1所示案例来解释应用三维CAD软件Solidworks获取零件加工节点的方法。

首先，打开软件，新建一个零件文件，在【前视】基准面上建立一张草图。显然，尺寸110的左端点O作为编程坐标系（工件坐标系）原点对刀、编程、加工都比较方便，因此选择O点为编程坐标系原点。

利用直线、圆弧等工具做出零件轮廓，并按图标注尺寸（添加几何关系），直到绘图区所有线条均变为黑色，状态栏显示【完全定义】为止。如果有线条蓝色显示，且状态栏显示【欠定义】，则需要检查尺寸是否标的完全，几何约束是否够等等。草图以【完全定义】为好，既不要【欠定义】，也不要【过定义】（添加的尺寸或约束超出了需要）。

显然，对于该轮廓的加工，节点B、D、E的坐标一目了然，勿需赘言，麻烦的是直线BC与R30圆弧的切点C的坐标的计算。传统的典型计算方法是先写出BC的直线方程和R30圆弧的方程，二者联立求解，从而得到C点的x、y坐标，这既复杂，也很麻烦。

使用三维CAD软件可以轻易解决这个问题。

对于已经完全定义的草图图1，绘图区选择R30圆弧，屏幕左侧PropertyManager栏的下侧【参数】栏中显示了这段圆弧的所有信息：第一、二栏，圆心坐标；第三、四栏，D点坐标；第五、六栏，C点坐标；第七栏，半径值；第八栏，圆弧的圆心角值，=121.6040。

当然，也可以直接选取C点，从PropertyManager的【参数】栏中读出C点的坐标。

使用【注释】按钮，将C点坐标标注在草图（图2）上。同样，绘图区依次选择B、D、E点，从PropertyManager的【参数】栏中读出这些加工节点的坐标并标注在草图之上，以备编程时使用。草图可以以零件形式保存，并且下次使用时还可以象零件一样打开。图2也可以作为技术档案保存备用。

3 实做案例

图4所示是一个典型的H弯侧板零件。

该零件的特点是要保证内腔尺寸准确，而要保证这些内腔尺寸，计算内腔各加工节点的坐标成为加工成败的关键。

使用三维CAD软件，很容易就可以得到这些点的坐标。

显然，以口面对称轴的交点O作为工件坐标系原点（也是编程原点）是个好选择。首先简化图形，由于要保证内腔尺寸，所以，仅仅做内腔草图即可。

按照前述方法，作出完全定义的内腔草图如图5所示，绘图区依次选择A～I各点，即可从屏幕左侧的PropertyManager中获取这些加工节点的X、Y坐标值，从而可以很轻松的编制CNC程序。使用【注释】按钮，将各点的坐标值标注在草图上，最后的结果如图6所示。

4 特例

有时不仅需要获取节点坐标，还需要为检验人员提供一些检验尺寸，利用三维CAD软件也可以容易的获取需要的检验尺寸。

如图7所示，零件草图已经完全定义，也就是说，内腔所有加工节点完全解析，编写程序所需要的加工节点坐标均可获得。但是，检验人员需要I点到G点的水平距离、H点到G点的竖直距离以及直线IH、GH的长度，这时，我们可以标注这些距离、长度作为非驱动尺寸，从而获取检验所要求的检验数据。

具体的做法与草图标尺寸无异，只是在提示的对话框中均单击【确定】即可。这时，该尺寸被自动标注，并显示为灰色且以括弧括起来（非驱动尺寸），如图8所示。

5 结束语

使用三维CAD软件获取零件的加工节点以及一些需要的尺寸，不但简单、快捷，而且可靠、准确，可以作为车间级数控编程的常规手段。选取中端三维CAD软件，配置低配置电脑，对操作人员做简单培训，即可达到快速获取加工节点的目的，从而提高数控程序编制的效率和准确性。