0 引言

　　電火花雕刻加工是一種成型加工技術(shù)。它是借鑒數(shù)控銑削加工方式，利用簡(jiǎn)單電極在數(shù)控系統(tǒng)控制下，按照一定軌跡運(yùn)動(dòng)，通過(guò)簡(jiǎn)單電極與工件之間在不同相對(duì)位置的放電加工出所需工件形狀。由于電火花加工靠放電時(shí)的電熱和非接觸加工的特點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用到硬脆材料的加工。由于加工過(guò)程中電極的損耗，其編程的加工工藝不完全同于一般的數(shù)控銑床，同時(shí)，數(shù)控電火花雕刻加工的數(shù)控編程也制約著機(jī)床的使用效率和加工效率。

1 系統(tǒng)的整體規(guī)劃

　　本系統(tǒng)以Win2000作為操作系統(tǒng)，以VC6．0作為開(kāi)發(fā)工具，在仿真部分采用了OpenGL技術(shù)。系統(tǒng)在取得零件的加工信息后，經(jīng)過(guò)工藝分析，選擇刀具、確定工步和切削用量，最后生成NC代碼文件，并對(duì)該代碼進(jìn)行仿真加工，以驗(yàn)證其正確性。因此本系統(tǒng)由輸入模塊、前置處理模塊、后置處理模塊和仿真加工模塊四部分組成。系統(tǒng)流程如圖1所示。換文件，是ASCⅡ碼文件，既可以存儲(chǔ)二維圖形數(shù)據(jù)也可以存儲(chǔ)三維圖形數(shù)據(jù)，并且格式簡(jiǎn)單，讀取操作較為方便，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用于不同圖形系統(tǒng)之間的接口。本系統(tǒng)處理的DXF文件是按照版本號(hào)為R14文件標(biāo)準(zhǔn)格式處理，文件中共有六個(gè)段組成，即標(biāo)題段(HEADER)、類段(classes)、表格段(table)、塊段(blocks)、實(shí)體段(entities)和對(duì)象段(objects)，每一段都以SECTION標(biāo)志開(kāi)始，以ENDSEC標(biāo)志結(jié)尾，文件尾有結(jié)束標(biāo)志EOF。文件中的圖元主要有POINT，LINE，CIRCLE，ARC，SPLINE，SOUD，POLYLINE和3DFACE，3DSOLID，3DLINE等，這些圖元都出現(xiàn)在BLOCKS段和ENTITIES段區(qū)域中。由于電火花銑削加工主要加工平面和各種形狀的曲面，因此，零件使用三維實(shí)體造型，主要處理三維實(shí)體。

3 前置處理

　　前置處理主要是獲取加工軌跡的過(guò)程，為后置處理生成NC加工程序提供必要的刀位數(shù)據(jù)。其主要任務(wù)有：1)DXF的數(shù)據(jù)冗余處理；2)根據(jù)加工的精度要求對(duì)提取的圖形信息重新組織圖形數(shù)據(jù)；3)根據(jù)電火花加工工藝選擇確定加工路徑，并最終產(chǎn)生刀具軌跡。

　　3.1 DXF的數(shù)據(jù)冗余處理

CAD模型中采用表面離散化處理來(lái)近似原來(lái)的曲面或雕刻面，所以在DXF文件中大量的三角形或四邊形圖元就是CAD實(shí)體模型表面離散化后所得到的所有圖元的集合。在形成DXF文件時(shí)，組成網(wǎng)格的每個(gè)三角形面片或四邊形面片的所有頂點(diǎn)都要被記錄，因此每個(gè)頂點(diǎn)都要被多次記錄在不同的面片中，因此文件的數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象非常嚴(yán)重，所以要對(duì)DXF文件中數(shù)據(jù)冗余進(jìn)行處理，去除重復(fù)記錄的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。方法是把所有頂點(diǎn)都存儲(chǔ)在數(shù)組中，每次讀取頂點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，都進(jìn)行查找比較，在每個(gè)面片的數(shù)據(jù)區(qū)中，只存儲(chǔ)頂點(diǎn)所在數(shù)組中的位置。

　　3.2 分層截面模型的建立和重構(gòu)

　　電火花雕刻加工采用分層去除的加工方法，所以首先建立分層的截面模型。型腔分層截面由具有封閉邊界的一個(gè)或多個(gè)平面圖形構(gòu)成，因此邊界數(shù)據(jù)的求取是建立截面模型的關(guān)鍵，也是進(jìn)行刀位計(jì)算的基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)體的表面的離散化處理，可以把分層截面與實(shí)體表面的求交簡(jiǎn)化為平面與平面的求交，然后對(duì)每層交點(diǎn)按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，就可以獲得分層截面邊界模型。

　　CAD模型的實(shí)體表面三角化處理時(shí)，各小面片是連續(xù)分布的。在取得每層所有的交點(diǎn)之后還要對(duì)交點(diǎn)進(jìn)行重構(gòu)處理，方法如下：由于每個(gè)交點(diǎn)至少屬于兩個(gè)平面，交點(diǎn)b同時(shí)屬于A、B平面，c點(diǎn)同時(shí)屬于曰、c平面，所以相鄰的兩個(gè)交點(diǎn)必同時(shí)屬于一個(gè)共同的平面，所以在計(jì)算交點(diǎn)時(shí)同時(shí)還要存儲(chǔ)交點(diǎn)所屬的平面，已備重構(gòu)使用。對(duì)于交點(diǎn)正好是多個(gè)小面片的共有的頂點(diǎn)時(shí)，要做特殊標(biāo)記并同時(shí)記錄下此頂點(diǎn)所在的所有平面，并用上述方法處理。

3.3 編程的誤差控制和過(guò)切控制

　　按重構(gòu)原則處理過(guò)的交點(diǎn)已經(jīng)構(gòu)成了分層截面的模型，但是還要進(jìn)一步處理，在加工內(nèi)輪廓時(shí)，則需要向里偏移一個(gè)電極半徑R和側(cè)面放電間隙ce，如圖4所示，口6cd為內(nèi)邊界點(diǎn)，e=R+ce為偏移量，曲與6c的夾角為a，be與以的夾角為口，如果弦長(zhǎng)6c很小，而偏移量e又比較大時(shí)，就會(huì)發(fā)生圖示的情況，導(dǎo)致產(chǎn)生的刀具路徑錯(cuò)誤發(fā)生過(guò)切，從圖中的關(guān)系可以確定產(chǎn)生這種情況的最小弦長(zhǎng)

　　當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，首先要選用合適的電極半徑，但是電極半徑減小會(huì)導(dǎo)致加工效率的降低，其次采用三次樣條插值為弦abe構(gòu)造一條曲線，代替真實(shí)的曲線，在曲線的曲段重新選取b：點(diǎn)代替b點(diǎn)重新計(jì)算，以此方法可以消除這種情況。

　　由于本系統(tǒng)采用若干直線段逼近給定曲線，會(huì)產(chǎn)生逼近誤差，為了保證加工精度要求，使逼近誤差小于或等于編程允許誤差，考慮到工藝要求及計(jì)算誤差的影響，一般取零件公差的1／5～1／10。這里可以用構(gòu)造的三次樣條曲線，計(jì)算每條直線段的誤差，可以采用等誤差或等步長(zhǎng)的方法，重新用直線替代該曲線，直到滿足加工允許的誤差要求。

3.4 電火花加工工藝和運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

　　為了簡(jiǎn)化電火花雕刻過(guò)程中的電極損耗補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)電極的等損耗加工，采用電極端面放電方式，每一層的加工厚度小于放電間隙，把放電過(guò)程局限于電極底部。在基于電極底面放電的電機(jī)等損耗分層電火花雕刻加工中，如果沒(méi)有電極損耗的補(bǔ)償，則隨著掃描運(yùn)動(dòng)的積蓄，加工表面將由于電極長(zhǎng)度的減少而出現(xiàn)斜度，為減少加工誤差，采用相鄰的兩層面的加工用往復(fù)的運(yùn)動(dòng)方式，即下一次走到將沿原路徑返回。為減少加工表面的殘余高度保證加工精度，電極的運(yùn)動(dòng)軌跡保持一定的重疊率，并采用橫向和縱向結(jié)合的方式減少加工輪廓側(cè)壁的加工痕跡。為了保證加工的精度和效率，分別采用粗加工和精加工，設(shè)置相應(yīng)的加工工藝參數(shù)。

4 后置處理

　　在生成數(shù)控代碼時(shí)，要根據(jù)主軸運(yùn)動(dòng)的設(shè)定情況進(jìn)行主軸的運(yùn)動(dòng)控制，包括主軸啟停與進(jìn)給速度指令的控制。根據(jù)前置模塊生成的刀具軌跡文件可以很容易轉(zhuǎn)換為數(shù)控加工NC代碼文件，這里采用的RS-274數(shù)控代碼文件標(biāo)準(zhǔn)，基本操作利用功能處理模塊提供的參數(shù)，完成數(shù)控系統(tǒng)對(duì)相關(guān)走刀功能的指令描述，并輸出到NC數(shù)控文件。

　　4.1 形成數(shù)控代碼

　　使用行切法確定刀具軌跡，然后編寫數(shù)控代碼。常用的行切方式有兩種：往復(fù)走刀和單向走刀。這種行切方式要先設(shè)定一組水平或垂直平行線(平行線間距根據(jù)刀具半徑和刀具重疊率設(shè)定)，然后求出平形線與刀具補(bǔ)償后工件輪廓線的所有交點(diǎn)，并把這些交點(diǎn)按順序存放。以距離前一刀位點(diǎn)最近的一個(gè)交點(diǎn)為起點(diǎn)開(kāi)始排序刀位點(diǎn)，并沿著直線和輪廓線走完所有的交點(diǎn)；從直線終點(diǎn)所在的環(huán)上，按照路徑最短原則尋找下一個(gè)直線段的起點(diǎn)，并將這段路程也作為一段刀位軌跡。若環(huán)上的互交點(diǎn)都被訪問(wèn)過(guò)，則進(jìn)行跳刀，在另一個(gè)邊界環(huán)上繼續(xù)進(jìn)行，直到所有的邊界環(huán)都被訪問(wèn)過(guò)為止。這種算法可以最大限度地避免跳刀，對(duì)保證工件加工效率非常有利的。連接的方法最簡(jiǎn)單，只要將這些刀位點(diǎn)按照走刀方式排列順序連接起來(lái)即可，但是，由于跳刀和空程很多，加工效率低。

　　為利用往復(fù)式走刀進(jìn)行說(shuō)明刀具軌跡確定的方法。行切路徑和輪廓產(chǎn)生的交點(diǎn)a，b，c，d，e，f，g，h，i，j，k，l，m，n，r，p，f，s和u就是要求的刀位點(diǎn)，根據(jù)最小刀位行程和最少跳刀原則安排的刀具路徑為：abedhimlptusnrkjfgde。為了減少跳刀，把點(diǎn)c，d，f，g，j，k，n和r存入堆棧，等排序完最后一行刀位點(diǎn)s和u之后，再?gòu)亩褩Ｖ腥〕龃嫒氲狞c(diǎn)，安排刀具路徑，然后把刀位信息轉(zhuǎn)換為G代碼軌跡格式并且存人文件就可以得到數(shù)控代碼文件。需要說(shuō)明的是，電火花數(shù)控銑削加工程序中除了刀具運(yùn)動(dòng)軌跡代碼以外，還要附有加工條件代碼，如脈沖電源參數(shù)等，同時(shí)，還要嵌入可供隨時(shí)調(diào)用的抬刀程序代碼。

5 仿真加工和實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

　　利用電火花數(shù)控銑削加工自動(dòng)編程技術(shù)，編制的電火花銑削自動(dòng)編程系統(tǒng)基本解決了常用零件的銑削加工自動(dòng)編程問(wèn)題通過(guò)進(jìn)一步細(xì)化刀具損耗補(bǔ)償方法及完善工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，就可以滿足更高的電火花銑削加工自動(dòng)編程要求。