数控电火花加工自动编程系统

0 引言

　　电火花雕刻加工是一种成型加工技术。它是借鉴数控铣削加工方式，利用简单电极在数控系统控制下，按照一定轨迹运动，通过简单电极与工件之间在不同相对位置的放电加工出所需工件形状。由于电火花加工靠放电时的电热和非接触加工的特点，已广泛地应用到硬脆材料的加工。由于加工过程中电极的损耗，其编程的加工工艺不完全同于一般的数控铣床，同时，数控电火花雕刻加工的数控编程也制约着机床的使用效率和加工效率。

1 系统的整体规划

　　本系统以Win2000作为操作系统，以VC6．0作为开发工具，在仿真部分采用了OpenGL技术。系统在取得零件的加工信息后，经过工艺分析，选择刀具、确定工步和切削用量，最后生成NC代码文件，并对该代码进行仿真加工，以验证其正确性。因此本系统由输入模块、前置处理模块、后置处理模块和仿真加工模块四部分组成。系统流程如图1所示。换文件，是ASCⅡ码文件，既可以存储二维图形数据也可以存储三维图形数据，并且格式简单，读取操作较为方便，在工业上广泛应用于不同图形系统之间的接口。本系统处理的DXF文件是按照版本号为R14文件标准格式处理，文件中共有六个段组成，即标题段(HEADER)、类段(classes)、表格段(table)、块段(blocks)、实体段(entities)和对象段(objects)，每一段都以SECTION标志开始，以ENDSEC标志结尾，文件尾有结束标志EOF。文件中的图元主要有POINT，LINE，CIRCLE，ARC，SPLINE，SOUD，POLYLINE和3DFACE，3DSOLID，3DLINE等，这些图元都出现在BLOCKS段和ENTITIES段区域中。由于电火花铣削加工主要加工平面和各种形状的曲面，因此，零件使用三维实体造型，主要处理三维实体，图2为读取DXF文件的流程图。

图1系统流程图 

图2读取DXF程序框图 

3 前置处理

　　前置处理主要是获取加工轨迹的过程，为后置处理生成NC加工程序提供必要的刀位数据。其主要任务有：1)DXF的数据冗余处理；2)根据加工的精度要求对提取的图形信息重新组织图形数据；3)根据电火花加工工艺选择确定加工路径，并最终产生刀具轨迹。

　　3.1 DXF的数据冗余处理

CAD模型中采用表面离散化处理来近似原来的曲面或雕刻面，所以在DXF文件中大量的三角形或四边形图元就是CAD实体模型表面离散化后所得到的所有图元的集合。在形成DXF文件时，组成网格的每个三角形面片或四边形面片的所有顶点都要被记录，因此每个顶点都要被多次记录在不同的面片中，因此文件的数据冗余现象非常严重，所以要对DXF文件中数据冗余进行处理，去除重复记录的顶点数据。方法是把所有顶点都存储在数组中，每次读取顶点数据时，都进行查找比较，在每个面片的数据区中，只存储顶点所在数组中的位置。

　　3.2 分层截面模型的建立和重构

　　电火花雕刻加工采用分层去除的加工方法，所以首先建立分层的截面模型。型腔分层截面由具有封闭边界的一个或多个平面图形构成，因此边界数据的求取是建立截面模型的关键，也是进行刀位计算的基础。通过实体的表面的离散化处理，可以把分层截面与实体表面的求交简化为平面与平面的求交，然后对每层交点按其拓扑结构进行重构，就可以获得分层截面边界模型。

　　CAD模型的实体表面三角化处理时，各小面片是连续分布的。在取得每层所有的交点之后还要对交点进行重构处理，方法如下：由于每个交点至少属于两个平面(图3)，交点b同时属于A、B平面，c点同时属于曰、c平面，所以相邻的两个交点必同时属于一个共同的平面，所以在计算交点时同时还要存储交点所属的平面，已备重构使用。对于交点正好是多个小面片的共有的顶点时，要做特殊标记并同时记录下此顶点所在的所有平面，并用上述方法处理。

图3小面片与截面的交点 

3.3 编程的误差控制和过切控制

　　按重构原则处理过的交点已经构成了分层截面的模型，但是还要进一步处理，在加工内轮廓时，则需要向里偏移一个电极半径R和侧面放电间隙ce，如图4所示，口6cd为内边界点，e=R+ce为偏移量，曲与6c的夹角为a，be与以的夹角为口，如果弦长6c很小，而偏移量e又比较大时，就会发生图示的情况，导致产生的刀具路径错误发生过切，从图中的关系可以确定产生这种情况的最小弦长

　　当发生这种情况时，首先要选用合适的电极半径，但是电极半径减小会导致加工效率的降低，其次采用三次样条插值为弦abe构造一条曲线，代替真实的曲线，在曲线的曲段重新选取b：点代替b点重新计算，以此方法可以消除这种情况。

　　由于本系统采用若干直线段逼近给定曲线，会产生逼近误差，如图4所示的艿值，为了保证加工精度要求，使逼近误差小于或等于编程允许误差，考虑到工艺要求及计算误差的影响，一般取零件公差的1／5～1／10。这里可以用构造的三次样条曲线，计算每条直线段的误差，可以采用等误差或等步长的方法，重新用直线替代该曲线，直到满足加工允许的误差要求。

图4弦长太短发生交叉

3.4 电火花加工工艺和运动轨迹规划

　　为了简化电火花雕刻过程中的电极损耗补偿策略，实现电极的等损耗加工，采用电极端面放电方式，每一层的加工厚度小于放电间隙，把放电过程局限于电极底部。在基于电极底面放电的电机等损耗分层电火花雕刻加工中，如果没有电极损耗的补偿，则随着扫描运动的积蓄，加工表面将由于电极长度的减少而出现斜度，为减少加工误差，采用相邻的两层面的加工用往复的运动方式，即下一次走到将沿原路径返回。为减少加工表面的残余高度保证加工精度，电极的运动轨迹保持一定的重叠率，并采用横向和纵向结合的方式减少加工轮廓侧壁的加工痕迹。为了保证加工的精度和效率，分别采用粗加工和精加工，设置相应的加工工艺参数。