数控机床自动编程技术中尺寸公差的技术研究

　1 CAD/CAM概述
　　CAD/CAM是计算机辅助设计/计算机辅助制造（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacture）的简称，是当今世界上发展最快的技术之一。CAD/CAM软件的应用使数控加工技术发生了革命性的变革，加工范围和效益发生了最直接、最明显的变化。加工对象的形状越复杂，加工精度越高，设计更改越频繁，数控加工的优越性体现的明显，因此在数控机床加工技术中受到高度重视和广泛的应用。使用CAD/CAM系统软件最大的特点是：在机械产品的设计生产准备工作中，该系统提供了比较灵活的用户界面，可以进行复杂的三维零件实体造型、曲面造型、复杂装配、提供完整的模型和绘图的双向联结、生成工程图，工程绘图、机械产品设计、工艺规划设计、全面的数控加工程序自动生成，各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理等功能。它帮助工程师以极高的效率，在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品研发全过程。
　　CAD/CAM系统计算机辅助设计/计算机辅助制造的基本过程是：第一步：利用CAD/CAM计算机辅助设计软件设计二维视图即工程绘图；第二步：由二维视图生成三维实体模型或依据二维视图直接进行三维实体造型；第三步：由三维实体模型生成加工路径；第四步：生成加工程序；第五步：计算机仿真模拟加工、仿真分析测试；第六步：在计算机的控制下，利用计算机辅助制造软件按照生成的加工路径和加工程序在数控机床上完成机械零件的切削加工。
　　2 分析CAD/CAM系统自动编程软件中尺寸公差对加工精度的影响
　　不论是国内的还是国外的CAD/CAM软件，分析发现菜单中的尺寸录入窗口输入尺寸时，仅有尺寸和公差或只有尺寸，没有极限偏也没有极限尺寸。
　　在产品设计中必须保证基本尺寸和极限偏差是已知的，才能保证切削加工质量合格。在尺寸公差带图中，公差带的零线在基本尺寸的中央，切削加工时刀具的刀尖点是沿着基本尺寸的轮廓线运行的。只有当尺寸公差带的上偏差和下偏差分别处于尺寸公差带图零线的两侧，而且到零线的距离相等，才能保证加工的零件是合格的，否则只能在精加工时通过刀具偏置量补偿的办法才能加工出合格的零件。如果遇到多公差带零件，这种加工方法就很难保证加工质量了。
　　在CAD/CAM系统软件中，以Unigraphics（UG）为代表的自动编程软件在录入菜单中只有尺寸和公差的录入窗口，没有极限偏差也没有极限尺寸的录入窗口，录入尺寸时通常输入的是基本尺寸。按照我国国家标准，这样的已知条件很难保证加工质量的。在其它自动编程软件录入菜单中也只有尺寸录入窗口，通常输入的也是基本尺寸，就更没办法保证加工质量了。
　其根本原因在于由三面投影视图构成的二维视图转换成三维实体模型，或由三维实体模型生成二维视图时，各部位的尺寸都是基本尺寸，没有考虑极限尺寸或极限偏差；通过软件自动生成加工路径和加工程序时就不能自动生成极限尺寸或极限偏差。机械加工过程中刀具就会沿着基本尺寸轮廓线运行。如果遇到基本偏差均大于零或小于零时，加工出来的尺寸就会不合格。否则只能在精加工时通过刀具偏置量补偿的办法调整偏差，使刀尖点在最大极限尺寸和最小极限尺寸之间运行，才能保证加工出来的尺寸是合格的。但是这样加工精度低效率更低。如果遇到加工由二次曲线或函数图像构成的轮廓线时，由于零件表面呈流线型的。在由二维视图转换成三维实体模型，或由三维实体模型生成二维视图时，录入的尺寸是基本尺寸，则生成的加工路径和加工程序就会以基本尺寸为节点坐标。机床在加工过程中就不会考虑极限偏差，而且加工过程中也没办法直接对工件进行准确的测量，也就没办法进行准确的刀具偏置量补偿了。零件的加工精度不能进行准确的控制，加工质量就不能得到保证了。
　　经过研究发现，Unigraphics（UG）自动编程软件录入菜单中的尺寸录入窗口输入的尺寸应该是平均尺寸，公差应该是平均公差，其它自动编程软件录入菜单中的尺寸录入窗口输入的尺寸也应该是平均尺寸。
　　这样，在由三面投影视图构成的二维视图转换成三维实体模型，或由三维实体模型生成二维视图时，各部位的尺寸都用平均尺寸代替基本尺寸，用平均偏差代替基本偏差。在平均尺寸公差带图中，上偏差和下偏差均匀分布在平均尺寸公差带图零线的两侧即零线正好在平均尺寸公差带的中央；平均尺寸介于最大极限尺寸和最小极限尺寸之间，是最大极限尺寸和最小极限尺寸之和的平均值；平均偏差是极限偏差的上偏差与下偏差之和的平均值。由三维实体模型生成的加工路径就在平均尺寸轮廓线范围内；生成的加工程序就会沿着平均尺寸轮廓线，精加工时刀具就会沿着平均尺寸轮廓线运行，加工误差的最大值等于尺寸公差。这样就保证了加工质量，确保加工误差最小，不需要通过刀具偏置量补偿，加工后的尺寸就是合格的。
　　3.4 在自动编程软件中的应用
　　在模具制造业中，如轿车、舰船、飞行器、特别是隐形飞机（隐形飞机是通过具有隐形特点的外形设计，利用能够屏蔽电磁波的隐形材料进行板料冲压制造成型，表面喷涂能够吸收电磁波的具有纳米等级的隐形涂料使飞机达到隐形的特点。）常遇到流线型曲面的加工，而流线型曲面的实体造型是由二次曲线、函数图像旋转或平移生成的。
　　CAD/CAM自动编程软件编程过程中，由椭圆、双曲线和抛物线等二次曲线或三角函数、指数函数、对数函数等函数曲线构成的轮廓线，不论是由二维视图转换成三维实体模型还是由三维实体模型生成二维视图，由于零件表面呈流线型的，录入的尺寸采用均尺寸，则由三维实体模型生成的加工路径就在由平均尺寸的函数值构成的流线型轮廓线范围内；生成的加工程序就会以平均尺寸的函数值为节点的坐标，程序的路径就在以平均尺寸的函数值为流线型轮廓线上。机床在加工过程中刀具的刀尖点就会沿着由平均尺寸的函数值构成的流线型的曲线轮廓线运行，精加工时不需要进行刀具偏置量补偿，精加工后零件的轮廓线精度就能符合二次曲线的流线型轮廓的要求，加工的轮廓线就是合格的。确保加工误差最小，加工误差的最大值为尺寸公差，而且加工精度高效率也高，容易实现机械加工自动化。
　　参考文献
　　[1] 原北京第一通用机械厂.机械工人切削手册[M].北京：机械工业出版社，2009.
　　[2] 王尚银，孙睿霞.数控机床编程技术中提高尺寸精度的研究[J].湖北武汉：科协论坛，2010（9）.