模切刀广泛应用在印刷包装行业。模切刀需要根据加工要求弯成各种形状,传统生产采用手工弯刀,目前广泛使用数控弯刀机进行模切刀的加工。由于模切刀的材质硬、弹性大,并且形状复杂,要求精度较高,而手工编程效率低。因此,实现弯刀机的数控自动编程是有必要的。
在ＡｕｔｏＣＡＤ中绘制加工图形,通过较少的人工交互,由ＡＲＸ程序读取其几何信息,根据试验确定的工件角度与模具转角之间的对应关系,利用插值法求出编程角度进行角度补偿,按照数控弯刀机加工工艺进行处理后,自动生成ＮＣ代码加工程序。
一、弯刀机工作机理
模切刀是高23 8ｍｍ、厚0 71ｍｍ的条状单刃刀片,常见规格为长1ｍ的直刀或100ｍ的盘刀,其平面图形等同于展开的加工件图形边界。数控弯刀机主要由数控系统、进给机构、旋转机构和弯刀嘴组成。弯刀嘴分为固定模和转动模。在模切刀加工过程中(如图1所示),进给机构将刀片送进弯刀嘴固定模,固定模紧紧握住刀片,旋转机构驱动转动模将刀片精确地折弯,这样反复工作,完成预定形状。模切刀镶嵌在母板(木质或塑质、金属等)上,即为模切板(如图2所示)。将模切板安装在专用设备上,可以实现大开张的包装印刷材料一次冲切成形。
二、模切刀折角
折角是模切刀折弯加工过程中的主要参数。转动模旋转的角度(以下称模具转角)与模切刀折角(以下称工件角度)不是线性关系,由于模切刀材料具有一定的弹性变形,数控编程角度(模具转角)与工件角度之间是不相等的,需要进行角度补偿。在编程之前,需要根据不同的模切刀材料做相应的试验,得出工件角度与模具转角之间的对应关系表1是试验得出的一组数据。在实际计算时,根据工件角度变化范围和试验确定的工件角度与模具转角之间的对应关系,利用插值法求出数控编程角。
三、系统软件设计
基于ＡｕｔｏＣＡＤ平台,系统设计的基本思路是:1)在ＡｕｔｏＣＡＤ中绘图,编辑成多义线。2)图形信息提取。3)求出端点总数,开始循环计算。4)求实体起点、终点、凸起,根据直线与圆弧、直线与直线、圆弧与圆弧、圆弧与直线的关系求出转角。5)根据圆弧、直线参数的不同进行加工角度补偿。6)代码转换。7)程序输出。系统框图如图3所示。
在ＡｕｔｏＣＡＤ环境中,与图形相关的几何信息包含在实体段中,实体段由若干个组构成,组包含组代码(实体类型)和组值(实体的大小、长度等)。为了保证图形准确,避免实体出现间隙或连接错位、顺序颠倒等现象,在ＡｕｔｏＣＡＤ中绘制图形后,使用ＰＥ命令将图形变成一条多义线(ＰＯＬＹＬＩＮＥ)。ＡｕｔｏＣＡＤＲ14以上版本的多义线实体信息如下:组码(0 “ＬＷＰＯＬＹＬＩＮＥ”)为多义线标识;组码(10160 159100 406)为端点坐标;组码(42 0 414214)为凸度,如果凸度等于零,则为直线;如果凸度大于零,则为圆弧。图4所示圆弧中,圆心角α、半径Ｒ、凸度μ之间的换算关系如式(1):
由于Ｐ1、Ｐ2、Ｐ点的坐标已知,起始角α1、终止角α2可由式(2)求出。
α1=ａｒｃｔａｎＰ1ｙ-ＰｙＰ1ｘ-Ｐｘ;α2=ａｒｃｔａｎＰ2ｙ-ＰｙＰ2ｘ-Ｐｘ…(2)
模切刀加工过程中的角度补偿是系统设计的关键。系统根据凸度值自动识别图形中的实体,然后根据直线与直线、直线与圆弧、圆弧与圆弧、圆弧与直线的相对关系求出工件角度。
如果当前实体是直线,直接送进该直线段的长度,根据工件角度自动查询表1得出模具转角,利用插值法求出相应的编程角。例如,当工件角度γ大于15 0°小于等于20 0°时,其编程角计算公式为:β=16 8+0 14(γ-15 0)。
如果当前实体是圆弧,则需考虑稍多。弯制圆弧模切刀,实质是将圆弧看作一个多边形的一部分(整圆为多边形),进行弯制,如图5所示。
为处理方便起见,通常将整圆看作25边形,计算出单步步长和单步角度。当然,边数越多,越平滑,反之,则可能出现明显的棱角。
系统根据式(1)和式(2)求出圆心角α、半径Ｒ、起始角α1、终止角α2,并根据半径Ｒ的大小进行相应的角度补偿。例如,当模切刀加工半径Ｒ大于5 5ｍｍ小于等于6 0ｍｍ时,根据试验数据,利用插值法,其编程角(工件角度)为β=16 9-0 2(Ｒ-5 5);系统根据模切刀材料特性和圆弧半径,给出圆弧默认加工步长 ｆＳｔｅｐ=2Ｒ/25 0,如果有特殊要求,可以人工输入步长进行干预。弯制圆弧所需次数=弧长/步长。
经过上述处理,结合数控系统的编程语言,便可生成相应的ＮＣ代码,写入打开的ＮＣ文件。
四、应用实例
在ＡｕｔｏＣＡＤ中绘制如图6所示准备加工的模切刀平面图形(等同于展开的加工件图形)。
在该图形中,既有直线与直线相连,又有直线与圆弧相连,又有圆弧与直线相连三种情况,系统根据多义线的起点和绘制的先后顺序自动确定加工起始点和加工方向。本系统生成的部分ＮＣ代码(ＦＡＧＯＲ系统)如下。
010Ｇ01 91Ｘ22.000
011Ｇ01 90Ｙ90.000
012Ｇ01 90Ｙ0.0
013Ｇ01 91Ｘ22.000
014Ｇ01 90Ｙ270.000
015Ｇ01 90Ｙ0.0
016Ｇ01 91Ｘ12.500
017Ｇ01 90Ｙ335.000
018Ｇ01 90Ｙ0.00
19Ｇ01 91Ｘ26.000
020Ｇ01 90Ｙ25.000
021Ｇ01 90Ｙ0.0
022Ｇ01 91Ｘ7.500
023Ｇ01 90Ｙ180.000
024Ｇ01 90Ｙ0.0
025Ｇ01 91Ｘ0.320
026Ｇ01 90Ｙ342.600
027Ｇ01 90Ｙ0.0
028Ｇ25Ｎ25 27.19
029Ｇ01 91Ｘ0.203
030Ｇ01 90Ｙ342.600
031Ｇ01 90Ｙ0.0
032Ｇ01 90Ｙ360.000
033Ｇ01 90Ｙ0.0
034Ｇ01 91Ｘ44.000
035Ｇ01 90Ｙ0.000
五、结语
本文基于ＡｕｔｏＣＡＤ平台,采用ＶｉｓｕａｌＣ++6 0作为开发工具,实现了弯刀机的数控自动编程,通过ＲＳ232接口与弯刀机数控系统的通讯,提高了编程精度和准确性。系统使用简便高效,具有极大的推广应用价值。
