國內(nèi)外數(shù)控工具磨削軟件的發(fā)展狀況

張洪軍 李建廣 張?zhí)煳?/p>

(①哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 151001;②齊齊哈爾大學機電工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161006)

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，對高精度復(fù)雜刃型刀具品種的數(shù)量需求越來越大，而這類復(fù)雜刃形高精度刀具，采用普通工具磨床和傳統(tǒng)工藝方法來制造是很難實現(xiàn)的，為了滿足這一要求，數(shù)控工具磨床得到了快速的發(fā)展。高精度、高剛度、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、效率高、軟件編程靈活、合適的功率和可視化效果一直都是刀具制造企業(yè)對數(shù)控工具磨床的追求，數(shù)控工具磨床必須配置用于磨削加工、工件測量、砂輪修整等軟件才能完成相應(yīng)操作，制造出高品質(zhì)的刀具［1－2］。所以刀具磨削軟件的發(fā)展必須滿足這些需求，否則只有機身沒有磨削軟件是不能滿足市場需求的，機床的軟件功能已成為判斷數(shù)控工具磨床先進性水平的主要標志之一［3－4］。

1 國內(nèi)外數(shù)控工具磨削軟件的發(fā)展現(xiàn)狀

國外CNC工具磨床配置的刀具磨削加工軟件可分為兩類:一類是由專業(yè)的刀具磨削軟件公司開發(fā)的軟件，如DECKEL公司為其采用PMAC型數(shù)控系統(tǒng)的工具磨床配置了瑞士MTS公司開發(fā)的tool－kit PROFESSIONAL，又如 Ewag、Star、Saacke 等公司為其制造的工具磨床配置了瑞士NUM公司開發(fā)的刀具磨削軟件NUMROTOplus;另一類是由工具磨床制造商自主開發(fā)的軟件，如ANCA公司的ToolRoom，WALTER公司的以“所見即所得”為宗旨開發(fā)的Helitronic Tool Studio，CUOGHI公司為OCTOPUS 100型數(shù)控工具磨床開發(fā)的OCTOSOFT等，這類磨削加工軟件中不但包含了工具磨床制造商(國外知名的工具制造商通常也是知名的刀具制造商)的刀具磨削、機床制造知識，更融入了其長期積累的刀具生產(chǎn)實踐經(jīng)驗。雖然各公司推出的刀具磨削加工軟件在功能、智能化、可視化等方面存在差異，但都包含具有仿真加工功能的模塊，以便于實現(xiàn)刀具的設(shè)計和制造［5］。

我國21世紀初期開發(fā)的數(shù)控工具磨床，大多采用的是主機自行制造、數(shù)控系統(tǒng)靠引進的方式研制，這種數(shù)控工具磨床產(chǎn)品不但成本很高，而且由于通用的CNC系統(tǒng)沒有集成刀具磨削加工技術(shù)和編程軟件，難以實現(xiàn)刀具(特別是復(fù)雜刀具)的磨削加工。

目前，我國各數(shù)控工具磨床生產(chǎn)廠家也積極與各科研院所合作，開發(fā)具有自我知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控磨削軟件［6］。武漢機床廠MK6035－5數(shù)控萬能工具磨床選用國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)，軟件基于Windows XP操作系統(tǒng)的操作界面，操作者利用圖形交互式刀具加工軟件，在提示下輸入刀具參數(shù)，即可生成定制程序完成加工，2D或3D磨削模擬軟件支持刀具截形模擬;上海黑格數(shù)控的HELIXCNC－5A五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床采用華中HNC－22MD數(shù)控系統(tǒng)，五軸聯(lián)動，配置自行開發(fā)設(shè)計的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的刀具磨削軟件;大連科德數(shù)控有限公司TG－45數(shù)控工具磨床采用大連光洋自主開發(fā)的GTOOL刀具磨削軟件，實現(xiàn)六軸五聯(lián)動。

從國內(nèi)數(shù)控工具磨床磨削軟件的發(fā)展現(xiàn)狀不難看出國內(nèi)工具磨床制造企業(yè)還缺乏市場需求的準確定位，盡管刀具本身看似簡單，但其結(jié)構(gòu)數(shù)學模型卻很復(fù)雜，高精度、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、可視化效果好、生產(chǎn)、修磨一體化的高檔磨削軟件，在國內(nèi)尚屬于起步階段。雖然，我們生產(chǎn)的五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床同國外公司的產(chǎn)品一樣，通過自己開發(fā)的軟件能夠加工設(shè)計要求的各種形狀的特型刀具和一般平面刀具，但是，對于例如圓錐球頭立銑刀等復(fù)雜形狀刀具的磨削加工只有德國WALTER、美國HUFMAN、瑞士的STRAUSAK這樣實力雄厚的公司才能精確地加工出來，因為加工這種刀具需要高精度多軸聯(lián)動的數(shù)控工具磨床以及高精度的加工數(shù)據(jù)計算。國內(nèi)工具磨床企業(yè)要在這一領(lǐng)域有所突破，在引進國外先進技術(shù)，借鑒國外數(shù)控工具磨削軟件的研發(fā)經(jīng)驗的同時，必須要投入大量的人力和物力從事這方面的研究。應(yīng)依靠產(chǎn)學研合作攻關(guān)開發(fā)出能滿足刀具制造企業(yè)對數(shù)控工具磨削軟件追求的尖端產(chǎn)品。

2 典型數(shù)控工具磨削軟件分析

2.1 德國瓦爾特(WALTER)公司 Helitronic Tool Studio刀具磨削軟件

WALTER公司以刀具市場的前景為開發(fā)點，歷年來陸續(xù)推出了適應(yīng)市場需求的成型刀具軟件包，從復(fù)合銑刀、復(fù)合鉆頭到圓環(huán)面、球面－銑刀、燕尾槽銑刀、梯型槽銑刀直到圣誕樹銑刀，其軟件的通用性和靈活性越來越被市場所認可和接受，所加工的刀具也被廣泛地使用在飛機制造、冶金行業(yè)、模具加工和汽輪機行業(yè)。在2011年CIMT展出［6］的刀具磨床所采用的軟件(如圖1所示)是基于Windows XP操作界面，利用自適應(yīng)技術(shù)根據(jù)實際磨削量動態(tài)調(diào)整所需的進給速度實現(xiàn)等扭力控制，不僅節(jié)省加工時間，也有利于砂輪使用壽命。機床具有自動定位測量系統(tǒng)探針，能快速獲取刀具參數(shù)，確保高效率生產(chǎn)。軟件涵蓋了目前市場上所有類型刀具的生產(chǎn)和修磨，可實現(xiàn)裝載機自動上下料。

2.2 德國德克(MICHAEL DECKEL)公司S22P型工具磨削中心的磨削軟件

德克精密機械制造公司(MICHAEL DECKEL)是一家有50多年歷史的專業(yè)工具磨床制造廠，在世界精密工具磨床技術(shù)領(lǐng)域一直占據(jù)領(lǐng)先地位，誕生了多項歷史性重大發(fā)明，為世界工具磨床的發(fā)展做出了極其重要的貢獻［7］。

DECKEL公司的 S22P軟件(如圖2所示)平臺基于Windows XP Professional操作系統(tǒng)，具有機床自診斷功能，還可以通過 Internet網(wǎng)絡(luò)可接入 DECKEL的全球遠程服務(wù)系統(tǒng)(Deckel－Teleservice System)，實現(xiàn)遠程診斷、升級以及維修服務(wù)。S22P的圖形交互式刀具加工軟件覆蓋了幾乎所有刀具種類，操作者在全程圖形幫助系統(tǒng)的幫助下，可以輕松完成刀具的編程、加工模擬及干涉檢查工作［8］。

S22P磨削中心集成了機床內(nèi)全自動修整砂輪和全自動測量砂輪的功能，為砂輪修整和砂輪測量分別開發(fā)有專門的軟件，獨立的圖形交互式操作界面，只需按下按鈕即可自動完成砂輪的修整或測量。S22P提供的這一實用性功能，使用戶不必再單獨購買砂輪修整和測量設(shè)備，同時有利于提高工作效率，為非專業(yè)化刀具企業(yè)解決相關(guān)技術(shù)難題。S22P的砂輪庫管理軟件具有大容量、智能化的特點，可以最多管理256個砂輪庫，甚至可以支持砂輪庫的虛擬化應(yīng)用。

2.3 澳大利亞ANCA公司Toolroom iGrind刀具磨削軟件

Toolroom iGrind是ANCA公司推出一種生產(chǎn)型應(yīng)用軟件。這種基于Windows平臺的軟件系統(tǒng)可以做到既適應(yīng)操作者熟練程度又滿足使用需求。系統(tǒng)既能讓操作者進入預(yù)先設(shè)定的刀具幾何參數(shù)數(shù)據(jù)庫，也能讓操作者建立自己的數(shù)據(jù)庫;同時，在三維模型上還可即時實現(xiàn)任意參數(shù)的改變，通過簡單地拖放鼠標編輯命令，就能依次改變各種操作指令并執(zhí)行。

ANCA的Toolroom 2012工具磨削軟件包是該軟件的最新版本，增添了很多新的應(yīng)用功能，更加利于設(shè)計和生產(chǎn)過程［9］。該軟件在以前版本基礎(chǔ)上，將3D刀具圖形模擬集成至iGrind編程軟件(如圖3所示);新增了角度補償和修正功能，與Windows 7專業(yè)版32位和64位進行了兼容，又增加了工件在線激光檢測、砂輪自動標定、刀芯輪廓探測和補償(如圖4所示)、自動偵測球頭齒隙部可能出現(xiàn)的根切痕跡和適用于所有TX7盤式上料機上料編輯軟件。

2.4 瑞士NUM公司NUMROTO刀具磨削軟件

NUMROTO 軟件的開發(fā)小組由專業(yè)技術(shù)人員組成，他們擁有CNC數(shù)控機床和刀具磨削的全方位技術(shù)知識［10］。NUMROTO軟件整體解決方案除了 NUMROTOplus(程序設(shè)計系統(tǒng))以外，還包括所有能夠運用在刀具上的智能元素。利用二維(2D－Simulation)和三維模擬(3D－Simulation)功能，用于刀具、砂輪上的全方位精確的測量循環(huán)，以及加工過程中的砂輪調(diào)整、作業(yè)控制等，同時還提供按照要求設(shè)立了專業(yè)培訓和遠程診斷。

NUMROTOplus軟件基于Windows XP和Vista系統(tǒng)，也可以被集成到公司的網(wǎng)絡(luò)中?？梢院喴椎貙崿F(xiàn)中央儲存、零件程序的管理以及備份功能。此操作程序是為刀具磨削使用而設(shè)計的，并且具有鮮明的結(jié)構(gòu)(如圖4所示)。即使對于復(fù)雜的形狀，此軟件也可以簡潔地進行編程，并可使用15種語言運行。刀具制造商使用NUM的Numroto磨削軟件提供的功能，可以自動創(chuàng)建標有尺寸的機床工程繪圖標注。Numroto Draw的功能通過在刀具長度的任何位置的橫截面上生成視角，可有效地對生產(chǎn)進行自動審核。繪圖直接通過三維模擬獲得圖像，從而使復(fù)雜的磨削細節(jié)通過圖形被清晰進行描述［10－11］。

NUMROTOplus軟件與使用者共同合作，并為使用者工作。刀具生產(chǎn)企業(yè)可以利用NUMROTOplus軟件生產(chǎn)各種各樣的刀具，并進行重磨。同時還可以改變各個刀具的細節(jié)參數(shù)，以便適應(yīng)各種特殊需求。在過去20年中，NUMROTOplus軟件已演變成為刀具磨削的一個標準解決方案，適用于30種不同的機器類型。許多刀具生產(chǎn)商和刀具修磨商基于軟件獨立編程的優(yōu)越性，選擇安裝NUMROTOplus軟件。在生產(chǎn)中，刀具生產(chǎn)商大都采用NUMROTOplus軟件中“成型銑刀”來編程和磨削。該軟件的應(yīng)用范圍涵蓋廣泛，應(yīng)歸功于軟件卓越的靈活性與成熟性。在刀具研磨領(lǐng)域里擁有豐富經(jīng)驗的NUMROTOplus軟件團隊，運用專業(yè)技術(shù)知識，以Windows應(yīng)用軟件為基礎(chǔ)，開發(fā)創(chuàng)新，為NUMROTOplus軟件應(yīng)用提供了保證。

2.5 瑞士 MTS公司 tool－kit PROFESSIONAL刀具磨削軟件

瑞士的MTS公司從事專業(yè)化的刀具數(shù)控磨削軟件研發(fā)和市場推廣，以專業(yè)化的“tool－kit PROFESSIONAL”軟件產(chǎn)品聞名［5］。MTS的含義是“數(shù)學技術(shù)軟件”，因為針對刀具的專業(yè)軟件需要建立復(fù)雜的數(shù)學模型，所以MTS的很多資深員工都是數(shù)學專家。作為一家來自瑞士的專業(yè)刀具解決方案提供商，MTS為制造復(fù)雜刀具CNC加工中心的制造企業(yè)提供配套的通用刀具軟件，同時也為世界領(lǐng)先的刀具企業(yè)提供服務(wù)，MTS已成為業(yè)內(nèi)值得信賴的刀具、機床制造商，其產(chǎn)品在模塊化概念、集成干涉控制、可視化、在線幫助功能、可選的3D模擬等方面都極具優(yōu)勢。“tool－kit PROFESSIONAL”軟件以清晰邏輯化的結(jié)構(gòu)著稱，支持銑削、鉆孔和車刀的生產(chǎn)和重新刃磨，通過模塊化的設(shè)計可以定制不同應(yīng)用以適應(yīng)各種刀具幾何形狀;通過向?qū)С绦蚝凸ぷ鲄^(qū)處理模式自動引導用戶完成操作過程。軟件界面分為機床管理、砂輪、刀具數(shù)據(jù)三個區(qū)域。支持圖形化的參數(shù)定義數(shù)據(jù)，并且任何時候都可以調(diào)用在線幫助獲取支持;在刀具和砂輪數(shù)據(jù)區(qū)域以及砂輪路徑計算過程均提供2D和3D的可視化，并且實現(xiàn)3D的機床模型和CNC仿真過程展示;軟件的數(shù)據(jù)系統(tǒng)具備工件、砂輪和相關(guān)數(shù)據(jù)的實時優(yōu)化能力。根據(jù)用戶需求來組織數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，“topdown”的架構(gòu)確保每一步輸入數(shù)據(jù)的數(shù)量自動最小化，完整的磨削過程包括所有的相關(guān)數(shù)據(jù)都記錄在數(shù)據(jù)庫中。操作者可以為經(jīng)常使用的刀具系列在表格中創(chuàng)建預(yù)設(shè)值，通過點擊相關(guān)按鈕刀具可以自動創(chuàng)建并直接送向機床;軟件提供干涉控制，在機床指令生成的時候可以得出所有相關(guān)對象的干涉分析結(jié)果，圖形可視化工具詳細地記錄了可能的干涉位置使得操作者很容易分析和改正數(shù)據(jù)錯誤或者砂輪設(shè)置等;在刀具測試方面支持所有標準測試系統(tǒng)，并且對不同的刀具幾何外形有自己的測試準則，同樣也實施了可擴展的測量系統(tǒng)界面。

MTS tool－kit PROFESSIONAL能夠和所有已知CNC系統(tǒng)配套。同時，提供全系列參數(shù)化刀具模型，使得刀具的設(shè)計與加工變得簡單易行，不再需要經(jīng)過“設(shè)計→圖紙→試磨→修改參數(shù)圖紙→磨削”這樣一個往復(fù)的過程。tool－kit PROFESSIONAL從刀具設(shè)計開始，通過全參數(shù)化定義刀具三維模型，再通過五軸或六軸的磨削加工中心直接進行加工。此外，tool－kit PROFESSIONAL還有Cycle Calculation功能，可以計算出一批刀具的加工時間，還可以設(shè)計和加工各類非標的刀具。

2.6 意大利庫菲(CUOGHI)公司的刀具磨削軟件

意大利庫菲(CUOGHI)公司歷史悠久，是歐洲知名的工具磨床和鉆頭刃磨設(shè)備制造商，其數(shù)控工具磨床OCTOPUS100和MODENA200采用了全新的設(shè)計理念，使其制造成本大幅度降低，具有明顯的競爭優(yōu)勢［12］。但是，由于市場定位和價格的差別，這類設(shè)備和其他歐洲品牌的機床并不形成直接競爭，在功能上是其他機床的補充，目的是共同滿足刀具制造和刀具修磨客戶的需求。刀具修磨商并不要求機床實現(xiàn)無人操作，但希望一名操作者能夠看管多臺機床以控制成本。該公司的WU305萬能生產(chǎn)型工具磨床就能實現(xiàn)這一要求。該機床的刀具磨削軟件特點是:(1)其軟件和裝載系統(tǒng)允許在一次安裝下對不同型式、不同柄部尺寸的刀具實現(xiàn)自動重磨，包括圓柱形和錐形立銑刀、倒圓角和球頭立銑刀、階梯鉆，以及其他不同外徑、形狀和幾何參數(shù)的階梯形刀具;(2)采用該公司整合的SIGS磨削軟件，操作者首先輸入被磨削刀具的數(shù)量、尺寸和型式;其次，選取要執(zhí)行的操作工序;然后，對裝在托盤上的刀具啟動自動磨削程序。

2.7 上海黑格工具磨床磨削軟件

2006年以來，華中數(shù)控與上海黑格數(shù)控科技公司合作生產(chǎn)的配備華中數(shù)控系統(tǒng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的五軸數(shù)控工具磨床，已經(jīng)形成了批量生產(chǎn)和批量銷售。該系列機床成功地實現(xiàn)了對圓柱/圓錐立銑刀、球頭銑刀等刀具的刀面修磨。磨削軟件功能和技術(shù)特點為:機床可實現(xiàn)五軸聯(lián)動;可進行各種銑刀的磨削加工;直接在CNC上以圖形菜單方式輸入被磨刀具的參數(shù)和加工工藝即可進行加工或修磨，實現(xiàn)了編程加工一體化;具有刀具幾何形狀測量功能，保證各種銑刀后刀面的重磨加工;可在線對砂輪參數(shù)、刀具參數(shù)、磨削工藝和磨削用量等進行方便的修改，可充分發(fā)揮操作者的豐富經(jīng)驗，刀具試磨和修磨過程非常方便。

3 數(shù)控工具磨削軟件的發(fā)展

數(shù)控工具磨削軟件是數(shù)控工具磨床的大腦，是一項多學科交叉的綜合技術(shù)，涉及的各項技術(shù)仍處于不斷的發(fā)展之中，將來的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在:

(1)數(shù)控工具磨床的專用系統(tǒng)的CNC編程技術(shù)結(jié)合了各種數(shù)學方程式，因而解決復(fù)雜形狀刀具的高精度加工，通用化的數(shù)學方程的建立和各種插補算法的研究是刀具磨削軟件發(fā)展的方向。

(2)為滿足非標專用磨制刀具的加工需求，圖形引導、參數(shù)化編程功能、開放式刀具磨削專家?guī)炷K的開發(fā)是刀具磨削軟件發(fā)展的方向。

(3)高速、高效、高精度是當今數(shù)控切削加工技術(shù)發(fā)展的方向，為滿足數(shù)控工具磨床加工質(zhì)量需要，加工路徑優(yōu)化功能、磨削進給自適應(yīng)控制、刀具碰撞監(jiān)視及三維工具模擬可視化功能也是目前刀具磨削軟件的發(fā)展方向。

(4)砂輪是工具磨床制造生產(chǎn)和修磨刀具的“刀具”，是工具磨床的關(guān)鍵部分。全自動的砂輪修整、檢測補償和測量結(jié)果評估技術(shù)也是未來工具磨床磨削軟件發(fā)展的一個重要方向。

(5)利用計算機技術(shù)及模擬技術(shù)，開發(fā)能對刀具刃磨過程、排屑過程、磨削力變化、磨削區(qū)溫度、磨削精度和磨削表面質(zhì)量進行仿真的數(shù)控工具磨床磨削軟件，是未來數(shù)控工具磨床很好的一個發(fā)展方向。

4 我國數(shù)控工具磨削軟件的展望

國內(nèi)數(shù)控工具磨床經(jīng)過近十年的發(fā)展，在全功能數(shù)控工具磨床領(lǐng)域，已逐步從借鑒和引進階段進入自主研發(fā)設(shè)計階段，開發(fā)出多臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新品，逐步打破了由進口設(shè)備一統(tǒng)天下的局面。

為逐步提高我國高端裝備制造業(yè)的自主開發(fā)能力，滿足國內(nèi)重點行業(yè)對制造裝備的基本需求，在數(shù)控機床專項“十二五”實施計劃框架下，“五軸聯(lián)動工具磨床及磨削軟件開發(fā)”被列入“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項2013年度課題［13］。這就要求我們堅持大兵團聯(lián)合作戰(zhàn)、產(chǎn)學研用合作，各自發(fā)揮優(yōu)勢，集中解決關(guān)鍵核心技術(shù)的思路，大力發(fā)展數(shù)控工具磨床磨削軟件的關(guān)鍵技術(shù)，包括針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點的數(shù)控系統(tǒng)后置處理軟件設(shè)計、基于難加工材料的復(fù)雜刀具高效精密磨削工藝研究，工藝流程及砂輪軌跡優(yōu)化技術(shù)、刀具及砂輪在線測量、評估及其幾何誤差補償技術(shù)、刀具磨削專家軟件研發(fā)(開放式刀具磨削專家?guī)?、碰撞監(jiān)視及三維工具模擬技術(shù))和復(fù)雜刀具刃磨的編程技術(shù)等，來縮短與世界先進水平的差距，甚至打破國際上技術(shù)封鎖，占領(lǐng)了這一戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的至高點。

5 結(jié)語

綜上所述，數(shù)控工具磨床和刀具磨削軟件的水平關(guān)鍵要看創(chuàng)新能力、人員素質(zhì)和功能部件品質(zhì)的提高，這也是一個國家整體技術(shù)水平的體現(xiàn)。我們應(yīng)在消化吸收國內(nèi)外先進技術(shù)的同時，根據(jù)國內(nèi)外市場需求，尋找企業(yè)自身定位，研究開發(fā)出適合用戶需求的產(chǎn)品。

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［13］科技重大專項實施管理辦公室.“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項2013年度課題申報指南［Z］.2012.