GibbsCAM软件编程在车铣复合加工中的应用

GibbsCAM是Cimatron公司的一款面向工件加工的CAM软件，为车铣复合领域提供CAM加工方案，它除了车铣复合之外，还支持2轴到5轴的铣削、车削、联动铣削多任务加工和线切割，最大特点是界面简洁，易学易用，操作模式和我们的工艺习惯非常一致。双主轴双刀塔车铣复合加工中心属于高精密数控机床，车铣复合加工中心具有车削、铣削、钻削、镗削、拉削（插槽）等各种功能，有X、Y、Z、C和E轴5个轴，其中E轴也就是主副轴对接时副轴到主轴装夹工件时使用的轴，利用CAM软件可以进行任意多轴联动，实现对各种复杂工件曲面的加工，并利用主、副轴的同步E轴对接切断，做到了工序集中的原则。车铣复合加工中心具有上下2个刀塔，每个刀塔可以装12把刀，总共可装24把。双刀架的结构没置，使得加工效率大大提高，有效地利用CAM软件使2个刀架相互配合，单位时间里同时对2个工件加工，并且对主轴、副轴以及各个轴上的XY、YZ等平面的同步加工，缩短了加工时间。配合机床的各轴联动和E轴对接，只需1道工序便可完成对各种复杂工件的加工成型，做到了1次装夹完成全部加工，工件加工报废率减小了80%以上，并且减少了原始加工中的制作工装夹具的辅助时间，生产效率提高了30%。由于减化了工艺流程，避免了重复装夹的误差，从而提高了产品的质量，在大批量的产品加工中，此类设备的优势在于生产效率和稳定的产品质量，在小批量的产品加工中，体现出设备的灵活性和超高的产品质量。实践发现，在车铣复合加工中，众多车铣功能都需要CAM软件环境作支持，因此对于一台高端的车铣设备来说，CAM软件是必不可少的工具之一。

1 GibbsCAM界面功能简述

图1是GibbsCAM的界面；1～12标明了GibbsCAM的初级界面，然而在初级界面之下，还有更多的子选项与子功能，因篇幅关系，本文着重介绍以下几条功能：

(1)工艺列表是用来定义刀具路径和产生操作的。1个工艺项目有刀具列表中的单一刀具和加工面板中的1个加工策略2个要素。当这2个要素被拖拽在同1个工艺项目中时，1个工艺动作产生。安全平面值、切削深度、进给率、主轴转速、加工刀具始末路径及其他项目都在工艺对话框中定义。一般需要选择待加工的几何图素或实体曲面等，然后对工艺对话框中的项目进行定义，定义结束后在加工面板下按下进行按钮产生工序操作，也就是刀具路径，当刀具路径生成，1个或多个操作将产生在操作列表下，一旦操作已经产生，工艺项目可以删除，因为结果已经产生并且存储在操作列表中。

(2)加工面板 列出了该软件的所有加工策略，比如粗加工、精加工、车铣钻孔、车螺纹、公用操作（主副轴之间的对接同步操作）、曲面加工、螺纹铣削等等。这些加工策略几乎涵盖了机械加工行业的所有加工动作。

(3)操作列表是通过工艺和刀具产生的，它存储了刀具路径和工艺信息。

(4)刀具列表提供定义切削工件的刀具，它包含对刀具种类、尺寸的定义，比如加工曲面需要球头刀，就在刀具列表里选择球头刀，然后再定义球头刀的直径、刃长及材质等项目。刀具项目显示刀具的类型和尺寸，它随着刀具的定义及时改变。刀具列表同时包含铣刀和车刀，每种刀具拥有唯一的图片。

(5)视图控制面板可以很快地改变当前工件的显示视角，可以随便旋转、重绘、取消及放大工件。

(6)垃圾箱可以删除屏幕上的一些对象（如列表中的项目、图素或实体等），它的功能等同于按下Delete键。

2 GibbsCAM编程加工应用

2.1 CAM软件背景

作为一名数控加工工艺与编程的工作人员，程序编制的好坏直接影响着最终零件的形位尺寸及表面粗糙度，编制的程序体现了加工工艺的优化与否，直接影响着数控机床的有效利用率。各种编程软件只是1种工具，具体的加工工艺安排、加工参数的设定及刀具的选择必须人为地去操作设定。随着现代社会的飞速发展，各种CAD/CAM软件的不断出现，很大程度上提高了当前的制造业水平。笔者也曾接触过其他一些编程软件，比如UG、Delcam的PM、MasterCAM、Cimatron E7.0及国产的CAXA制造工程师等软件，可以说各类软件有着各自的优缺点，像3-Axis Mill CAM已经接近于成熟阶段。目前随着多轴联动机床的不断涌现，很多多轴联动编程软件在市场上也不断更新亮相。但对于车铣复合类编程软件相对较少。然而任何软件都必须要针对不同的机床进行机床后置处理的二次开发，因为软件原带的后置乃是一个通用后置，并不能用于所有机床。目前国内许多CAD/CAM软件用户对软件的应用只停留在CAD模块上，对CAM模块的应用效率不高，其中1个非常关键的原因就是没有配备专用的后置处理器，或只配备了通用后置处理器而没有根据数控机床特点进行必要的二次开发，由此生成的代码还需人工做大量的修改，严重影响了CAM模块的应用效果。

2.2 CAM软件期望效果

近几年来，我国数控机床技术有了显著发展，数控机床的数量（包括从国外进口的数控机床）在不断的上升。但我国企业目前数控设备的利用率普遍偏低，数控设备利用率约20%～30%(工业发达国家达60%～80%)、开机率50%～80%（工业发达国家95%）、主轴利用率40%～60%（工业发达国家95%）、加工效率仅达3～5kg/h(为工业发达国家30～50kg/h的1/10)。主要表现为数控机床性能没有完全发挥、多轴单用、数控普用、工艺水平落后等，其中影响我们机床利用率的1个最主要原因就是，机床停机时间太长。

因为现在大多数企业生产车间都是串行的生产模式，如图2所示，这种生产模式从看到图纸一直到工件开始加工都是由工人一人完成，中间的所有动作都是链条式的，只有做完了一步才能接着做下一步，属于分步进行的。

假如我们利用1款适合于本企业产品零件的CAM软件，加之一些生产政策调整，我们可以利用如图3所示的并行生产模式，这种生产模式把1个工件从图纸到成型的各个过程分布式但同步进行，机床还在加工其他工件时，下一个待加工工件的程序和刀具列表已经输出，装刀工人可以开始准备刀具，校车工可以识别程序准备校车。所有辅助加工过程都是在同时进行，单位时间里就做了比第一种生产模式更多的事情，这种生产模式可以很大程度地提高机床利用效率，让机床只在安装刀具时停止运行。然而该种生产模式需要1个相对较好的CAM软件。笔者认为，目前我们并不能完全脱离手工编程进行计算机编程，因为无论多完美的软件总有某些功能的欠缺。再加之现在的产品逐渐向多品种小批量模式转化，不同的零件特征部位就需要不同的加工策略，任何一款软件不可能做到覆盖所有机械加工类别，所以仍要以计算机编程为主，手工编程为辅，来提高1个机加车间的生产效率。

2.3 GibbsCAM典型工件编程举例

CAM软件只是1个工具，任何工件的加工都离不开工艺的指导，但是工艺的确定，也必须有一款完美的CAM软件为之辅助，1台好的设计师更需要对工件加工工艺有较强的认知，这样设计出的产品才能保证具有完美的加工流畅性。合理确定数控加工工艺对实现优质、高效、经济的数控加工具有极为重要的作用。其内容包括选择合适的机床、刀具、夹具、走刀路线及切削用量等，只有选择合适的工艺参数及切削策略才能获得理想的加工效果。

2.3.1 典型工件实例

某工件实体图如图4所示。该工件的原始加工方法分为3道工序，见表1。

1道工序是指1个（或l组）工人，在1台机床上（或1个工作地点）对1个（或同时对几个）工件所连续完成的那部分工艺过程。也就是说原始加工方法中，需要用3台机床，至少要装夹3次。这种加工方法严重影响加工效率和生产成本，严重影响工件加工精度和各种形位公差（同轴度、对称度等），2台铣床对它加工时都必须做工装爽具，然而执行工序1中的车外圆时由于机床的轴向误差会在外圆柱面上产生圆跳动，这给后道工序2中的工装夹具制造带来了不少麻烦。而且通常都要做好几套夹具，针对不同的圆柱面使用不同的夹具，每加工完1个工件都要花一段时间去更换夹具，这些弊端给生产带来了不可估量的损失。

自从公司新购进1款GibbsCAM软件后，使得加工过程可以采用另外1种工艺安排进行加工。GibbsCAM编程加工法只需1道工序，减少了辅助加工时间，加工效率提高了30%，见表2。

下面详细介绍特殊加工工步中，GibbsCAM软件编程在车铣复合机床上的加工方法：

(1)棒料毛坯装夹在主轴上（直径为110mm的铝合金棒料，通用夹具即可），主轴加工。

(2)平端面、车外圆、钻孔、镗孔、钩内槽、半精车、半精镗孔（属于简单类两轴车加工）。

(3)铣外圆柱面上3条螺旋槽，如图5所示。此螺旋槽宽3.2mm，用直径3mm的铣刀铣削，总共走了3刀。以前一直考虑第一刀和后两刀能不能设置不同的进给量（走刀速度），因为第一刀是满刀切削，后两刀只吃刀（走步距）0.1mm的余量。现在用GibbsCAM软件解决了该问题，可以通过“可变进给速率”来控制想要的进给量，大大节约了加工时间。转速S2500，进给量不同的地方分别为F200、F400，加工时间3min。

该零件部位特征为3条均布于外圆柱面上的螺旋槽，加工时ZC两轴联动，利用GibbsCAM软件可按以下顺序进行编程：

①利用工作群组列表新建1个工作群组，将名称更改为您所熟悉的通用名称，比如改为“铣螺旋槽”，后续对螺旋槽的编程动作将存储在该工作群组里。

②利用坐标系群组新建1个坐标系，新建的坐标必须正对您所要编制的那条螺旋槽，假如我们所做的该零件的CAD模型中，ZX平面正处于机床C轴零位，那么YZ平面就正好与C轴零位成90°角。在新建坐标系之前，首先就在GibbsCAM软件坐标系列表中选中YZ平面，使工作界面中的坐标系处于YZ平面上，然后点击坐标系列表中的“新工作群组”，将产生1个新的坐标系，再点击顶层面板中的“坐标系统面板”，利用“坐标系统面板”中的“对齐C平面”功能，使刚才所新建的坐标系以YZ坐标为基准，逆时针旋转60°角，我们可以把这个坐标系改名为“Y2-60”以便区分于别的坐标系。

③在工作界面中对该零件的螺旋槽进行曲线编辑，使该螺旋槽成为1个封闭的曲线框螺旋槽。可按下面顺序进行取线操作：首先按下主菜单中的“选面”功能，选取螺旋槽所在的零件圆柱曲面；然后点击“几何图素绘制面板”中的“由实体抽取”按键，进入“由实体抽取”的子选项中，选择“图形抽取”功能，即完成了对该螺旋槽曲面的线条抽取，对抽取的线条进行编辑，使之成为封闭的螺旋槽曲线框。

④双击该封闭螺旋槽曲线框，使之处于一种被选中的状态，点击主菜单中的“修改”，再次点击“修改”下的“展开几何”功能，所选中的曲线框便被展开在之前所新建的“Y2-60”平面上，成为1个面封闭曲线框。

⑤在刀具列表中选择1把3mm直径的端面立铣刀，一般3mm的立铣刀刃长为8mm，可在刀具对话框中设置刃长为8mm。设置刀具刃长与实际项符合，可起到实际加工与软件模拟仿真加工互相监督验证的作用。

⑥在加工面板中选择铣功能中的“粗加工”项目，并且把它拖拽到工艺列表中，然后把刀具列表中的φ3mm铣刀拖拽到工艺列表中的粗加工项目下。此时便会弹出1个粗加工对话框，对粗加工对话框里的工艺参数进行设置：先选择“挖槽”主功能下的“偏移”子选项；然后给定主轴转速S2500，进给量为F200，设定进给加工之前的安全点及需要加工的深度尺寸；最后选择“旋转”主功能下的“加工坐标系统”为之前新建的“Y2-60”坐标系，选中“旋转铣削”方式。

⑦点击加工面板下的“进行”按钮，该条螺旋槽的刀具路径便会被产生并且存储在操作列表中。

此螺旋槽的程序编制过程中，针对用φ3mm的铣刀铣削宽度为3.2mm的螺旋槽，我们希望第1刀满刀切削时，走刀速度慢一些，但当走完第1刀，剩下的余量吃刀（走步距）切削时，希望走刀速度快一些，然而它的刀具路径都是在1个工艺操作中产生的，1个粗加工对话框中只能输入1个进给量F200。此时便可使用GibbsCAM的可变进给率功能，来实现所希望产生的作用效果。如图6所示，可通过在相应的铣螺旋槽操作列表项目上右击鼠标选择“速率标记”功能按钮，弹出“切削速率标记”对话框，在标记类型中选择“可变进给速率”选项，然后便可以对不同的刀具路径点赋予不同的进给值，以达到我们的期望效果。可变进给速率功能的有效利用可以使金属切除加工效率在原有的基础上增大40%以上。

(4)铣柱面，如图7所示，该圆柱面编程较简单，只需在YZ平面上的圆柱底面围绕圆柱取一段曲线圆弧即可，利用φ10mm球头铣刀转速S2000，进给量F150，加工时间为1min6s。编制该特征时，使用加工面板里的铣功能中轮廓切削加工法，把“轮廓切屑”项目和φ10 mm的球头铣刀拖拽人同一个工艺列表项目中，弹出“轮廓”对话框，在对话框里设置加工参数，“旋转”选项里选择加工坐标系统为YZ平面，然后直接在工作平面上选择之前取出的曲线圆弧，定义始末两点，点击“加工面板”上的“进行”按钮即可。

(5)铣曲面，如图8所示。该曲面采用φ10mm的球头铣刀铣削，GibbsCAM编程时采用曲面加工法，只需控制转速、进给量和加工步距即可。加工步距0.05mm，转速S2000，进给量F500，加工时间18min（曲面最大直径为68mm)。应用“加工面板”上的“曲面”功能进行编程，将“曲面”和(φ10 mm球刀拖拽入同一个工艺列表项目中，弹出“曲面加工”对话框，点击“曲面”选项选择“曲面流切削方式”设定加工参数，选择XY平面，点击“加工面板”上的“进行”按钮即可。

主轴加工程序编制结束后，应用公用操作，编制E轴对接切断的程序，公用操作是根据机床结构而单独定制的1个虚拟机床宏定义VMM(Virtual Machine Macro)。将加工面板上的“公用操作”项目拖拽入工艺列表中，将会弹出“公用”对话框，然后按照以下顺序进行：

①在公用对话框中选择“移动刀塔”选项，移动刀塔可根据机床架构来决定是否使用，因为笔者接触的车铣复合机床，当E轴伸出到主轴接工件时，上刀塔必须往Z的负方向移动，让出足够的空间，使E轴对接切断。然后可以手动定义刀塔需要移动到的位置，点击“新的位置”在X、Z下输入坐标值，点击加工面板下的“进行”即可；

②在公用对话框中选择“次要主轴人”选项，软件里的次要主轴即是机床的E轴，接着在“主轴启动”下选择“逆向”，因为是使用上刀塔切断，主轴必须反转，这样才能使刀具的切削刃口与主轴转向一致，否则会发生毁坏刀具的事件，然后设定“主轴转速”为1000，“Z安全平面”为10，Z安全平面是E快速伸出接近主轴对接前的1个安全位置，“进给率”为500，“Z夹持位置”为-40，Z夹持位置是副轴装夹工件的Z向长度，也就是夹持量，点击“进行”即可。以上这项选项里的参数可以根据工件的尺寸自行设置；

③此时E轴已经对接上主轴，接下来做切断的程序，从刀具列表里拖拽一把宽为3mm的切断刀到工艺列表中，从加工面板中选择车功能的“轮廓切削”功能，并将它拖拽入工艺列表中，便会弹出“轮廓”对话框，设定加工参数，选择ZX平面，拾取切断处的线条，定义始末两点，点击“进行”即可；

④将公用操作拖拽入工艺列表中，选择“次要主轴归位”选项，定义主轴转速和进给率，点击“进行”即可。

(6)主轴加工完毕，E轴伸出对接切断，开始副轴加工，副轴加工中，有个铣削与水平面成50.29°的特征平面。下面就介绍一下铣削斜平面的编程方法：

铣斜面（该斜面与水平面成50.29°角），如图9所示，采用φ10mm立铣刀，GibbsCAM利用1条直线就能编出铣斜面程序，只需在软件里面设置角度为50.29°，可按以下顺序编制：将加工面板上铣功能中的“轮廓切削”项目和刀具列表中的φ10mm铣刀拖拽同1个工艺列表项目中，弹出“轮廓”对话框，设定加工参数，点击安全平面下的图标，弹出“壁面选择”对话框，选中里面的“锥度W倒角”选项，设置里面的“边斜度”为50.29，点击“进行”即可。

根据比较，GibbsCAM编程法加工1个完整的工件用了1h20min42s，之前原始加工法分3道工序用时为1h43min，GibbsCAM编程加工后集中了工序，保证了零件的各种形位公差，做到了1次装夹全部加工完成，工件加工报废率减小了80%以上，减少了原始加工中的制作工装夹具的辅助时间，生产率提高了30%。在数控加工领域中，CAM的成本可以很快的从增加的收益中收回，多主轴多刀架的设备，通过CAM软件可以很有效地设置加工节拍，充分发挥双刀架的加工效率。此外，对于多坐标联动的加工更是离不开CAM软件的支持。高效加工不仅仅是一种加工方式，更是一种理念，它涵盖了设备、刀具、工艺流程优化、CAM应用等多个领域范畴。

2.3.2 机床后置处理

(1)后处理的功能作用

数控机床是通过识别NC程序来控制各种快速定位、进给运动、停止等来进行工件的机械加工，NC程序有手工编制和自动编制两种方式。后处理就是用在自动编程方面，任何一款CAM软件做完刀具、加工参数、工艺等一系列工作以后都需要通过相应的后处理来将之前的一系列加工步骤转化为NC程序，后处理是CAM的重要组成部分。它包括加工刀具路径文件的生成和机床数控代码指令集的生成。加工刀具路径文件可利用CAD/CAM软件，根据加工对象的结构特征、加工环境特征（其中包括机床一夹具一刀具一工件所组成的具体工序加工系统的特征）以及加工工艺设计的具体特征来生成描述加工过程的刀具路径文件。通过后置处理器读取由CAM系统生成的刀具路径文件，从中提取相关的加工信息，并根据指定数控机床的特点及NC程序格式要求进行分析、判断和处理，最终生成数控机床所能直接识别的NC程序，就是数控加工的后置处理。数控加工后置处理是CAD/CAM集成系统非常重要的组成部分，它直接影响CAD/CAM软件的使用效果及工件的加工质量。

(2)GibbsCAM后处理程序生成过程

当做完所有工步加工程序编制时，最后一步就是应用后置处理生成NC代码。CibbsCAM因为专门定制了机床定义文件MDD(Machine Definition documents)和VMM文件对软件编程环境做了控制，使得后嚣处理具有了针对不同机床很强的专业性。当程序编好后顶层面板上后置处理器便会被激活，点击“后置处理器”按钮，弹出后处理对话框，点击“后处理”按钮，选择相应的机床后置处理文件，点击“输出档案”按钮，指定存储NC程序位置，点击“程序”按钮，该零件的NC程序便自动生成。

3 结语

CAM运用是1个企业从原始加工走向零件数字化制造的1个必需品，1款优秀的CAM软件可以让数控技术员的新工艺新技术得到验证实施。本文从宏观和微观2个方位阐述了CAM软件在当今制造业中的重要性，在竞争激烈的现代制造行业中，合理地利用CAM软件，能够缩短辅助加工时间，提高机床利用率。