數(shù)控車削中在線測量切削參數(shù)的自動編程技術(shù)

1概述

以數(shù)控機(jī)床為核心設(shè)備的各種現(xiàn)代化制造系統(tǒng)在機(jī)床 行業(yè)和非機(jī)床行業(yè)中已得到普遍應(yīng)用。被加工零件的圖紙，給出了數(shù)控加工的幾何數(shù)據(jù)和工 藝數(shù)據(jù)，是NC機(jī)床工作的原始依據(jù)。使用 數(shù)控機(jī)床加工零件時，必須事先編制好零件加工程序單，零件加工程序單中規(guī)定了零件加工 工藝路線、走刀軌跡、位移量、切削參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)數(shù)、進(jìn)給量、切深 )以及輔助機(jī)能(換刀、變速、冷卻液開停等 )。數(shù)控機(jī)床按編制好的程序自 動地工作，加工出合格的零件。數(shù)控編程的主要內(nèi)容包括：分析零件圖紙，確定加工工藝過 程；計(jì)算走刀軌跡，得到刀位數(shù)據(jù)；編寫零件加工程序，校對程序及首件試切。根據(jù)有關(guān)統(tǒng) 計(jì)，一個零件的編程時間與機(jī)床加工時間之比，平均約為30:1。使用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)加工程序 的自動編制稱作自動編程，本文介紹基于Microstation圖形平臺的在線 測量切削參數(shù)的數(shù)控車削測量過程的自動編程。Microstatioin為美國 Intergraph公司將其工作站上 的交互式圖形設(shè)計(jì)系統(tǒng)(IGDS)完整地移植到微機(jī)上的 CAD圖形系統(tǒng)，該圖形系統(tǒng)的用 戶界面非常友好(和WINDOWS 95應(yīng)用程序類似 )，該圖形平臺具有良好的開放 性，并提供了功能強(qiáng)大的32位編程的Microstation開發(fā)語言—— MDL語言(類似標(biāo)準(zhǔn)C語言)。

對于毛坯制造精度低的工件的數(shù)控加工，若按傳統(tǒng)的編程方式，就必須按照最大毛坯尺 寸編程。由于按最大尺寸編程，一則加工效率較低，再則會在某種情況下造成空切，而在另 外一種情況可能會造成過切。過切的后果，輕則影響刀具耐用度，重則造成崩刀甚至損壞刀 桿。所以，毛坯制造誤差大的工件的數(shù)控加工必須根據(jù)每個工件的具體情況，來確定該工件 的切削參數(shù)(如切削余量、走刀次數(shù)等 )。本編程系統(tǒng)借助 SINUMERIK-810T數(shù)控系統(tǒng)的刀 具監(jiān)控功能，在輪廓加工前用測量過程來獲得零件上的一些關(guān)鍵點(diǎn)的余量分布情況，進(jìn)而為 加工程序提供當(dāng)前工件的切削參數(shù)。

2切削參數(shù)測量過程CAPP

1) 具有測量功能的車削測量圖形自動編程系統(tǒng)的架構(gòu)

車削測量圖形自動編程系統(tǒng)由兩大模塊組成：測量規(guī)劃模塊和測量程序后置模塊。其中 測量規(guī)劃模塊以交互式CAPP的方式完成測量過程的規(guī) 劃，系統(tǒng)提供了功能強(qiáng)大的修改功能，用戶可以對已規(guī)劃的測量點(diǎn)進(jìn)行刪除、改變測量次序 和修改測量過程工藝參數(shù)等操作；測量程序后置模塊則以測量規(guī)劃數(shù)據(jù)為輸入，經(jīng)后置處理 自動生成測量過程的NC程序。

圖1 系統(tǒng)主控對話框

測量規(guī)劃CAPP以CAD方式建立起來的零件圖為輸 入，用戶以人機(jī)交互方式規(guī)劃每個測量點(diǎn)，同時在左/右刀架測量對話框中輸入測量 過程工藝參數(shù)，生成測量過程刀位及工藝數(shù)據(jù)文件。測量程序后置以測量規(guī)劃CAPP過程產(chǎn)生的刀位及工藝數(shù) 據(jù)文件為輸入，經(jīng)過后置處理生成測量規(guī)劃過程的NC程序。圖1是測量主控對話框，圖 2為左刀架測量參數(shù)設(shè)置對話框。

圖2 測量工藝參數(shù)設(shè)置框

本系統(tǒng)以配備SINUMERIK-810T數(shù)控系統(tǒng)的雙刀架數(shù)控車床的測量過程的 數(shù)控編程作為研究對象，系統(tǒng)同時涵蓋了單刀架數(shù)控車床的測量過程的數(shù)控編程。系統(tǒng)以雙 向鏈表為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，鏈表中的一個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)著一個測量點(diǎn)的刀具刀位數(shù)據(jù)和相應(yīng)的工藝 數(shù)據(jù)，雙向鏈的使用節(jié)省了數(shù)據(jù)存儲空間，并且提高了系統(tǒng)的修改功能的執(zhí)行效率。為了方 便用戶的測量過程規(guī)劃，系統(tǒng)提供了規(guī)劃刀具切入和切出工件段運(yùn)動軌跡的刀具動態(tài)顯示， 使規(guī)劃過程更加直觀，現(xiàn)場感更強(qiáng)。圖3為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖3 車削測量圖形自動編程系統(tǒng)架構(gòu)

2) 切削參數(shù)在線測量的原理

如前所述，在使用SINUMERIK- 810T數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控車床中，利用數(shù)控系統(tǒng)提供的刀具監(jiān)控功能，即通過適當(dāng)調(diào)整某個 刀具監(jiān)控號(如下述的H8230)對應(yīng)的切削力增益值， 使刀具和工件接觸并開始切削時，切削力就已達(dá)到設(shè)定的切削力極限值，由此系統(tǒng)將自動停 止當(dāng)前程序段的執(zhí)行，并將此時的X、Z坐標(biāo)存放在系統(tǒng)R參數(shù)R94和R95中。

在某些大型結(jié)構(gòu)件(如火車車輪)的數(shù)控切削實(shí)踐中，要保證刀具耐用度，一般所使用的車刀的刀具半徑較大 (R10～R20)。為了保證加工余量測量 的正確性，刀具必須沿切削面的法向切入工件。此外，測量切入時應(yīng)在無刀具半徑補(bǔ)償?shù)那?況下進(jìn)行，即測量切入段應(yīng)使用G40。下列NC程序即為測量過程的數(shù)控代 碼。

……
G0 G40 X963.75 Z93.967
G1 X915.189 Z93.814 F5 H8230
R94=0 R95
@714
G1 @720 R94 K1 X891.219 Z93.215 F1.2
@714
@360 R601 K1
…

R801=R601-445.609
R535=0.999
N20 R610=R801/R535

SINUMERIK-801T數(shù)控系統(tǒng)中，指令“@720 R94 K1 ”的作用為將切削力超過設(shè)定值時的刀具中心坐標(biāo)X(直徑方向的坐標(biāo) )和Z分別送入R94和R95中保存；而指令 “@360 R601 K1”則是將存在 R94中的直徑方向坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成 半徑方向的坐標(biāo)值，并將之存入?yún)?shù)R601中。由此可知，系統(tǒng) R參數(shù)R601中存放的就是當(dāng)?shù)都夂凸?件接觸時刀具中心X向半徑坐標(biāo)值。

由圖4可知 ，B(x,y)點(diǎn)為規(guī)劃的測量點(diǎn)，刀具半徑為R，而測量切入時總是沿 工件表面的法向切入，所以我們可以計(jì)算出圖中所示的切削余量的單位法矢(亦即圖4中的測量切入段方向矢量)。


O--刀具中心 A--刀尖接觸點(diǎn) B--測量規(guī)劃點(diǎn) θ--切入方向矢量和X軸夾角 --測量切入段方向矢量
圖4 切削余量計(jì)算示意圖

=(cosθ， sinθ)

由圖4的幾 何關(guān)系則可計(jì)算出總切削余量t0的粗 加工余量t粗。

總切削余量t0=BO-R，BO=(R601-x)/cosθ，所以t0=(R601-x)/cosθ- R

若已知精加工余量為t精，由總余量則可計(jì)算出粗加工余量。

t粗=t0- t精= (R601- x)/cosθ- R-t精

根據(jù)計(jì)算出的粗加工余量和編程者參照切削工藝規(guī)范所設(shè)定的每刀最大切削量 Amax，就能夠算出走刀次數(shù)和 每刀切削量。

3) 測量過程的CAPP

測量過程CAPP由兩個步驟組成：測量切入段規(guī)劃和測量切出段規(guī)劃。進(jìn)行測量過程CAPP時，在左/右刀架測量參數(shù)設(shè)置對話框中 輸入測量工藝參數(shù)。為了保證加工余量測量的正確性，在測量切入時，必須保證刀具沿零件 表面的法線方向切入工件。為方便用戶確定測量點(diǎn)的位置，系統(tǒng)提供了兩種方法，這兩種方 法分別為：法向到工件，法向從工件。其含義如下：

法向到工件 用戶首先用數(shù)據(jù)鈕選擇測量點(diǎn)所在的圖素，而測量點(diǎn)就是鼠標(biāo)當(dāng)前點(diǎn)到切 削段的法向投影點(diǎn)(如圖5a所示)。

A--測量點(diǎn)所在圖素的鼠標(biāo)選擇點(diǎn) B--鼠標(biāo)當(dāng)前點(diǎn) C--切入段的終點(diǎn)
圖5 刀具切入工件的兩種方式

法向從工件 用戶首先用數(shù)據(jù)鈕確定測量點(diǎn)，系統(tǒng)過該點(diǎn)作測量點(diǎn)所在圖素的法線，而 切入段直線的另一個端點(diǎn)就是鼠標(biāo)當(dāng)前點(diǎn)到該法線的法向投影點(diǎn)(如圖5b所示)。

測量點(diǎn)確定后，根據(jù)需要可以在系統(tǒng)動態(tài) (所選刀具和橡皮筋的動態(tài)顯示 )的幫助下來確定其它的切入段 。另外，為了方便用戶的操作，在規(guī)劃切入點(diǎn)時，系統(tǒng)對每個步驟都給出了詳盡的提示。切 入段規(guī)劃完成后，接著規(guī)劃測量過程的切出段，為了保證測量過程的正確性，系統(tǒng)規(guī)定切出 第一段和切入最后一段相同，系統(tǒng)同時亦提供了相應(yīng)的切出動態(tài)，幫助用戶進(jìn)行切出段規(guī)劃 。所有測量點(diǎn)均規(guī)劃完成后，用系統(tǒng)的存盤工具將規(guī)劃的測量數(shù)據(jù)存入測量刀位工藝數(shù)據(jù)文 件中。

3測量后置處理

完成測量過程CAPP后，調(diào)用系統(tǒng)的后置處理模塊來生成車削測量過程的 NC程序。眾所周知，用半徑 R不為0的刀具進(jìn)行切削時，一般應(yīng)在使用刀具半徑補(bǔ)償 (左刀補(bǔ)G41和右刀補(bǔ)G42)的方式下進(jìn)行切削。但由 于測量時，刀具沿切削面的法向切入工件，所以刀具一定要在撤刀補(bǔ)G40下切入工件。

圖6 測量時的刀具運(yùn)動軌跡
注：圖6中僅畫出了刀片圓，實(shí)心圓為刀具開始接觸工件時的狀態(tài)；虛線圓的圓心O1為測量NC程序中，測量切入段的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。精切余量A精為 DE段的長度，測量規(guī)劃點(diǎn)E的坐標(biāo)為(x,z)。

圖6所示的 是刀具測量切入時的刀具運(yùn)動軌跡，其過程為：刀具從A點(diǎn)快速運(yùn)動G00到B點(diǎn)，再以G01到C點(diǎn)，最后以一個更慢的進(jìn)給速 度G01到O1點(diǎn)。 而實(shí)際上，由于刀具監(jiān)控作用對切削力的正確設(shè)定(如前述NC程序中的H指令H8230)，所以當(dāng)?shù)都鈩偤凸ぜ?接觸時(如圖6中刀具中心處在 O點(diǎn)時)，就已達(dá)到設(shè)定的切削力監(jiān)控 值而停止切削。后置程序需要解決的是O1 (x1， z1)點(diǎn) 的計(jì)算。O1的算 法如下所示。

計(jì)算出O1點(diǎn)坐標(biāo)后，也就得到了測量切入段目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，即：


“G1 @720 R94 K1 X891.219 Z93.215 F1.2”中的X和Z坐標(biāo)值，由 “@360 R601 K1”得到圖 6中O點(diǎn)的X坐標(biāo)(存在R601中)，又由“ R801=R601-455.609”計(jì)算出總余量在 X方向的投影，再由 “R535=0．999”將切削面的單位法矢的方 向余弦cosq存入R801，最后由“N20 R610=R801/R535”得到總切削余量 (存在R610中)。

4結(jié)束語

利用數(shù)控系統(tǒng)的刀具監(jiān)控功能來實(shí)現(xiàn)切削余量自動測 量的數(shù)控加工的自動編程，為解決毛坯制造精度低的大型鑄、鍛件的數(shù)控加工找出了一條高 效途徑。該自動編程系統(tǒng)現(xiàn)已成功地用于馬鋼車輪輪箍廠，實(shí)現(xiàn)了不同國家不同型號的火車 車輪的車削數(shù)控編程。該編程系統(tǒng)的使用不僅大大提高了編程精度，而且數(shù)倍地提高編程效 率，用本系統(tǒng)生成的NC程序加工出的車輪經(jīng)檢驗(yàn)完 全符合圖紙要求。該系統(tǒng)對大型鑄、鍛件的自動數(shù)控編程具有很大的推廣價(jià)值。