強力旋壓機床自動編程系統的研究

王寧，辛世界

(山東理工大學機械工程學院，山東淄博255049)

1 旋壓技術的發展現狀

旋壓技術是塑性成形加工常用的技術之一，因其容易實現產品的輕量化、柔性化、精密成形制造而在塑性加工中受到特別的重視。經強力旋壓后，金屬的微觀結構發生變化，表面硬度和抗疲勞強度以及表面精度都有所提高。而強力旋壓由于縱向和橫向進給力大，可以更高效地旋壓大壁厚的零件，使其成為旋壓機中的佼佼者。

我國對旋壓機床的研究起步較晚，相關的研究人員較少，且主要集中于航空、航天以及兵器工業集團公司的一些科研院所，研制的旋壓機床距國際先進水平都有較大的差距。尤其在強力旋壓方面，數控、伺服驅動系統等核心部件大都是依賴于國外進口。由于受到出口限制，這些系統在功能上都有一定程度的減少，嚴重制約了我國旋壓機床的應用范圍和機械制造水平的提高。基于PC平臺的編程系統應用不夠廣泛，大部分還是采用手工編程，工作強度大，編程效率低，嚴重影響工業生產的加工精度和效率。

基于AutoCAD平臺，開發適用于旋壓機床的圖形化編程系統，以實現各種旋壓零件加工程序的高效編制，減輕勞動強度，推動強力旋壓技術在更廣泛領域中的應用。

2 旋壓機床編程難點分析

3D65CNC強力旋壓機床是20世紀90年代從國外進口的大型機床，專用于金屬筒形件旋壓。機床持續工作了近二十年，其數控、驅動系統等已嚴重老化，故障頻發，但機床的主體仍然保持著較高的機械精度，加之旋壓機床價值昂貴，所以數控及驅動系統的升級刻不容緩。機床系統升級，采用西門子Sinumerik840D、SIMODRIVE 611D、SIMATIC S7-300系列PLC。Sinumerik840D是西門子公司20世紀90年代推出的高性能數控系統，其軸控規模強大，最多可配31個軸，可以實現五軸聯動，任何三維曲面都可以加工。

由于旋壓機床軸系統由縱向進給軸A，橫向進給軸X、Y、Z組成，3橫向進給軸呈120°均布，且徑向和軸向均存在一定錯距量。早先采用的直角坐標系的編程系統不能完全滿足旋壓機床零件加工程序編制的需求。因此需要開發新的編程系統，以實現不同外形零件加工程序的高效編制。

旋壓機床是專用機床，對母線復雜的回轉體工件進行旋壓時，如何通過數控加工代碼實現主軸和旋輪(A、X、Y、Z)的同時插補，是數控編程的一個難點。為解決這一問題，擬對120°均布的三旋輪裝置分別進行編程控制，利用Sinumerik840D的機床坐標系耦合功能，來實現四軸同時插補。縱、橫向均采用伺服電機控制，通過光電編碼器，將位置和速度檢測信號反饋給控制系統，實現理想的錯距旋壓成形。

3 自動編程系統原理

AutoCAD采用了開放的體系結構，提供了一個交互式的開發平臺。自動編程采用模塊化結構，其原理:首先，在AutoCAD平臺上繪制工件輪廓圖，獲取幾何信息;由人機交互對話框輸入主軸轉速等工藝參數;然后，由前置數據處理模塊處理圖形文件獲得刀具中心軌跡;再通過圖形編程模塊生成相應的數控加工程序;最后對生成的NC代碼進行編輯修改，確認能達到加工要求后，將NC代碼傳送到旋壓機床進行加工生產。自動編程系統模塊結構圖見圖1。

圖1 自動編程系統模塊結構圖

繪制零件的二維圖形。AutoCAD二維圖形包括零件輪廓和中心線、尺寸標注等非零件輪廓的實體。為了能夠準確提取圖形實體，需要給描述零件輪廓的實體下列特定的相關聯的性質:按1∶1的比例繪制零件二維輪廓圖;輪廓線首尾相連接形成一條多段線;描述零件輪廓的圖形實體放在同一圖層，設置成同一種顏色，將中心線、標注尺寸放在另一層。

圖形幾何信息的獲取。基于AutoCAD平臺，可以通過以下方式來獲取零件圖形幾何信息:(1)對于比較復雜的圖形，需要通過刀具中心數據文件(DXF文件)來獲取，其中的二維數組會記錄零件圖中的線性信息，包括直線的起點坐標、終點坐標，圓弧的圓心坐標、半徑、起點坐標、終點坐標;(2)對于輪廓簡單的圖形，將各輪廓線首尾相連成多段線(PLINE)，確定相應的起點和終點，便于確定刀具的運動方向。多段線可以用直線和圓弧逼近任意形狀，符合旋壓機床所具備的直線插補和圓弧插補算法;(3)通過人機交互來直接拾取零件實體輪廓，將輪廓細分成微小的直線和圓弧，只要獲取直線和圓的關鍵點坐標。這里采用第二種獲取方式。

工藝參數輸入。主軸轉速、進給速度、切削余量等必要的加工參數，需要在NC代碼生成前，通過人機交互方式輸入系統。此系統通過DCL文件和Visual LISP語言，開發人機交互式的菜單及相應的對話框，輸入必要的工藝參數，并且用戶可以根據所加工零件的尺寸進行修改。相應的工藝參數需要根據毛坯材料、刀具材料、機床的性能等因素來確定，或者從工序卡中獲取。

NC代碼生成。該模塊是自動編程系統的核心。NC代碼是根據零件的幾何圖形信息和加工工藝信息進行處理所形成的。圖形幾何信息主要是關鍵點坐標;工藝信息主要包括刀具半徑補償、機床工藝參數、插補算法。主程序在調用圖形處理模塊處理數據時，結合工藝參數生成刀位數據文件;然后進入系統進行數控編程系統初始化，生成所需的NC代碼格式，保存為TXT格式。

數控程序輸出。將生成的NC代碼編輯修改為機床所能識別的代碼文件，直接或間接地輸入到旋壓機床。

4 自動編程系統的實現

Visual LISP在AutoLISP基礎上增加了對話框和窗口界面的庫，提供了一套完整的集成開發環境(IDE)，具有代碼編輯、程序調試、獨立應用程序發布等功能。旋壓機床編程系統的實現方案如下:

(1)系統菜單設計

菜單樣式包括下拉菜單、屏幕菜單、圖像菜單等，這里用到的是下拉菜單。菜單的定制是通過編寫并加載菜單文件*．mnu來實現的。在文本格式下編輯文本文件，存盤時文件擴展名為．mnu。菜單文件的加載方式有兩種:①通過鍵入MNEU命令，彈出加載對話框來編譯加載，加載完成后會生成*．mnc、*．mnr、*．mns文件;②通過工具→自定義→菜單來完成程序加載，將生成的菜單名插入到菜單欄的合適位置。加載完成后形成圖2所示的界面。

圖2 旋壓下拉菜單加載

(2)交互對話框的設計

相關工藝參數通過人機交互對話框輸入，如圖3所示。對話框的外觀和格式的制定由編寫的DCL文件來實現，而對話框的應用則是由編程語言來控制的。AutoCAD系統提供了兩個重要 DCL文件:ACAD．DCL，存放 AutoCAD系統定義的對話框;BASE．DCL，為用戶提供常用的對話框標準控件。定義對話框時，可以直接使用AutoCAD預定義的25種控件類型以及8個最常用的控件，但是在編寫驅動程序時，必須注意控件的關鍵字。

圖3 工藝參數輸入對話框

這部分的核心問題是設計編寫、調用實現相關功能的函數，并把對話框中的控件與函數中的變量相匹配，實現系統對數據輸入的記憶。

(3)從圖形到NC代碼的實現

文中的加工實例輪廓比較簡單，僅含有直線或圓弧。進入系統拾取各實體線編輯成多段線PLINE。在AutoCAD中，主要用頂點坐標和凸度來描述PLINE，通過凸度來判別下面的輪廓是直線或圓弧，來確定G代碼的格式。取輪廓實體后，一般通過OFFSET指令，結合旋輪的半徑值，可以直接得到刀具中心軌跡線。把刀具軌跡各點的坐標等數據存儲到相應的數據文件中。這里需要用到Visual LISP實體處理函數:

(SETQ＊＊1(SSGET"Select a Ployline"));

(SETQ＊＊2(ENTGET＊＊1));表面處理函數得到各節點坐標和圓弧的凸度;

(SETQ＊＊3(CDR(ASSOC 10＊＊4)));從*＊4中取第一個節點坐標給變量＊＊3;

(SETQ＊＊5(CDR(ASSOC 42＊＊4)));

采用增量坐標編程，獲取了刀具中心軌跡各節點坐標或圓弧半徑后，通過后置處理模塊，根據ISO數控代碼格式便可將圖形幾何信息和工藝干預信息轉換成數控加工程序代碼，同時以“*．NC”形式文件名保存。

(4)強力旋壓機床的NC程序應用

通過自動編程系統生成的原始NC代碼，僅僅是其中機床一個旋輪的走刀程序，由于3D65CNC機床軸布局的特殊性，NC代碼需要經簡單編輯后，才能符合旋壓機床的軸系統功能，才能應用于實際加工。如何通過數控程序實現主軸和三旋輪同時向主軸A插補，是數控編程的難點一;旋壓機床的3個旋輪均存在軸向和徑向的錯距，致使各旋輪加工時的起始坐標不相同，是數控編程的難點二。考慮到以上兩個難點，結合所加工的零件是回轉體，所以3個旋輪的轉速、徑向進給速度和徑向進給量是一致的，這里應用Sinumerik840D的機床坐標系耦合功能，實現四軸聯動，并且只能采用增量坐標編程。例如:

…

N40 G01 X15 Y15 Z15 F4500

//三旋輪前進到起始位置

N50 A0 F4500

//A軸到零點

N60 G01 X9．5 Y8．5 Z7．5 F2000

//三旋輪前進到旋壓位置

N70 CC-COPON(X Y Z)

//將X、Y、Z軸耦合

N80 G91 G01 X-1 F500

//耦合狀態下，三旋輪進給增量-1

N90 CC-COPOFF(X Y Z)

//將X、Y、Z軸去耦合

…

5 總結與展望

基于AutoCAD平臺進行二次開發，實現了從零件二維輪廓圖到NC數控加工代碼的轉換。應用Sinumerik840D的機床坐標系耦合功能，采用增量坐標編程的方式，獲得了3D65CNC強力旋壓機床加工復雜母線回轉體零件的加工程序。經工廠的實際生產證明，明顯提高了各類零件旋壓的編程效率和加工精度。希望文中的研究能夠為我國早期進口旋壓機床的升級換代提供理論和實踐上的參考，促進我國旋壓機床技術水平的發展。

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