基于宏程序的非圓曲線最短加工路線設(shè)計(jì)

馮大鵬，黃耀威

( 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山528000)

在非圓曲線輪廓的軸類的數(shù)控加工編程中，宏程序具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。手工常規(guī)編程無法編制出非圓曲線加工程序，而應(yīng)用宏程序，可通過變量賦值、運(yùn)算等變化，形成插補(bǔ)的更新，用細(xì)段直線逼近輪廓線，并自動(dòng)完成下一接點(diǎn)的計(jì)算及插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，從而完成非圓曲線加工。粗加工時(shí)，宏程序所形成的切削路線為輪廓等距線，按同一軌跡重復(fù)切削，每次切削刀具向前移動(dòng)一次，直至加工完成。這種循環(huán)進(jìn)給路線是由于宏程序的特點(diǎn)而形成的，它與常用的復(fù)合車削循環(huán)指令G70、G71 的刀具路線相差較大，而與仿形復(fù)合粗車循環(huán)指令G73 所形成的刀具路線相仿。從刀具路線優(yōu)化角度來看，這種走刀方式的加工效率有待提高。

1 沿坐標(biāo)軸平行切削是實(shí)現(xiàn)最短進(jìn)給路線的有效方法

使加工程序具有最短的走刀路線是優(yōu)化加工程序的主要目標(biāo)之一。走刀路線是指切削加工過程中刀具相對(duì)于被加工零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，它包括參與切削和不參與切削兩大部分，其中不參與切削部分指空程走刀路線。對(duì)于如何減少走刀空程，特別是減少進(jìn)給走刀空程的研究，已經(jīng)有較多的論述。但對(duì)于參與切削部分的刀具路線，如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其研究還有待深入，其目的在于使切削進(jìn)給路線最短，減少切削加工時(shí)間。

在切削過程中，切削進(jìn)給路線長短與切削方式有關(guān)。對(duì)工件某切削區(qū)域的粗加工，一般有兩種切削進(jìn)給路線選擇:(1)平行輪廓的等距路線;(2)平行坐標(biāo)軸的“矩形”走刀路線。這兩種切削路線的長短是不同的，下面可通過實(shí)例對(duì)比進(jìn)行分析。

圖1 所示斜線a'為粗加工完成后的輪廓線，而a為a'的等距線。加工a 以下區(qū)域有兩個(gè)方案: (1)平行a 進(jìn)行切削，其刀路如圖1 虛線所示，分n 次走刀完成，背吃刀量為b/n;(2)走平行坐標(biāo)軸的矩形循環(huán)進(jìn)給路線，其刀路如圖1 實(shí)線所示。粗加工最后一刀軌跡相同。

圖1 兩種切削進(jìn)給路線

由圖1 可得:

則方案一的切削路線長度總和:

同理可得出方案二切削路線長度總和:

因?yàn)閍 ＞c，即Σ1＞Σ2，故方案二的平行坐標(biāo)軸的切削路線較短。

以上僅以斜線作為加工對(duì)象進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于由多段斜線和直線組成的輪廓線，當(dāng)其直徑呈遞增變化時(shí)，上述兩種加工方案的對(duì)比結(jié)果同樣適用。對(duì)于各種非圓曲線及圓弧，其刀具路線長度的計(jì)算復(fù)雜，難以直接進(jìn)行比較，不過，如果曲線的斜率沒有出現(xiàn)急劇的變化，可設(shè)想由多個(gè)臺(tái)階內(nèi)接這些曲線，如圖2所示。

圖2 曲線斜率變化不大時(shí)刀路設(shè)計(jì)

加工這些臺(tái)階可采用方案二的平行坐標(biāo)軸切削方法，其效率顯然比平行輪廓的切削方法要高，而且對(duì)粗加工的精度影響不大，因?yàn)橹筮€要沿曲線的等距線完成粗加工的最后一刀。

以上分析說明:沿坐標(biāo)軸平行切削是實(shí)現(xiàn)最短進(jìn)給路線的有效方法。為了實(shí)現(xiàn)平行切削，數(shù)控系統(tǒng)都提供一些復(fù)合循環(huán)指令如G71、G72 等，但這些指令一般只能加工由直線、圓弧組成的輪廓曲線，對(duì)于非圓曲線零件的粗加工無能為力。因此，在應(yīng)用宏程序加工非圓曲線時(shí)，如果設(shè)計(jì)出一種類似于復(fù)合循環(huán)指令的沿坐標(biāo)軸平行切削方法，將使切削進(jìn)給路線最短，加工效率高。

2 非圓曲線零件的矩形循環(huán)路線的設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)分為兩部分:第一部分是沿z 軸平行切削循環(huán)，第二部分加工非圓曲線的最后形狀。

設(shè)計(jì)流程圖見圖3。

圖3 設(shè)計(jì)流程圖

3 實(shí)例及結(jié)果對(duì)比

例1 對(duì)圖4 所示的A － B 段曲線進(jìn)行粗加工，毛坯直徑為94 mm，留精加工余量1.0 mm。z 向零點(diǎn)在小端“O”處。應(yīng)用FAUNC 宏功能編程。

圖4 示例零件

零件分別采用如下方案加工: (1)沿坐標(biāo)軸平行切削方法; (2)平行輪廓切削方法。兩種切削方法的刀具路線分別用虛線和細(xì)實(shí)線表示，見圖5。

A1－B1為粗加工結(jié)束前最后一刀，兩個(gè)方案的最后一刀路線相同，A2－B2為粗加工結(jié)束前倒數(shù)第二刀。

圖5 兩種切削方法的刀路

(1)沿坐標(biāo)軸平行切削方法。

設(shè):#1 為Z 變量，#2 為Z截止變量，#3 為X 變量。

O0001

S400M3

T0101

G0X94Z-11.25

#3 =48//X 變量賦初值

N2 G0U2//退刀

G0X94Z-11.25

#3 =#3-2.0//X 變量遞減

IF ［#3 LE 18.0］GOTO 5//判斷X 變量

#1 = －11.25//Z 變量賦初值

#2 =SQRT ［225* ［［#3 －3］ * ［#3 －3］ /144 －

1］］ //計(jì)算Z 截止值

N4#1 =#1 －0.5//Z 值遞減

G01X ［2* #3］Z#1F100//直線插補(bǔ)

IF ［［#1］LT #2］GOTO 2//判斷Z 值是否到截止值

GOTO 4

N5 G0X94Z－11.25//準(zhǔn)備加工A1 －B1 段

#1 = －11.25//Z 賦初值

N6 #3 =SQRT ［144* ［1 +#1* #1/225］］ +1//計(jì)算

X

G01X ［2* #3］Z#1F80//插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)

#1 =#1 －0.2//Z 遞減

IF ［#1 GT－55.5］GOTO 6//判斷Z 值是否到終點(diǎn)

G0X94Z－11.25

M30

(2)平行輪廓切削方法。

設(shè):#1 為Z 變量，#2 為X 變量，#3 為切削余量變量，#6 為中間變量。

O0002

S400M3

T0101

G0X94Z－11.25

#3 =32//切削余量變量賦值

N2 G0X94Z－11.25

#3 =#3 －2.0//切削余量遞減

IF ［#3 LE 0］GOTO 5//判斷切削余量

#1 = －11.25//Z 變量賦值

N4 #2 =SQRT ［144* ［1 +#1* #1/225］］ +1//計(jì)算

X

G01X ［2* ［#2 +#3］］Z#1F120//直線插補(bǔ)

#1 =#1 －0.5//Z 值遞減

#6 =2* ［#2 +#3］

IF ［#6 LT 94］GOTO 4//刀是否超出毛坯

GOTO 2

N5 G0X94Z－11.25

M30

兩種方案的刀具路線長度總和(A2－B2以下部位)見表1。

表1 兩種方案的刀具路線長度總和

從表1 可知:采用方案一切削路線明顯縮短，這對(duì)于提高加工效率有較大幫助。

4 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)一種近似于矩形的循環(huán)進(jìn)給路線，實(shí)現(xiàn)粗加工垂直進(jìn)刀→水平切削→退刀→再進(jìn)刀的加工循環(huán)，使加工路線較短，效率提高。這種加工方法對(duì)于單調(diào)變化的非圓曲線，如雙曲線、對(duì)數(shù)曲線等的加工非常有效，而對(duì)于非單調(diào)變化的非圓曲線加工，單一的矩形循環(huán)進(jìn)給路線并不適用，此時(shí)需要采用平行輪廓的等距路線，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了換刀時(shí)間，一次加工完成。但由于零件外圓含有凹弧，為避免刀具副切削刃與工件發(fā)生干涉現(xiàn)象，刀具副偏角一般較大，而副偏角加大不利于刀具強(qiáng)度的提高和加工散熱，影響刀具壽命，同時(shí)限制了切削用量，不利于加工效率的提高。從優(yōu)化加工路線角度綜合衡量，需尋找更加合理的加工方案的配對(duì)組合。

【1】王娟平.回轉(zhuǎn)體類零件的數(shù)控加工工藝路線及工序進(jìn)給路線的設(shè)計(jì)［J］.新技術(shù)新工藝，2011(6):56 －58.

【2】陳光明.數(shù)控加工中工藝路線設(shè)計(jì)原則及方法［J］. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005(11):69 －72