數(shù)控床車的幾種橢圓加工方法

蔡康強

(佛山市三水區(qū)理工學(xué)校廣東佛山528137)

在實際應(yīng)用中，常會遇到各種各樣的曲線形加工零件，其中橢圓形零件就是常見的一種二維輪廓工件，也是比較難以加工的工件。目前橢圓形零件的加工方法主要有:在普通車床上進行近似加工、設(shè)計專用加工裝置進行加工、數(shù)控車床加工、特種加工等。

對于在數(shù)控車床上加工橢圓，需要針對不同系統(tǒng)數(shù)控車床采用適當(dāng)?shù)募庸し椒āＳ械南到y(tǒng)可以用宏程序加工(如華中數(shù)控系統(tǒng)、法蘭克數(shù)控系統(tǒng))，有的系統(tǒng)可以直接用橢圓指令加工(如廣數(shù)TDA)，有的系統(tǒng)可通過修改相關(guān)參數(shù)來配合橢圓加工(如廣數(shù)980T)，多數(shù)系統(tǒng)都可以用比較方便的自動編程法加工。

下面以圖1所示橢圓手柄為例，分別針對不同系統(tǒng)介紹宏程序法、橢圓指令法、參數(shù)修改法和自動編程法等數(shù)控車床的橢圓加工方法。

圖1 橢圓手柄

1 宏程序法

用宏程序加工橢圓是較常用的方法，宏程序是提高數(shù)控機床性能的一種特殊功能。用宏程序的最大特點是可以對變量進行運算，使程序應(yīng)用更加靈活、方便。雖然子程序?qū)幹葡嗤庸げ僮鞯某绦蚍浅Ｓ杏茫煤瓿绦蛴捎谠试S使用變量運算和邏輯運算及條件轉(zhuǎn)移，使得編制相同加工操作的程序更方便、更容易。

由于輪廓表面為非圓曲線，無法采用常規(guī)的直線和圓弧指令進行編程。因此，可引入宏程序編程的方式進行曲線擬合編程。

該手柄橢圓段可用宏程序如下:

……

G01X0Z0 ；加工橢圓的起點

#1=0 ；設(shè)Z=#1為自變量，開始時要賦橢圓起點z值

WHILE#1GE［-30］；執(zhí)行判斷橢圓終點z值

#2=25/12.5*SQRT(12.5*12.5-#1*#1)；根據(jù)橢圓數(shù)學(xué)公式求X的值

G01X［2*#2］ Z［—25+#1］ ；轉(zhuǎn)化為工件坐標并執(zhí)行直線插補

#1=#1— 0.2 ；變量z自減

ENDW；返回WHILE語句

G01X13.871 Z—45.799 ；加工橢圓的終點坐標

……

該宏程序的原理是利用微直線插補軌跡逐漸逼近橢圓輪廓，每段直線插補的終點以z為自變量，根據(jù)橢圓數(shù)學(xué)公式求出x的值確定，自變量z每次自減量要根據(jù)情況設(shè)置適當(dāng)，如果設(shè)置太大則走刀軌跡不夠光滑逼真，如果設(shè)置太小則插補運算時間過長使加工太慢。

由宏程序的原理及特點可知，只要知道曲線的數(shù)學(xué)方程式，不但橢圓，理論上其他曲線都可以用宏程序的方法利用微直線插補軌跡逐漸逼近曲線的原理來加工。

2 指令法

該方法是指對于一些高性能數(shù)控機床，其本身自帶橢圓插補指令，比如廣州數(shù)控GSK-TDA等，這樣加工橢圓就很方便了。

1)指令格式

G6.2 X(U)__Z(W)__A__B__Q__

G6.3 X(U)__Z(W)__A__B__Q__

2)指令說明

G6.2指令運動軌跡為從起點到終點的順時針(后刀座坐標系)/逆時針(前刀座坐標系)橢圓；

G6.3指令運動軌跡為從起點到終點的逆時針(后刀座坐標系)/順時針(前刀座坐標系)橢圓；

X(U)、Z(W):橢圓弧終點坐標；

A:橢圓長半軸長(0＜A＜=9 999.999mm，無符號)；

B:橢圓短半軸長(0＜B＜=9 999.999mm，無符號)；

Q:橢圓的長軸與坐標系的z軸的夾角(逆時針方向)，(單位:0.001度)；在右手直角笛卡爾坐標系中，從y軸的正方向俯視xz平面，z軸正方向繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到與橢圓長軸重合時所經(jīng)過的角度。

用橢圓指令編程如下:

……

G6.3X13.871Z—45.799A25B12.5Q0；或

G6.3U13.871W—45.799A25B12.5；

……

可見，用橢圓指令是非常方便的。

3 參數(shù)修改法

有的數(shù)控機床既沒辦法用宏程序加工橢圓，又沒有橢圓插補指令，比如GSK—980T數(shù)控車床就屬于這一類型車床。為了解決這個問題，可以用圓弧插補指令與修改機床系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的方法來達到加工橢圓。

在數(shù)學(xué)上，橢圓曲線與圓弧曲線之間有這樣的關(guān)系:如果圓的一個軸向距離保持不變，而另一個軸向距離不管是增大還是縮小，此圓都會變成橢圓。另外，機械傳動鏈節(jié)的有關(guān)參數(shù)如齒輪比、絲杠導(dǎo)程及脈沖當(dāng)量等均以機床數(shù)據(jù)的形式存儲在數(shù)控系統(tǒng)的存儲器中，對控制系統(tǒng)而言，改變某一進給軸機床數(shù)據(jù)的數(shù)值相當(dāng)于改變了機床機械傳動鏈節(jié)相應(yīng)部分的結(jié)構(gòu)。

由此，利用GSK—980T數(shù)控車床本身的圓弧插補指令，再修改系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)，即可實現(xiàn)軸方向的放大或壓縮，完成圓到橢圓的變換，實現(xiàn)橢圓形零件的數(shù)控加工。

設(shè)定GSK—980T數(shù)控車床系統(tǒng)參數(shù)如下:

1)參數(shù)號015=1 x軸坐標的指令倍乘比；

2)參數(shù)號016=2 z軸坐標的指令倍乘比；

3)參數(shù)號022=3 800 x軸坐標快速移動速度，最大值為3 800；

4)參數(shù)號023=3 800 z軸坐標快速移動速度，最大值為7 600(此參數(shù)設(shè)定值縮小一倍主要原因是避免在加工的過程中出現(xiàn)快速移動速度超出最大范圍)。

編寫GSK—980T數(shù)控車床加工橢圓段程序如下:

……

N10G00X100Z100

N20M03S600

N30T0101

N40G00X50Z2；加工起點

N50G71U1R0.5

N60G71P70Q90U0.2W0F130

N70G00X0 ；粗車循環(huán)起點

N80G01Z0F100

N90G03X13.871Z—45.799R12.5；由于參數(shù)號016=2，所以在z軸方向上的進給量、進給速度增為編程值的2倍

N100M03S1500

N110G71P70Q90；橢圓精加工

……

應(yīng)該說，參數(shù)修改法只能是加工橢圓段，加工不夠連貫，效率較低，使用并不方便。

4 自動編程加工法

使用CAXA數(shù)控車XP軟件對圖1進行自動編程操作，具體步驟如下:

1)根據(jù)零件圖進行二維造型，確定毛坯尺寸。

2)選擇加工方法，設(shè)置參數(shù)，選擇刀具。

3)根據(jù)加工方法確定零件輪廓及起刀點、退刀點。

4)生成刀軌，并進行驗證和編輯。

5)根據(jù)所使用的數(shù)控系統(tǒng)，進行后置處理，即可生成數(shù)控加工程序。

6)把生成程序下載到數(shù)控車系統(tǒng)運行加工。

隨著微電子、計算機軟硬件技術(shù)、自動控制、機電一體化等技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代機械設(shè)計制造技術(shù)向著集成化、柔性化、一體化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，計算機輔助設(shè)計制造技術(shù)日益強大，自動編程方法的功能越來越強大，應(yīng)用越來越方便，特別是復(fù)雜零件的設(shè)計加工，將會更多的采用自動化技術(shù)。

5 結(jié)語

本文介紹的幾種數(shù)控車橢圓編程加工方法各有特點，宏程序法通用性強、功能靈活，橢圓插補指令法使用方便但只有特殊機床才擁有橢圓指令，參數(shù)修改法可擴展功能，針對原來不具備橢圓加工的機床(如GSK-980T)進行適當(dāng)擴展，但需改動部分機床數(shù)據(jù)，要求操作者具有相關(guān)專業(yè)知識。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進步，還會有更方便的曲線加工指令和方法，而且不但有橢圓加工指令，還有拋物線、雙曲線等曲線加工指令，當(dāng)然，最方便、綜合功能最強的還是自動編程加工方法，自動編程越來越得到廣泛應(yīng)用，這使得數(shù)控車床的功能越來越強。

［1］華中數(shù)控機床使用手冊.

［2］廣州數(shù)控GSK-TDA使用手冊.

［3］廣州數(shù)控GSK-980T使用手冊.

［4］劉曉初.一種在機床上加工橢圓零件的近似方法［J］.機械制造，1998.