參數(shù)化編程在曲軸偏心圓弧銑削加工中的應(yīng)用

王佳偉++趙素榮

本文通過分析曲軸曲柄圓、連桿頸圓弧，畫圖建模分析尋找結(jié)構(gòu)外形相似性的曲軸，通過參數(shù)化編程編制適合加工多種同類型曲軸部位的通用程序。

一、引言

傳統(tǒng)的曲軸曲柄圓、連桿頸圓弧加工是采用偏心夾具把工件調(diào)整到機(jī)床回轉(zhuǎn)中心，以加工曲柄圓中心或連桿頸圓弧中心作為機(jī)床回轉(zhuǎn)中心，通過車削加工的方式來完成加工，此加工方式加工效率低，偏心夾具調(diào)整時間長，工人找正工件誤差大且工件找正時對操作者操作技能要求較高。為實現(xiàn)曲軸產(chǎn)業(yè)的高效加工，引入了新的加工方式，目前我們引入大型臥式車銑加工中心，可實現(xiàn)三軸以上聯(lián)動銑削加工，該方式利用車銑加工中心三軸聯(lián)動的方式，以曲軸主軸頸中心作為回轉(zhuǎn)中心，加工刀具跟隨曲軸曲柄圓和連桿頸做空間圓弧插補(bǔ)運(yùn)動，以銑削的方式完成加工。當(dāng)機(jī)床C軸（或A軸）做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，刀具在x軸和Y軸平面內(nèi)以圓弧運(yùn)動跟隨機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸C軸運(yùn)動時，編制程序時不容易找到編程所需的坐標(biāo)點。要實現(xiàn)三軸以上加工程序的編制，目前主流的編程方法是采用編程軟件編程，而編程軟件編出來的程序會相當(dāng)長，缺乏可讀性，且不容易修改；如果手工編程，編程時間長，且需要每次作圖才能確定其復(fù)雜的坐標(biāo)點，如果繪制的圖形不準(zhǔn)確或坐標(biāo)點精度不夠，在程序運(yùn)行時則容易出錯及出現(xiàn)報警而導(dǎo)致程序的調(diào)試時間增長，影響加工效率及產(chǎn)品開發(fā)周期。

二、曲軸連桿頸、曲柄圖樣分析

本公司近年先后開發(fā)了多種船用、機(jī)車曲軸，而這些曲軸的曲柄外形輪廓80%都相似（如圖1所示），就是尺寸大小不一樣。針對目前批量小，交貨周期短的特點，為縮短程序編制及調(diào)試周期，對各種曲軸的曲柄外形進(jìn)行建模分析，尋求相似性，通過圖1看以看出曲軸連桿頸是由一個與主軸頸中心相距一定距離的圓柱面，曲軸曲柄外形則是由與主軸頸中心有一定偏心距離的圓弧組成，由此我們可以把曲柄圓、連桿頸看成是以主軸頸作為回轉(zhuǎn)中心加工由一定角度組成的偏心圓弧。因此需要開發(fā)一種能加工偏心圓弧的通用銑削子程序，以滿足不同品種曲軸曲柄圓及連桿頸外圓加工。這樣可以大大節(jié)省程序的編制及調(diào)試時間，減少程序出錯幾率。

三、程序編制

以圖1中曲軸外形為例，機(jī)床操作系統(tǒng)：西門子840D；機(jī)床：車銑復(fù)合加工中心。

我們要寫通用程序，就要使用參數(shù)化編程，參數(shù)化編程也稱為零件類編程，就是對于同一類相似零件，通過使用變量而不是特定的尺寸數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)來進(jìn)行編程，程序最大特點就是將有規(guī)律的形狀或尺寸用最短且通用的程序段表示出來。

目前數(shù)控機(jī)床不管是做何種復(fù)雜的軌跡運(yùn)動，其本質(zhì)都是由無數(shù)細(xì)分的直線段組成，加工的任何復(fù)雜輪廓都是刀具走過無數(shù)個很小的直線段拼接而成。也就是說銑削曲軸偏心圓弧時需要寫出C軸轉(zhuǎn)6度X和Y的坐標(biāo)點位置，C軸轉(zhuǎn)b*2度X和Y的坐標(biāo)點位置……這種程序編制方法也就是編程軟件編程的原理，編制程序如下（參數(shù)坐標(biāo)只是為了舉例，沒有實際意義）。

NIO Gl XlO Y20 C=DC（l+b*l）F800

N20 Xll Y22 C=DC（1+b*2）

N30 X14 Y23 C=DC（1+b*3）

為了保證銑削表面的圓度，機(jī)床主軸C軸每次增加的角度6要非常小，才能滿足圖樣要求，如果機(jī)床主軸C在每個程序段增加的角度6較大則銑削出的圓會是一個明顯的多邊形，當(dāng)銑削直徑越大銑削出的多邊形越明顯。因此需要C軸每次轉(zhuǎn)過很小的角度，而這樣編制出的程序會很長；而每一個坐標(biāo)點X、Y都需要CAD作圖才能寫出正確的坐標(biāo)點，程序編制時間會非常長，程序讀寫和修改很不方便。

為了方便讀寫及修改，程序編制簡單，我們通過建立數(shù)學(xué)模型來尋找各坐標(biāo)參數(shù)點之間的相互關(guān)系。由圖2和圖3可以看出：刀具切削點始終與曲軸上加工的部位保持相切狀態(tài)，當(dāng)C軸旋轉(zhuǎn)角度6時，坐標(biāo)點X、Y和增加角度6之間存在一定的三角函數(shù)關(guān)系，這樣程序中X、Y坐標(biāo)點的賦值，可通過一個變量角度b，利用三角函數(shù)關(guān)系表示出來；C軸每次增加的角度b可以控制銑削圓形的圓度；通過C軸累計增加的角度b的總角度再結(jié)合if判斷語句、goto跳轉(zhuǎn)指令就可以完成一定角度偏心圓弧的循環(huán)銑削。

曲柄圓上任一銑削點坐標(biāo)如下。

X=R+AC=R+R8*cos（a）

Y=AB=R8*sin（a）

當(dāng)角度α增大b度時（機(jī)床C軸旋轉(zhuǎn)b度），其坐標(biāo)如下。

X1=R+AC=R+R8*cos（a+b）

Y1=AB=R8*sin（a+b）

連桿頸上任一銑削點坐標(biāo)如下。

X=R+AB=R+R8*cos（a）

Y=AC=R8*sin（a）

當(dāng)角度a增大b度時（機(jī)床C軸旋轉(zhuǎn)b度），其坐標(biāo)如下。

X1=R+AB=R+R8*cos（a+b）

Y1=AC=R8*sin（a+b）

當(dāng)機(jī)床C軸，銑刀到達(dá)合適起始點X、Y、Z時以下程序段即可以完成一定角度圓弧的銑削。

R31=0

R15=1

角度增量，銑削連桿頸0.25

0.5，銑削曲柄0. 5-1

R9=圓弧半徑

R16=-1

c軸轉(zhuǎn)向

R5=銑削角度

R2=銑削預(yù)留安全角度 刀具快速移動到銑削點外距

開始銑削點之間的角度

R6=偏心圓弧中心線與開始銑削點連線夾角（圖4）

MILLWEBR：

跳轉(zhuǎn)標(biāo)示

N630 IF （R3I《R5+R2》 銑削角度判段，決定銑

削角度

N640 R3I=R3I+R15

計算下次銑削角度

N650 Gl X=（R8*cos《R6+ 以GOI直線插補(bǔ)的方式

R3I）*R16》+R9 Y=《R8* X、Y、C軸到達(dá)指定坐

sin《R6+R3I）*R16》+

標(biāo)

（R17*R16））C=DC

（（R6+R3I）*R16） F800

N660 GOTOB_MILLWEBR 跳轉(zhuǎn)語句

N670 ENDIF

以上程序段雖然可以實現(xiàn)偏心圓弧的加工，但在平時加工過程中，粗加工完精加工有一定的加工余量，我們需要分幾刀來完成半精加工及精加工，所以在子程序里面可以使用G59偏置X軸來實現(xiàn)加工留量的分配；在測量頭找正時，由于所有曲柄圓圓弧圓心與曲軸旋轉(zhuǎn)中心連線角度無法測量，各個曲柄圓的角度只能通過與連桿頸的相對角度來計算確定，所以需要在子程序里面引入G59偏置C軸角度。

RlO=精加工佘量；精加工時數(shù)值為0

Rll=粗加工切削深度

RL2=粗加工銑削刀數(shù)

R3=偏心圓弧中心線與連桿頸中心線夾角。

G59 X=RIO+（RII*R12）C=R4或C=R3；附加零點偏置語句X偏置的數(shù)值就是偏心圓弧的留量

通過以上分析，偏心圓弧的銑削可以通過由帶有R參數(shù)的程序來實現(xiàn)，具體程序如下。

R1-R17參數(shù)賦值

N10 STOPRE

N20 G58 Z=R1O1 X=O Y=O

G58零點偏置

C=R111+R3

N30 LLMILLCIRCLE

子程序調(diào)用

LLMILLCIRCLE為偏心圓弧加工子程序，內(nèi)容如下：

（jia gong pian xin yuan hu zi cheng xu）

N10 R4=360R3

參數(shù)計算，銑削曲柄

圓2面參數(shù)（圖4）

N20 R7=360-R5-R6

參數(shù)計算，銑削曲柄

圓2面參數(shù)（圖4）

N30 IF （R16<>-I）OR（R16<>1） 參數(shù)賦值正確判斷

N40 GOTOF END

N50 ENDIF

N60 IF （R17>$PTOOLR）

參數(shù)賦值正確判斷

N70 GOTOF END

N80 ENDIF

N90 STOPRE

START：

N100 G59 X=RIO+（RII*R12）

G59零點附加偏置

C=R4

NllO GO X=R1+50

X軸快速進(jìn)給到安

全位置

N120 R31=0

計算參數(shù)賦值

*******mill Web l or mill pin**********

N130 GO G94 Y=（（R8*

銑刀Y、Z軸到達(dá)

sin（（R6R2）*R16））+

S3=R13 M3=3預(yù)

（R17*R16）） Z=0

銑削位置，C軸轉(zhuǎn)

C=DC（（R6R2）*R16）

到預(yù)銑削位置，

刀具主軸正向以

R13轉(zhuǎn)速開啟。

N140 GO X=（R8*

X軸到達(dá)銑削

cos（（R6R2）*R16））+

位置+lOmm處

R9+10

N150 G1 Y=（（R8*

Y軸到達(dá)指定開始

sin（（R6R2）*R16））+

銑削位置

（R17*R16）） M8

N160 G1 X=（R8*

在R2角度安全銑削

cos（R6*R16））+R9+

范圍內(nèi)，X、Y、

0.1 Y=（（R8*sin（（R6）*

C軸開始銑削

R16））+（R17*R16》

C=DC（R6*R16） F=R14

MILLWEBR：

跳轉(zhuǎn)標(biāo)示

N170 IF （R31<（R5+R2））

銑削角度范圍判讀

N180 R3I=R3I+R15

銑削角度遞增

N190 G1 X=（R8*

以直線插補(bǔ)的方式

cos（（R6+R3I）*R16））+R9

X、Y、C軸到達(dá)指

Y=（（R8*sin（（R6+R31）*

定坐標(biāo)

R16））+（R17*R16））

C=DC（（R6+R3I）*R16）；

N200 GOTOB MILLWEBR 跳轉(zhuǎn)語句

N210 ENDIF

N220 G59 X=RIO+RIl*R12 G59零點附加偏置

C=R3

N230 GO X=R1+50

X軸快速進(jìn)給到安全

位置

N240 IF（R3==O）and（R6==0） 判斷是銑削曲柄還是

銑削連桿頸。當(dāng)R3和

R6參數(shù)都是0時，說

明銑削的是連桿頸，

則 N240-N320之間程

序段不執(zhí)行。

N250 GOTOF MILLPIN

N260 ENDIF

**********mill wcb 2********

以下N240-N320意思同N130-N210

N270GOG94Y=（（R8*sin（（R7R2）*R16））+（R17*R16）） Z=0 C=DC（（R7R2）*R16）S3=R13 M3=3

N280 GO X=（R8*cos（（R7R2）*R16））+R9+10

N290 G1 Y=（（R8*sin（（R7R2）*R16））+（R17*R16）

N300 G1 X=（R8*cos（R7*R16））+R9+0.1 Y=（（R8*sin（（R7）*R16））+（R17*R16）） C=DC（R7*R16） F=R14

_MILLWEBL：

N310 IF （R3I<（R5+R2）

N320 R3I=R3I+R15

N330 G1 X=（R8*cos（（7+R3I）*R16（（+R9 Y=（（R8*sin（（R7+R3I）*R16（（+（R17*R16（（ C=DC（（R7+R3I）*R16）

N340 GOTOB MILLWEBL

N350 ENDIF

_MILLPIN ：

N360 R12=R12-1

N370 IF （R12>0）

N380 GOTO START

N390 ENDIF

N400 STOPRE

N410 GO X=R1+50 M9

END：

N420 M17

以上子程序的編制，在編制第一個程序時需要花費(fèi)較長的時間做參數(shù)邏輯計算，但在以后編制新程序時，只需要按照圖4和圖5給指定R參數(shù)和切削參數(shù)賦值就可以完成偏心圓弧的銑削加工程序編制，編制方法簡單且不易出錯。在此程序編制時也同時考慮了高效加工在每次刀具定位時都采用4個軸同時運(yùn)動，以節(jié)省輔助時間，此程序有效的解決了如圖1所示所有輪廓相似的連桿頸外圓及曲柄圓的銑削加工，而且此方法在車銑加工中心中已得到很好的應(yīng)用。

目前曲軸外形的設(shè)計多種多樣，之前分析的某曲軸曲柄外形為一段橢圓，現(xiàn)有要加工一段橢圓，就可通過以上參數(shù)化編程方法編制來銑削完成。如以后遇到拋物線或其他有方程函數(shù)規(guī)則的外形，都可以通過以上方法完成程序編制。

四、結(jié)語

參數(shù)化編程是手工編程的一種高級編程方法，具有程序邏輯性強(qiáng)，程序簡單，修改方便等優(yōu)點。利用參數(shù)間的計算功能，可以節(jié)省大量的刀位點計算時間和調(diào)試時間，提高加工精度，減少編程錯誤。對于同系列相似的產(chǎn)品，只需編寫一個通用的程序，加工時修改相應(yīng)的R參數(shù)即可完成程序編制，這樣可以避免重復(fù)編程，實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。