專用機床的通用數控編程設計方案實例分析

陳奎清

摘要：介紹了一個加工鏈輪、曲軸端面孔數控機床的通用程序。加工各種不同品種鏈輪、曲軸端面孔的專用數控機床的數控編程比較復雜，本文介紹了一個合理的采用參數化設計的通用加工程序從而解決了機床操作者數控編程困難的問題，為加工各種不同大小、不同加工孔數及其他特殊加工要求的零件提供了一個避免重復編寫數控程序的解決方案。

關鍵詞：數控編程;通用程序;設計方案

中圖分類號：TP659文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0219-02

1概述

在專用數控機床的數控編程中，經常會碰到相似零件加工的情形，由于它們的加工方式及使用的刀具不盡相同，而不得不對每種不同類型的零件進行不同的NC數控程序編寫，既需要操作人員掌握NC數控編程知識，也容易編寫失誤，對加工的效率及加工成品率有極大的影響，因此有必要對此類專用機床編寫一個零件加工的通用程序。對專用數控機床操作者來說，僅需要根據零件加工圖樣進行正確的參數設置即可達到同編寫一個正確且完整的NC數控程序一樣的目的，避免了切換加工零件時的編程及調試步驟，即節省了編程時間，也減少了調試出錯的可能。這里以本人獨立完成數控編程設計并已投入實際生產的一臺“ZK1數控加工機床”的通用NC數控程序為實例，來分析此類數控編程的編寫思路，并通過實例說明機床采用此數控編程設計方法后對機床操作者切換加工零件品種時的操作便利性。

2 ZK1數控加工機床通用程序的設計方案

2.1ZK1數控加工專用機床的運動控制及零件加工工藝

此數控機床采用西門子802Dsl數控系統進行數控編程設計，其采用一個園盤式24刀位刀庫用于存放加工刀具，三軸聯動控制機床的上下左右及加工方向的運動，其中X軸及Y軸控制機床刀具的橫向和縱向運行，Z軸控制刀具加工進刀方向，同時配備了一個主軸控制刀具的旋轉、刀具換刀角度定位及探測頭探測過程中的角度定位。

如圖1所示為一種需加工鏈輪的加工平面示意圖。加工前首先進行工藝分析， 明確被加工零件的材料、結構特點、孔位尺寸參數及加工精度要求，確定加工刀具和加工方式，然后擬定零件加工的工藝步驟即工藝路線，最后確定走刀路線及對刀點、起刀點的位置并設計切入、切出方式。

2.2加工坐標的定義

在此產品中以零件的中心為加工圓心，沿圓心一定距離加工一系列圓孔（各孔可能有不同的加工要求），其中包括加工一個特殊的定位孔，因此加工過程中必須先確定零件圓心O點的坐標。首先機床采用探測刀具探測出加工零件的橫向（X軸）及縱向（Y軸）外圓點坐標，分別得到橫向外圓的X軸坐標值X1、X2及縱向外圓的Y軸坐標值 Y1、Y2，再利用（X1+X2）/2及（Y1+Y2）/2算出圓心O點的X軸及Y軸坐標。找到圓心O的X/Y軸坐標以后，還需要利用探測刀具確定刀具接觸加工零件時的刀觸點位置（Z軸坐標值），這樣就確定了加工零件的加工原點。

由于加工孔位全部以圓心O為中心，所以對操作者來說以極坐標的形式輸入參數較為直觀。這里以圓心O點為極點，以橫向水平向右為極軸Ox，沿途根據孔位的角度及離圓心O點距離兩個參數設定孔位位置（半徑及角度）。操作者只需要參考加工零件圖輸入（一系列）孔位離極點O的距離及與極軸Ox的夾角，以及加工孔位的深度、刀具加工順序即可。設定完后后即可進行加工，即不需要另行編寫加工程序，也不容易出錯。

2.3人機界面的處理

規劃好加工刀具及加工路徑后，需要將加工過程中需要的切削參數輸入到機床中。本機床采用人機界面的方式清楚、直觀地顯現給用戶需要輸入的參數。在以上規劃中用戶需要輸入的參數包括對刀點、刀觸點、（各孔位）刀具的選擇、孔位位置（相對極點O的距離及與極軸Ox的夾角）、加工刀具順序及各刀具的加工孔位深度等，這些切削參數全部通過人機界面來實現。如圖2所示為一種鏈輪加工要求需要輸入的切削參數圖形設計畫面（以表格的形式顯現給用戶）。

在802DSL系統中，為了進行用戶對話框的配置， 需要使用控制系統中“制造商驅動器”目錄中的以下文件： （1）腳本文件*.xml存放路徑為/Machine manufacture/appl。（2）文本文件aluc.txt存放路徑/Machine manufacture/ing。（3）圖片文件*.bmp或*.png存放路徑/Machine manufacture/ico。

本機床根據實際需要編寫出用戶人機界面的腳本文件xmldial.xml并存放在/Machine manufacture/appl目錄中，在文本文件中對應好相應的R參數與切削參數即可，如圖2中的半徑、角度、使用的刀具及各刀具加工深度等值。同時將圖2中人性化的（圖形式）表格制作成bmp文件存放在/Machine manufacture/ico目錄中。制作好的報警文本文件aluc.txt則存放在/Machine manufacture/lng目錄中。對于本機床來說，除了以上孔位設計圖形輸入畫面外，完備的程序還需要具有刀庫刀位與刀具的對應表（換刀時刀庫刀位對應需相應調整）、刀具類型定義（包括對刀具進行編號、刀具加工時主軸的旋轉速度、刀具進刀速度等）、對刀換刀點等人機界面參數輸入畫面。

人機界面的處理其實相當重要，對操作者來說，一個直觀、清楚的人機界面參數輸入畫面能夠在更換加工零件類型時盡可能地減少了產生錯誤的機會。

2.4實際加工程序流程及使用舉例

（1）機床初始化：動力頭回機床原點;水泵、探測裝置、排屑機等初始化;被加工零件夾緊等。

（2）根據孔位參數優化刀具加工列表：從圖2可以看出，加工一個單獨的孔可能需要用到多把刀具，如圖2中舉例的定位孔（孔序1），需要先用中心鉆1定位一個5mm的中心，再利用鉆頭2加工一個50mm深的孔，最后利用絲攻1進行攻絲。其他孔位也一樣具有各自不同的加工刀具及加工方法。在實際加工過程中，可能還會碰到一些復雜的加工方式，例如先定位加工圓心、然后使用大直徑鉆頭加工一個沉孔、再利用小直徑鉆頭加工底孔，最后對底孔進行攻絲等，這種孔的加工工序有4刀，當然還會有5刀或更多加工工序的特殊情形，所以在人機界面參數輸入畫面設計時最好設置5刀參數（本文以3刀參數為例）。對于極少數的超過設計加工工序的情形，可以采用一種特殊形式的參數輸入方法來解決這個問題，例如將一個孔的加工假設為兩個孔，分別將參數輸入到兩個孔序的參數中，這樣就可對一個復雜加工工序的孔位進行加工，而不需修改程序。事實上這種復雜的孔加工極少，不需要專門為這種復雜孔位的加工另行編寫程序，使得程序的通用性更強。

這里牽涉到一個問題，就是同一刀具可能需在多個孔位用到，要盡量在切換一把刀具后將所有用到該刀具的孔位加工完成后再換刀，以避免頻繁換刀浪費加工時間，同時還要保持各孔位刀具加工次序。所以在進行NC程序設計時需要根據各孔位使用刀具的次序進行總的刀具切換安排，建立一個合理高效的優化刀具加工列表。首先按照孔位依次讀取刀具使用次序，然后依次檢測該刀具是否在其他孔位加工中用到，在其他孔位用到該刀具時就要依照該孔位的刀具使用順序進行重新排序刀具加工列表，確保每個孔位刀具加工次序不變，防止加工事故，例如在輸入參數時一般是先鉆孔再攻絲，那么刀具加工列表不能亂改加工順序為先攻絲再鉆孔，這樣明顯會引起沒鉆孔就開始攻絲，引起攻絲刀具斷裂的事故發生。一個優化的刀具加工列表即要保持原加工工序不變，也要盡量減少了換刀次數，節省加工時間。

這里以圖2中數據為例來說明刀具加工列表的產生思路。在圖2所示數據中，首先根據定位孔（孔序1）產生一個刀具加工列表為：中心鉆1、鉆頭2、絲攻1，再檢測第一把刀具中心鉆1在其他孔位中的使用及次序修改刀具加工列表，因為所有孔位都用到了中心鉆1，所以重點考慮中心鉆1在各孔位中的加工次序。檢查發現在加工孔序8時，中心鉆1為該孔的第二刀，所以必須先加工孔序8中的第一刀，即刀具加工列表要改為：中心鉆2、中心鉆1、鉆頭2、絲攻1。下一步檢測刀具加工列表中的第3把刀具鉆頭2，同理依次檢測各孔并調整刀具加工列表。依照此思路，可將整個加工孔位的刀具加工列表最后確定出來：中心鉆2、中心鉆1、鉆頭2、鉆頭3、絲攻1、絲攻2、鉸刀1。這就是一個最終優化的刀具加工列表，在編寫程序時要在程序的前面進行設計得到這個列表再進行加工。

上述產生刀具加工序列過程中，需要注意一種特殊情形，例如孔序1使用刀具1、刀具2，孔序2使用刀具2、刀具1。理論上講不存在這種情況，如實際過程中存在這種情形，則盡量在輸入參數時避免此情形，可以設定將其中一種刀具設定為兩個刀具，以避免刀具加工序列中一個刀具號出現兩次。如將刀具2同時設定為刀具3，這樣孔序1使用刀具為刀具1、刀具2，孔序2使用刀具為刀具1、刀具3。

（3）探測出零件圓心O的坐標：切換到探測刀具，并按照前面介紹的方法檢測出加工零件的外圓點X1、X2、Y1、Y2的值并算出圓心O的坐標值，同時探測出加工零件刀觸點Z坐標。

（4）根據刀具加工列表順序依次加工：切換到相應的刀具，啟動水泵、排屑機，根據刀具（旋轉速度）參數啟動主軸，使用該刀具依次加工（用到該刀具的）孔位，一把刀具加工完所有孔位后，停止主軸并定位到切換刀具角度，檢測刀具加工列表中的下一刀具，并進行換刀，再用相同的方法依次加工各孔位，直到刀具加工列表中的所有刀具全部使用完成。

（5）結束當前零件加工過程：機床動力頭回到原點，停水泵、排屑機、主軸，松開加工工件，完成零件加工的整個動作。

3結語

對于加工專用零件的專用加工機床，一般一個NC程序只能加工一種零件，但由于采用了上述通用數控編程設計，在操作者使用時，更換加工零件種類時顯得比較方便。對操作者來說，只需根據加工零件圖，在人機界面中輸入相應參數，即可完成一個完整NC程序的編寫，即防止了出錯，節省了編程時間，也提高了加工效率，在生產廠家中很受歡迎。事實上，正是由于采用此種編程方式，廠家實際使用時，除了用在鏈輪的加工中，后來還用在了曲軸端面孔的加工中，提高了產品的適應范圍。本程序的適應性廣、工藝編制合理、加工質量高，解決了各種類型鏈輪等產品數控編程加工的諸多難題，可以在編寫其他類似專用機床數控程序時作為參考設計方案。

參考文獻：

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【通聯編輯：梁書】