數(shù)控車削中在線測(cè)量切削參數(shù)的自動(dòng)編程技術(shù)
1概述
以數(shù)控機(jī)床為核心設(shè)備的各種現(xiàn)代化制造系統(tǒng)在機(jī)床 行業(yè)和非機(jī)床行業(yè)中已得到普遍應(yīng)用。被加工零件的圖紙,給出了數(shù)控加工的幾何數(shù)據(jù)和工 藝數(shù)據(jù),是NC機(jī)床工作的原始依據(jù)。使用 數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí),必須事先編制好零件加工程序單,零件加工程序單中規(guī)定了零件加工 工藝路線、走刀軌跡、位移量、切削參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)數(shù)、進(jìn)給量、切深 )以及輔助機(jī)能(換刀、變速、冷卻液開停等 )。數(shù)控機(jī)床按編制好的程序自 動(dòng)地工作,加工出合格的零件。數(shù)控編程的主要內(nèi)容包括:分析零件圖紙,確定加工工藝過 程;計(jì)算走刀軌跡,得到刀位數(shù)據(jù);編寫零件加工程序,校對(duì)程序及首件試切。根據(jù)有關(guān)統(tǒng) 計(jì),一個(gè)零件的編程時(shí)間與機(jī)床加工時(shí)間之比,平均約為30:1。使用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)加工程序 的自動(dòng)編制稱作自動(dòng)編程,本文介紹基于Microstation圖形平臺(tái)的在線 測(cè)量切削參數(shù)的數(shù)控車削測(cè)量過程的自動(dòng)編程。Microstatioin為美國(guó) Intergraph公司將其工作站上 的交互式圖形設(shè)計(jì)系統(tǒng)(IGDS)完整地移植到微機(jī)上的 CAD圖形系統(tǒng),該圖形系統(tǒng)的用 戶界面非常友好(和WINDOWS 95應(yīng)用程序類似 ),該圖形平臺(tái)具有良好的開放 性,并提供了功能強(qiáng)大的32位編程的Microstation開發(fā)語(yǔ)言—— MDL語(yǔ)言(類似標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言)。
對(duì)于毛坯制造精度低的工件的數(shù)控加工,若按傳統(tǒng)的編程方式,就必須按照最大毛坯尺 寸編程。由于按最大尺寸編程,一則加工效率較低,再則會(huì)在某種情況下造成空切,而在另 外一種情況可能會(huì)造成過切。過切的后果,輕則影響刀具耐用度,重則造成崩刀甚至損壞刀 桿。所以,毛坯制造誤差大的工件的數(shù)控加工必須根據(jù)每個(gè)工件的具體情況,來(lái)確定該工件 的切削參數(shù)(如切削余量、走刀次數(shù)等 )。本編程系統(tǒng)借助 SINUMERIK-810T數(shù)控系統(tǒng)的刀 具監(jiān)控功能,在輪廓加工前用測(cè)量過程來(lái)獲得零件上的一些關(guān)鍵點(diǎn)的余量分布情況,進(jìn)而為 加工程序提供當(dāng)前工件的切削參數(shù)。
2切削參數(shù)測(cè)量過程CAPP
1) 具有測(cè)量功能的車削測(cè)量圖形自動(dòng)編程系統(tǒng)的架構(gòu)
車削測(cè)量圖形自動(dòng)編程系統(tǒng)由兩大模塊組成:測(cè)量規(guī)劃模塊和測(cè)量程序后置模塊。其中 測(cè)量規(guī)劃模塊以交互式CAPP的方式完成測(cè)量過程的規(guī) 劃,系統(tǒng)提供了功能強(qiáng)大的修改功能,用戶可以對(duì)已規(guī)劃的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行刪除、改變測(cè)量次序 和修改測(cè)量過程工藝參數(shù)等操作;測(cè)量程序后置模塊則以測(cè)量規(guī)劃數(shù)據(jù)為輸入,經(jīng)后置處理 自動(dòng)生成測(cè)量過程的NC程序。
圖1 系統(tǒng)主控對(duì)話框
測(cè)量規(guī)劃CAPP以CAD方式建立起來(lái)的零件圖為輸 入,用戶以人機(jī)交互方式規(guī)劃每個(gè)測(cè)量點(diǎn),同時(shí)在左/右刀架測(cè)量對(duì)話框中輸入測(cè)量 過程工藝參數(shù),生成測(cè)量過程刀位及工藝數(shù)據(jù)文件。測(cè)量程序后置以測(cè)量規(guī)劃CAPP過程產(chǎn)生的刀位及工藝數(shù) 據(jù)文件為輸入,經(jīng)過后置處理生成測(cè)量規(guī)劃過程的NC程序。圖1是測(cè)量主控對(duì)話框,圖 2為左刀架測(cè)量參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。
圖2 測(cè)量工藝參數(shù)設(shè)置框
本系統(tǒng)以配備SINUMERIK-810T數(shù)控系統(tǒng)的雙刀架數(shù)控車床的測(cè)量過程的 數(shù)控編程作為研究對(duì)象,系統(tǒng)同時(shí)涵蓋了單刀架數(shù)控車床的測(cè)量過程的數(shù)控編程。系統(tǒng)以雙 向鏈表為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),鏈表中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的刀具刀位數(shù)據(jù)和相應(yīng)的工藝 數(shù)據(jù),雙向鏈的使用節(jié)省了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,并且提高了系統(tǒng)的修改功能的執(zhí)行效率。為了方 便用戶的測(cè)量過程規(guī)劃,系統(tǒng)提供了規(guī)劃刀具切入和切出工件段運(yùn)動(dòng)軌跡的刀具動(dòng)態(tài)顯示, 使規(guī)劃過程更加直觀,現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)。圖3為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖3 車削測(cè)量圖形自動(dòng)編程系統(tǒng)架構(gòu)
2) 切削參數(shù)在線測(cè)量的原理
如前所述,在使用SINUMERIK- 810T數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控車床中,利用數(shù)控系統(tǒng)提供的刀具監(jiān)控功能,即通過適當(dāng)調(diào)整某個(gè) 刀具監(jiān)控號(hào)(如下述的H8230)對(duì)應(yīng)的切削力增益值, 使刀具和工件接觸并開始切削時(shí),切削力就已達(dá)到設(shè)定的切削力極限值,由此系統(tǒng)將自動(dòng)停 止當(dāng)前程序段的執(zhí)行,并將此時(shí)的X、Z坐標(biāo)存放在系統(tǒng)R參數(shù)R94和R95中。
在某些大型結(jié)構(gòu)件(如火車車輪)的數(shù)控切削實(shí)踐中,要保證刀具耐用度,一般所使用的車刀的刀具半徑較大 (R10~R20)。為了保證加工余量測(cè)量 的正確性,刀具必須沿切削面的法向切入工件。此外,測(cè)量切入時(shí)應(yīng)在無(wú)刀具半徑補(bǔ)償?shù)那?況下進(jìn)行,即測(cè)量切入段應(yīng)使用G40。下列NC程序即為測(cè)量過程的數(shù)控代 碼。
……
G0 G40 X963.75 Z93.967
G1 X915.189 Z93.814 F5 H8230
R94=0 R95
@714
G1 @720 R94 K1 X891.219 Z93.215 F1.2
@714
@360 R601 K1
…
R801=R601-445.609
R535=0.999
N20 R610=R801/R535
SINUMERIK-801T數(shù)控系統(tǒng)中,指令“@720 R94 K1 ”的作用為將切削力超過設(shè)定值時(shí)的刀具中心坐標(biāo)X(直徑方向的坐標(biāo) )和Z分別送入R94和R95中保存;而指令 “@360 R601 K1”則是將存在 R94中的直徑方向坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成 半徑方向的坐標(biāo)值,并將之存入?yún)?shù)R601中。由此可知,系統(tǒng) R參數(shù)R601中存放的就是當(dāng)?shù)都夂凸?件接觸時(shí)刀具中心X向半徑坐標(biāo)值。
由圖4可知 ,B(x,y)點(diǎn)為規(guī)劃的測(cè)量點(diǎn),刀具半徑為R,而測(cè)量切入時(shí)總是沿 工件表面的法向切入,所以我們可以計(jì)算出圖中所示的切削余量的單位法矢(亦即圖4中的測(cè)量切入段方向矢量)。
O--刀具中心 A--刀尖接觸點(diǎn) B--測(cè)量規(guī)劃點(diǎn) θ--切入方向矢量和X軸夾角 --測(cè)量切入段方向矢量
圖4 切削余量計(jì)算示意圖
=(cosθ, sinθ)
由圖4的幾 何關(guān)系則可計(jì)算出總切削余量t0的粗 加工余量t粗。
總切削余量t0=BO-R,BO=(R601-x)/cosθ,所以t0=(R601-x)/cosθ- R
若已知精加工余量為t精,由總余量則可計(jì)算出粗加工余量。
t粗=t0- t精= (R601- x)/cosθ- R-t精
根據(jù)計(jì)算出的粗加工余量和編程者參照切削工藝規(guī)范所設(shè)定的每刀最大切削量 Amax,就能夠算出走刀次數(shù)和 每刀切削量。
3) 測(cè)量過程的CAPP
測(cè)量過程CAPP由兩個(gè)步驟組成:測(cè)量切入段規(guī)劃和測(cè)量切出段規(guī)劃。進(jìn)行測(cè)量過程CAPP時(shí),在左/右刀架測(cè)量參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中 輸入測(cè)量工藝參數(shù)。為了保證加工余量測(cè)量的正確性,在測(cè)量切入時(shí),必須保證刀具沿零件 表面的法線方向切入工件。為方便用戶確定測(cè)量點(diǎn)的位置,系統(tǒng)提供了兩種方法,這兩種方 法分別為:法向到工件,法向從工件。其含義如下:
法向到工件 用戶首先用數(shù)據(jù)鈕選擇測(cè)量點(diǎn)所在的圖素,而測(cè)量點(diǎn)就是鼠標(biāo)當(dāng)前點(diǎn)到切 削段的法向投影點(diǎn)(如圖5a所示)。
A--測(cè)量點(diǎn)所在圖素的鼠標(biāo)選擇點(diǎn) B--鼠標(biāo)當(dāng)前點(diǎn) C--切入段的終點(diǎn)
圖5 刀具切入工件的兩種方式
法向從工件 用戶首先用數(shù)據(jù)鈕確定測(cè)量點(diǎn),系統(tǒng)過該點(diǎn)作測(cè)量點(diǎn)所在圖素的法線,而 切入段直線的另一個(gè)端點(diǎn)就是鼠標(biāo)當(dāng)前點(diǎn)到該法線的法向投影點(diǎn)(如圖5b所示)。
測(cè)量點(diǎn)確定后,根據(jù)需要可以在系統(tǒng)動(dòng)態(tài) (所選刀具和橡皮筋的動(dòng)態(tài)顯示 )的幫助下來(lái)確定其它的切入段 。另外,為了方便用戶的操作,在規(guī)劃切入點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)對(duì)每個(gè)步驟都給出了詳盡的提示。切 入段規(guī)劃完成后,接著規(guī)劃測(cè)量過程的切出段,為了保證測(cè)量過程的正確性,系統(tǒng)規(guī)定切出 第一段和切入最后一段相同,系統(tǒng)同時(shí)亦提供了相應(yīng)的切出動(dòng)態(tài),幫助用戶進(jìn)行切出段規(guī)劃 。所有測(cè)量點(diǎn)均規(guī)劃完成后,用系統(tǒng)的存盤工具將規(guī)劃的測(cè)量數(shù)據(jù)存入測(cè)量刀位工藝數(shù)據(jù)文 件中。
3測(cè)量后置處理
完成測(cè)量過程CAPP后,調(diào)用系統(tǒng)的后置處理模塊來(lái)生成車削測(cè)量過程的 NC程序。眾所周知,用半徑 R不為0的刀具進(jìn)行切削時(shí),一般應(yīng)在使用刀具半徑補(bǔ)償 (左刀補(bǔ)G41和右刀補(bǔ)G42)的方式下進(jìn)行切削。但由 于測(cè)量時(shí),刀具沿切削面的法向切入工件,所以刀具一定要在撤刀補(bǔ)G40下切入工件。
圖6 測(cè)量時(shí)的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡
注:圖6中僅畫出了刀片圓,實(shí)心圓為刀具開始接觸工件時(shí)的狀態(tài);虛線圓的圓心O1為測(cè)量NC程序中,測(cè)量切入段的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。精切余量A精為 DE段的長(zhǎng)度,測(cè)量規(guī)劃點(diǎn)E的坐標(biāo)為(x,z)。
圖6所示的 是刀具測(cè)量切入時(shí)的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡,其過程為:刀具從A點(diǎn)快速運(yùn)動(dòng)G00到B點(diǎn),再以G01到C點(diǎn),最后以一個(gè)更慢的進(jìn)給速 度G01到O1點(diǎn)。 而實(shí)際上,由于刀具監(jiān)控作用對(duì)切削力的正確設(shè)定(如前述NC程序中的H指令H8230),所以當(dāng)?shù)都鈩偤凸ぜ?接觸時(shí)(如圖6中刀具中心處在 O點(diǎn)時(shí)),就已達(dá)到設(shè)定的切削力監(jiān)控 值而停止切削。后置程序需要解決的是O1 (x1, z1)點(diǎn) 的計(jì)算。O1的算 法如下所示。
計(jì)算出O1點(diǎn)坐標(biāo)后,也就得到了測(cè)量切入段目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo),即:
“G1 @720 R94 K1 X891.219 Z93.215 F1.2”中的X和Z坐標(biāo)值,由 “@360 R601 K1”得到圖 6中O點(diǎn)的X坐標(biāo)(存在R601中),又由“ R801=R601-455.609”計(jì)算出總余量在 X方向的投影,再由 “R535=0.999”將切削面的單位法矢的方 向余弦cosq存入R801,最后由“N20 R610=R801/R535”得到總切削余量 (存在R610中)。
4結(jié)束語(yǔ)
利用數(shù)控系統(tǒng)的刀具監(jiān)控功能來(lái)實(shí)現(xiàn)切削余量自動(dòng)測(cè) 量的數(shù)控加工的自動(dòng)編程,為解決毛坯制造精度低的大型鑄、鍛件的數(shù)控加工找出了一條高 效途徑。該自動(dòng)編程系統(tǒng)現(xiàn)已成功地用于馬鋼車輪輪箍廠,實(shí)現(xiàn)了不同國(guó)家不同型號(hào)的火車 車輪的車削數(shù)控編程。該編程系統(tǒng)的使用不僅大大提高了編程精度,而且數(shù)倍地提高編程效 率,用本系統(tǒng)生成的NC程序加工出的車輪經(jīng)檢驗(yàn)完 全符合圖紙要求。該系統(tǒng)對(duì)大型鑄、鍛件的自動(dòng)數(shù)控編程具有很大的推廣價(jià)值。
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