蔡康強(qiáng)

(佛山市三水區(qū)理工學(xué)校廣東佛山528137)

在實(shí)際應(yīng)用中，常會(huì)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(jiàn)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(chē)床上進(jìn)行近似加工、設(shè)計(jì)專(zhuān)用加工裝置進(jìn)行加工、數(shù)控車(chē)床加工、特種加工等。

對(duì)于在數(shù)控車(chē)床上加工橢圓，需要針對(duì)不同系統(tǒng)數(shù)控車(chē)床采用適當(dāng)?shù)募庸し椒?。有的系統(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(guò)修改相關(guān)參數(shù)來(lái)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(dòng)編程法加工。

下面以圖1所示橢圓手柄為例，分別針對(duì)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(dòng)編程法等數(shù)控車(chē)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(jī)床性能的一種特殊功能。用宏程序的最大特點(diǎn)是可以對(duì)變量進(jìn)行運(yùn)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(yùn)算和邏輯運(yùn)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(wú)法采用常規(guī)的直線和圓弧指令進(jìn)行編程。因此，可引入宏程序編程的方式進(jìn)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(diǎn)

#1=0 ；設(shè)Z=#1為自變量，開(kāi)始時(shí)要賦橢圓起點(diǎn)z值

WHILE#1GE［-30］；執(zhí)行判斷橢圓終點(diǎn)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(biāo)并執(zhí)行直線插補(bǔ)

#1=#1— 0.2 ；變量z自減

ENDW；返回WHILE語(yǔ)句

G01X13.871 Z—45.799 ；加工橢圓的終點(diǎn)坐標(biāo)

……

該宏程序的原理是利用微直線插補(bǔ)軌跡逐漸逼近橢圓輪廓，每段直線插補(bǔ)的終點(diǎn)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(bǔ)運(yùn)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使加工太慢。

由宏程序的原理及特點(diǎn)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(bǔ)軌跡逐漸逼近曲線的原理來(lái)加工。

2 指令法

該方法是指對(duì)于一些高性能數(shù)控機(jī)床，其本身自帶橢圓插補(bǔ)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(shuō)明

G6.2指令運(yùn)動(dòng)軌跡為從起點(diǎn)到終點(diǎn)的順時(shí)針(后刀座坐標(biāo)系)/逆時(shí)針(前刀座坐標(biāo)系)橢圓；

G6.3指令運(yùn)動(dòng)軌跡為從起點(diǎn)到終點(diǎn)的逆時(shí)針(后刀座坐標(biāo)系)/順時(shí)針(前刀座坐標(biāo)系)橢圓；

X(U)、Z(W):橢圓弧終點(diǎn)坐標(biāo)；

A:橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng)(0＜A＜=9 999.999mm，無(wú)符號(hào))；

B:橢圓短半軸長(zhǎng)(0＜B＜=9 999.999mm，無(wú)符號(hào))；

Q:橢圓的長(zhǎng)軸與坐標(biāo)系的z軸的夾角(逆時(shí)針?lè)较?，(單位:0.001度)；在右手直角笛卡爾坐標(biāo)系中，從y軸的正方向俯視xz平面，z軸正方向繞順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到與橢圓長(zhǎng)軸重合時(shí)所經(jīng)過(guò)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(jiàn)，用橢圓指令是非常方便的。

3 參數(shù)修改法

有的數(shù)控機(jī)床既沒(méi)辦法用宏程序加工橢圓，又沒(méi)有橢圓插補(bǔ)指令，比如GSK—980T數(shù)控車(chē)床就屬于這一類(lèi)型車(chē)床。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以用圓弧插補(bǔ)指令與修改機(jī)床系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的方法來(lái)達(dá)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(gè)軸向距離保持不變，而另一個(gè)軸向距離不管是增大還是縮小，此圓都會(huì)變成橢圓。另外，機(jī)械傳動(dòng)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(jī)床數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在數(shù)控系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中，對(duì)控制系統(tǒng)而言，改變某一進(jìn)給軸機(jī)床數(shù)據(jù)的數(shù)值相當(dāng)于改變了機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)鏈節(jié)相應(yīng)部分的結(jié)構(gòu)。

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

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

1)參數(shù)號(hào)015=1 x軸坐標(biāo)的指令倍乘比；

2)參數(shù)號(hào)016=2 z軸坐標(biāo)的指令倍乘比；

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

4)參數(shù)號(hào)023=3 800 z軸坐標(biāo)快速移動(dòng)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(guò)程中出現(xiàn)快速移動(dòng)速度超出最大范圍)。

編寫(xiě)GSK—980T數(shù)控車(chē)床加工橢圓段程序如下:

……

N10G00X100Z100

N20M03S600

N30T0101

N40G00X50Z2；加工起點(diǎn)

N50G71U1R0.5

N60G71P70Q90U0.2W0F130

N70G00X0 ；粗車(chē)循環(huán)起點(diǎn)

N80G01Z0F100

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

N100M03S1500

N110G71P70Q90；橢圓精加工

……

應(yīng)該說(shuō)，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(dòng)編程加工法

使用CAXA數(shù)控車(chē)XP軟件對(duì)圖1進(jìn)行自動(dòng)編程操作，具體步驟如下:

1)根據(jù)零件圖進(jìn)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(diǎn)、退刀點(diǎn)。

4)生成刀軌，并進(jìn)行驗(yàn)證和編輯。

5)根據(jù)所使用的數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)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(chē)系統(tǒng)運(yùn)行加工。

隨著微電子、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、自動(dòng)控制、機(jī)電一體化等技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù)日益強(qiáng)大，自動(dòng)編程方法的功能越來(lái)越強(qiáng)大，應(yīng)用越來(lái)越方便，特別是復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)加工，將會(huì)更多的采用自動(dòng)化技術(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的幾種數(shù)控車(chē)橢圓編程加工方法各有特點(diǎn)，宏程序法通用性強(qiáng)、功能靈活，橢圓插補(bǔ)指令法使用方便但只有特殊機(jī)床才擁有橢圓指令，參數(shù)修改法可擴(kuò)展功能，針對(duì)原來(lái)不具備橢圓加工的機(jī)床(如GSK-980T)進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展，但需改動(dòng)部分機(jī)床數(shù)據(jù)，要求操作者具有相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，還會(huì)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(qiáng)的還是自動(dòng)編程加工方法，自動(dòng)編程越來(lái)越得到廣泛應(yīng)用，這使得數(shù)控車(chē)床的功能越來(lái)越強(qiáng)。

［1］華中數(shù)控機(jī)床使用手冊(cè).

［2］廣州數(shù)控GSK-TDA使用手冊(cè).

［3］廣州數(shù)控GSK-980T使用手冊(cè).

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