雷立群，韓菊

(吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機械工程學(xué)院，吉林吉林 132101)

高速加工是數(shù)控技術(shù)發(fā)展方向的一個永恒不變的主題，提高數(shù)控加工速度除采用提高主軸轉(zhuǎn)速和進給速度的方法外，還可以考慮采用更為合理有效的插補方法。復(fù)合加工是近年提出的一種針對直紋面的新加工方法，通過適當(dāng)?shù)臋C床結(jié)構(gòu)可以利用銑刀側(cè)刃一次走刀實現(xiàn)對整個直紋面的加工［1］。文中在分析直紋面復(fù)合加工的基本原理之上，介紹了復(fù)合插補的基本原理。復(fù)合插補可分為兩個過程:(1)刀具側(cè)刃在XY平面上的直線或圓弧插補;(2)刀具底端在Z方向和虛軸方向進行的插補。作者深入研究了直紋面加工的復(fù)合插補過程。

1 復(fù)合加工的基本原理［1］

在加工過程中，使刀具側(cè)刃與被加工工件表面輪廓的母線平行，加工中刀具除沿著與可展直紋面母線垂直的方向向前進給加工，同時還可沿著與母線平行的方向上下運動。由于加工中刀具可以同時在兩個不同的平面同時進行插補運動，所以說這種加工方法的控制系統(tǒng)采用的是一種復(fù)合插補方法。在加工過程中，可把插補分為底層插補和頂層插補兩個部分。所謂底層插補，是刀具底端沿著一定曲線進行的插補。頂層插補是刀具的側(cè)刃沿著一定曲線進行的插補。插補時，先要進行底層的插補，底層插補完成后，再進行頂層插補。

圖1(a)表示的是利用復(fù)合加工方法加工一個底邊是曲線的圓臺表面，該圖清楚地說明了利用銑刀側(cè)刃實現(xiàn)直紋面復(fù)合加工的過程。

圖1 復(fù)合插補原理圖

加工如圖1(a)所示的圓臺表面，具體分為兩個插補過程。在進行插補時，刀具側(cè)刃與圓柱體輪廓表面母線平行，在XY平面進行曲線插補，如圖1(b)所示，同時在刀具底端，又要在W方向 (即沿著刀具的方向)和L方向進行插補。其中L為虛軸(即在XY平面進行圓弧插補時刀具所走過的圓弧的弧長)，刀具在W方向和L方向進行插補時，先判斷刀具應(yīng)朝W方向走還是L方向走，如果是向W方向走則刀具朝W方向進行插補運動，如果是向L方向走，則應(yīng)在XY平面進行插補，產(chǎn)生新的弧長L，然后再重復(fù)上面的插補過程。

2 直線和圓弧的復(fù)合插補

直線和圓弧的復(fù)合插補即刀具側(cè)刃在XY平面上進行直線插補，同時刀具底端在W方向和L(L為在XY平面進行直線插補時刀具所走過的距離，這里稱其為虛軸L)方向進行圓弧插補。圖2是用復(fù)合插補方式加工一個直紋柱面的原理圖，其中圖2(a)是用復(fù)合插補方式加工直紋柱面的示意圖，圖2(b)表示銑刀側(cè)刃在XY平面進行的直線插補，圖2(c)表示銑刀側(cè)刃在W方向和L方向進行圓弧插補。

圖2 直線和圓弧復(fù)合插補原理圖

從圖2(a)可以看到要加工的柱面與XY平面成一定的角度，且柱面的底端是一曲線。在加工的過程中，首先要調(diào)整刀具的整體姿態(tài)，使其與柱面加工面的母線平行。這一過程是通過調(diào)整刀具坐標(biāo)系的U軸和W軸來實現(xiàn)的。刀具坐標(biāo)系調(diào)整完成后，才開始真正的復(fù)合插補過程。

在進行復(fù)合插補之前，首先要確定各坐標(biāo)軸的插補速度，從圖2(b)可以看到銑刀側(cè)刃在XY平面進行的是直線插補，其X、Y坐標(biāo)軸的速度vX、vY是合成速度v在坐標(biāo)軸X和Y方向上的速度分解，可用公式 (1)計算得到:

θ為合成速度v與坐標(biāo)軸形成的夾角。

由于虛軸L表示的是XY平面進行直線插補時刀具所走過的距離，所以其速度vs(vs表示虛軸L的進給速度)可用公式 (2)計算得到:

由此可以得到L方向的速度增量Δvs，如公式(4)所示:

圖3是直線和圓弧復(fù)合插補的流程。

圖3 直線與圓弧復(fù)合插補流程

在復(fù)合插補過程中，為使刀具側(cè)刃與刀具底端插補輸出脈沖均勻，作者在刀具側(cè)刃進行一次插補輸出脈沖前都進行了如下處理:

(1)計算脈沖個數(shù)。計算出當(dāng)銑刀側(cè)刃插補輸出一個脈沖時，銑刀底端需要發(fā)出的脈沖個數(shù)n。

(2)均勻分配刀具底端應(yīng)該輸出的脈沖個數(shù)。分別計算出 (n－1)/2和 (n－1)/2+1的值。

(3)脈沖輸出方式。先對刀具底端進行插補輸出 (n－1)/2個脈沖后，再進行一次刀具側(cè)刃插補，之后對刀具底端進行插補輸出 (n－1)/2+1個脈沖。

圖4和圖5分別為刀具側(cè)刃的直線插補流程和刀具底端的圓弧插補流程圖。

圖4 刀具側(cè)刃的直線插補流程

圖5 刀具底端的圓弧插補流程

從流程圖中可以看到刀具側(cè)刃的直線插補與刀具底端的圓弧插補采用的是DDA算法。

3 圓弧和圓弧的復(fù)合插補

圓弧和圓弧的復(fù)合插補即刀具側(cè)刃在XY平面上進行圓弧插補，同時刀具底端在Z方向和L(L為刀具側(cè)刃在XY平面進行圓弧插補時刀具所走過的弧長，這里稱其為虛軸L)方向進行插補。加工底端是曲線的原臺面時，其加工過程是一個典型的圓弧和圓弧的復(fù)合插補過程。圖6是圓弧和圓弧復(fù)合插補的原理圖。其中圖6(a)表示刀具側(cè)刃在XY平面進行圓弧插補，圖6(b)表示刀具底端在W方向和L方向進行圓弧插補。在進行圓弧和圓弧的復(fù)合插補之前，仍然需要先調(diào)整刀具的整體姿態(tài)，使銑刀側(cè)刃與圓臺表面的母線平行。這一過程是通過調(diào)整刀具坐標(biāo)系的U軸和W軸來實現(xiàn)的。刀具坐標(biāo)系調(diào)整完成后，才開始真正的復(fù)合插補過程。

圖6 圓弧和圓弧復(fù)合插補的原理

在進行復(fù)合插補之前，首先需要確定各坐標(biāo)軸的速度，從圖6(a)可以看到，銑刀側(cè)刃在XY平面進行的是圓弧插補，其中X、Y坐標(biāo)軸的速度vX、xY可利用公式 (1)計算得到。

由于虛軸L表示的是XY平面進行直線插補時刀具所走過圓弧的弧長，其長度可用公式 (5)計算得到:

其中:θ=Y/X，為圓弧插補所走過的角度。

由公式 (5)可以看到虛軸L的單位僅與銑刀側(cè)刃所走過圓弧半徑的單位有關(guān)，由此得到刀具底端在虛軸L方向的插補速度與刀具側(cè)刃在XY平面進行圓弧插補的合成速度是相同的，即有vL=v(vL表示虛軸L的進給速度)，即有圓弧的速度增量ΔvL為:

圖7是圓弧和圓弧復(fù)合插補的流程。其插補過程與直線和圓弧復(fù)合插補方式相似，在插補過程中采用了與直線和圓弧復(fù)合插補方式相同的脈沖輸出均勻化方法，刀具側(cè)刃的圓弧插補采用的是DDA圓弧插補方式，其插補流程與刀具底端的圓弧插補過程類似(如圖5)，這里不再詳細(xì)敘述。

圖7 圓弧與圓弧復(fù)合插補流程

4 實驗及結(jié)論分析

文中采用前后臺的方式設(shè)計了Windows操作系統(tǒng)下數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，其中前臺軟件用C++Bulider設(shè)計完成，后臺采用WDM設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計實現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)軟件可實現(xiàn)對圓錐、圓臺等直紋面的走刀控制。

將應(yīng)用程序數(shù)控文件編譯成功后存入PC機的非分葉內(nèi)存中，插補中斷到來時，從內(nèi)存中讀入指令，先判斷刀具底端的插補類型，然后再進入到相應(yīng)的插補程序進行插補運算，插補流程如圖8所示。

圖8 數(shù)控系統(tǒng)插補總流程

數(shù)控系統(tǒng)的控制界面和加工運動控制過程中的位置顯示界面如圖9所示，實踐證明文中提出的設(shè)計結(jié)構(gòu)和控制策略是可行性的。

圖9 數(shù)控系統(tǒng)控制界面

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［2］朱利東，殷蘇民.基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究［J］.機床與液壓，2004(1):92－95.

［3］楊恒宗，傅星，張師偉.基于DSP與單片機的激光加工數(shù)控系統(tǒng)的研究［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2005(12):35－37.

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