茍建峰，侯忠坤

(1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000；2. 西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)院，西安710048；3.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000 )

刀具自動補償在復(fù)雜輪廓中應(yīng)用技巧研究

茍建峰1,2，侯忠坤3

(1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000；2. 西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)院，西安710048；3.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000 )

文章針對數(shù)控銑削中復(fù)雜輪廓零件，編程困難(往往需要自動編程，程序復(fù)雜)的問題。在分析復(fù)雜輪廓零件與刀具半徑之間的成型特點基礎(chǔ)上，采用建立刀具半徑數(shù)學(xué)模型并推導(dǎo)出相關(guān)參數(shù)表達(dá)式，提出利用刀具自動補償功能及宏程序中全局變量，開發(fā)出具有較高實用價值的復(fù)雜輪廓加工的參數(shù)程序。通過驗證，該方法大大簡化了程序，節(jié)省了加工時間，提高了生產(chǎn)效率和加工精度。同時也徹底改變了以往手工編程中需要人工修改刀補的問題，有效地提高了機床利用率及自動化程度。在實際生產(chǎn)中有一定的推廣應(yīng)用價值。

刀具補償；復(fù)雜輪廓；應(yīng)用

0 引言

在數(shù)控銑削加工中，一般直接根據(jù)零件輪廓的實際尺寸進(jìn)行編程，往往不考慮刀具的實際尺寸對零件加工的影響[1]，然后在實際加工過程中通過在數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置正確的刀補值來完成加工，而且在加工過程中可以通過修改刀補值來實現(xiàn)零件的粗加工和精加工。但是對于復(fù)雜輪廓零件來說，由于輪廓中的坐標(biāo)值難于計算，所以手工編程難以實現(xiàn)。而以往對這類手工編程很難實現(xiàn)的復(fù)雜輪廓零件的加工往往借助CAD/CAM軟件自動編程，而自動編程需要建模，后處理生成數(shù)控程序，程序極為復(fù)雜，加工效率低[3]。

本文針對上述問題在分析復(fù)雜輪廓零件與刀具半徑之間的成型特點的基礎(chǔ)上，采用建立刀具半徑數(shù)學(xué)模型并推導(dǎo)出相關(guān)參數(shù)表達(dá)式，提出利用刀具自動補償功能及宏程序中全局變量，通過逐漸改變刀補參數(shù)有規(guī)律的對輪廓進(jìn)行縮放，來實現(xiàn)復(fù)雜輪廓的加工。并結(jié)合具體零件如圖1所示，利用上述方法對該零件進(jìn)行了參數(shù)編程，并且通過在KVC650機床上加工驗證，該方法為復(fù)雜輪廓零件的加工提供了一種全新方法，大大簡化了程序，節(jié)省了加工時間，提高了生產(chǎn)效率和加工精度。同時也徹底改變了以往手工編程中需要人工修改刀補的問題，完全避免了人工修改刀補所產(chǎn)生的錯誤，減少操作者的勞動強度，有效地提高了機床利用率及自動化程度。在實際生產(chǎn)中有一定的推廣應(yīng)用價值。

圖1 內(nèi)半球體零件圖

1 數(shù)學(xué)模型的建立

如圖1所示，在立式加工中心KVC650上進(jìn)行內(nèi)半球體的銑削加工。其大部分粗加工余量已通過預(yù)鉆孔的方式去除，現(xiàn)選用φ12的球頭銑刀對該半球體進(jìn)行精加工。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)該內(nèi)半球體的表面實際是由一個圓形在Z軸方向縮放形成。因此我們采用球頭銑刀利用參數(shù)編程分層銑削來實現(xiàn)。同時根據(jù)加工精度確定分層銑削時每次切深。

1.1 參數(shù)變量及表達(dá)式的確定

根據(jù)上述零件分析以及所選用的加工方法，首先將刀具半徑和分層銑削時每次切深作為變量，因為該內(nèi)半球體的表面實際是由一個圓形在Z軸方向縮放形成。即在Z軸方向是若干個半徑大小不等的同心圓所構(gòu)成。所以，我們可以根據(jù)三角函數(shù)將該內(nèi)球體球面上任意一點水平方向上的尺寸變化作為自變量函數(shù)賦給刀具半徑，Z軸方向上的變化將伴隨水平方向上尺寸的變化而進(jìn)行有規(guī)律的變化，因此將其作為應(yīng)變量。如圖2所示。圖中從1～3處坐標(biāo)的遞減量可用下列各式計算所得。

圖2 刀具加工示意圖

水平方向X坐標(biāo):X1=R1+R2

X2=(R1+R2)-(R1+R2)×cosα

X3=(R1+R2)-(R1+R2)×cosβ

垂直方向Z坐標(biāo):Z1=0

Z2=(R1+R2)×sinα

Z3=(R1+R2)×sinβ

其中，R1為球頭銑刀半徑，R2為內(nèi)半球體的球面半徑，α、β為球頭銑刀球心與球面球心連線與Z軸的夾角，該球面加工時往往從球面的最低點依次向上采用等角度增加分層銑削來實現(xiàn)；即每次切削角度的遞增值均相等；假設(shè)用變量#1表示球面上垂直方向上從0～90°的角度，則：

X方向上刀心坐標(biāo)為(R1+R2)×cos[#1]；

Z方向上刀心坐標(biāo)為(R1+R2)×sin[#1]。

刀具半徑補償遞減值為：ΔR=(R1+R2)-(R1+R2)×cos[#1],刀具半徑補償值就等于球頭銑刀的半徑減去刀具半徑補償遞減值。即R1-ΔR；它隨著自變量#1角度的變化而變化，即刀具半徑是一個變量。

通常我們在零件實際加工過程中，刀具半徑往往作為一個常量，輸入到數(shù)控系統(tǒng)中的刀具參數(shù)存儲器中，作為系統(tǒng)變量被存儲；且在程序運行過程中是固定不變的，而此時刀具半徑確是一個變量，如還是作為系統(tǒng)變量來頻繁地更改輸入顯然是不可取的，因此，如果將刀具半徑值作為全局變量，使其伴隨程序中自變量的變化而變化。故在此零件加工時我們選擇全局變量來替代常量的刀具半徑值。

1.2 分層銑削時最大步距角的確定

通常我們在進(jìn)行分層銑削加工時，Z向下刀深度一般是由操作人員根據(jù)自己的實際經(jīng)驗選取，其加工精度往往很難保證。而在進(jìn)行曲面加工時通常是采用直線逼近方法[1]。根據(jù)作者對各種插補方法的對比分析，并結(jié)合該零件的加工特點和精度要求。選擇等角度直線法加工。

采用等角度法逼近曲線時，即要節(jié)點數(shù)少，又要加工精度高[6]。因此需計算最大步距角。通常逼近誤差最大值出現(xiàn)曲率半徑最小處。所以最大逼近誤差只要小于允許誤差，則就可以滿足加工精度要求。因此只需計算出曲率半徑最小處的最大步距角便可。

曲線的曲率公式：

(1)

其中,y=f(x)為曲線，ds為曲線弧長微分，α為曲線上點切線傾角，k為曲率。

(2)

最小曲率半徑Rmin通過對曲率半徑求導(dǎo)來確定X值，然后再將其代入式(2)中便可。

(3)

其中,α為角度步距角，λ為步距，r為曲率半徑。

根據(jù)該零件加工特點及精度要求可計算得,曲面公差0.05mm , 所以取允δ=0.01 。并結(jié)合上面的式(1)～式(3)可求得：

最大角度增加量：

圖3 步距角示圖

因此，取角度增加量α=0.3即可滿足要求。

2 宏程序及變量

2．1 宏程序

宏程序是一種以若干變量通過各種算術(shù)運算，邏輯運算，和循環(huán)、轉(zhuǎn)移等指令組合在一起的可以靈活運用的程序[4]。其特點是：在加工形狀相似，但大小不一的零件時。不需要重新編寫程序，只需改變程序中變量的賦值，就可以實現(xiàn)形狀相似、規(guī)格不同工件的加工。用戶宏程序主體中也可以使用變量。變量與變量之間既可以賦值，也可以運算、指令轉(zhuǎn)移等，有利于用戶對各種復(fù)雜零件加工程序的編制，減少甚至免除了手工編程時繁瑣的數(shù)值計算，簡化了程序的編制，提高工作效率[8]。

2．2 變量

所謂變量指沒有固定值，往往可以改變的數(shù)。常常以非數(shù)字的符號來表示。數(shù)控系統(tǒng)不同，變量表示方法也不同。FANUC系統(tǒng)中變量通常以變量符號“#”和變量號來表示[5]。根據(jù)變量號及作用，用戶宏程序的變量可分成四種類型如表1所示[10]。

表1 變量分類及功能

根據(jù)上表對所述變量得功能及特點進(jìn)行分析，得出該零件在進(jìn)行程序編制時，刀具的補償值選用全局變量進(jìn)行編程。

3 宏程序開發(fā)與實施

完成該復(fù)雜零件輪廓與倒角之間的成型分析，以及通過所建立的倒角數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出正確合理的參數(shù)表達(dá)式，并且確定合適的參數(shù)。選用FANUC0i系統(tǒng)利用刀具自動補償功能及宏程序中全局變量進(jìn)行參數(shù)編程，宏程序如下：

O1234；

G17 G21 G40 G49 G80 G90 G94； (程序初始化)

G00 G54 X0 Y0； (建立工件坐標(biāo)系)

S1800 M03； (主軸正轉(zhuǎn))

G43 Z20 H03 M08； (建立刀具長度補償)

#1=0； (初始步距角賦值給#1)

#2=6； (球頭銑刀半徑賦值給#2)

#3=35； (內(nèi)球體半徑賦值給#3)

G01 Z0 F120；

WHILE [#1 LE 90] DO 1；(WHILE語句)

#100=[#2+#3]-[#2+#3]*COS[#1]； (半徑遞減值)

#101=#2-#100； (半徑值)

#102=-#3+[#2+#3]*SIN[#1]；(Z向深度值)

G42GO1X[#3-#100]YOZ-#102D#101F100；(x、z軸聯(lián)動進(jìn)刀建立刀具半徑補償)

G02X[#3-#101]YOR[#3-#101]； (銑削整圓)

#1=#1+0.3； (計算下一步進(jìn)刀角度)

END 1； (WHILE循環(huán)結(jié)束)

G91 G28 Z0； (Z軸返回參考點)

M30； (程序結(jié)束)

4 加工驗證

完成上述零件的程序編制后，首先選用KVC650機床，φ20mm的球頭銑刀，轉(zhuǎn)速1800r/min，進(jìn)給速度800mm/min，進(jìn)行實際加工，完全達(dá)到零件的要求。與此同時，為了驗證效果，我們又用CAD/CAM軟件自動編程加工，所有參數(shù)設(shè)置均完全相同。結(jié)果兩種程序加工零件的質(zhì)量幾乎沒有差別，但宏程序從程序行數(shù)及文件大小遠(yuǎn)小于CAD/CAM軟件自動生成的程序，大大節(jié)約了走刀時間。在程序的實用性方面而言，該方法徹底改變了以往手工編程中需人工修改刀具補償(無需修改刀補)的問題，可以和自動編程一樣實現(xiàn)一次輸入，完全加工完成。但若采用自動編程方式，從造型、產(chǎn)生刀路到生成程序、DNC程序傳輸，兩者的加工效率不可比擬[7]。如表1所示。因此妙利用刀具自動補償功能及系統(tǒng)參數(shù)對復(fù)雜輪廓零件進(jìn)行宏程序編程非?？扇?。

表2 兩種編程方式的程序比較

5 結(jié)束語

通過巧妙利用刀具自動補償功能以及宏程序當(dāng)中的全局參數(shù)完成對上述零件的程序開發(fā)充分表明：①該方法為復(fù)雜輪廓零件的加工提供了一種全新的思路。②徹底改變了以往手工編程中需要人工修改刀具補償?shù)膯栴}，同時也完全避免了人工修改刀補所產(chǎn)生的錯誤，減少操作者的勞動強度，有效地提高了機床利用率及自動化程度。③該方法編寫的程序和采用CAD/CAM軟件自動編程相比較，該方法可以大大簡化程序，增強數(shù)控系統(tǒng)的功能。節(jié)省加工時間，提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品的合格率。在實際生產(chǎn)中有一定的推廣應(yīng)用價值。

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(編輯李秀敏)

AppliedintheComplexContourCuttingToolAutomaticCompensationTechniqueResearch

GOU Jian-feng1,2，HOU Zhong-kun3

(1.Sichuan Engineering Technical College，Deyang Sichuan 618000,China；2.School of Mechanical and Precision Instrument Engineering,Xi′an University of Technology,Xi′an 710048,China)

Aiming at complex contour with chamfer parts in nc milling and programming difficult (often require automatic programming, process complex). Based on the analysis of complex profile parts and molding characteristics between chamfering, on the basis of the chamfering mathematical model is established and the related parameters is deduced expressions, put forward the use of tool automatic compensation function and macro program global variables, developed has high practical value of the parameters of the complex contour machining process. Through validation, this method greatly simplifies the process, to save the processing time, improve the production efficiency and machining accuracy. Also changed ever need to manually modify the knife in the manual programming problems, effectively improve the utilization rate of machine and degree of automation. In the actual production has a certain application value.

tool compensation; complex contour; application

TH161;TG51

：A

1001-2265(2017)09-0107-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.027

2016-10-27；

：2016-12-05

茍建峰(1983—)，男，陜西寶雞人，四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，博士，研究方向為數(shù)控加工技術(shù)，(E-mail)gjf0423@163.com。