肖根先 王金軼 呂 源 劉金川

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，徐州 221116；2.江蘇省特種機(jī)器人工程研究中心，徐州 221116）

數(shù)控加工手工編程具有不依賴于計(jì)算機(jī)軟硬件的支撐、編程靈活高效、程序簡短以及占用存儲空間小等優(yōu)點(diǎn)，適用于規(guī)則零件的加工[1-2]。

在研制綠籬修剪機(jī)器人時，其關(guān)鍵零件（見圖1）形狀規(guī)則、用量大，成本控制嚴(yán)格[3]，手工編程難以高效去除凸臺周邊的余量，更難以實(shí)現(xiàn)切削進(jìn)給（工進(jìn)）和快速進(jìn)給的自動判斷，人工干預(yù)多，工時浪費(fèi)嚴(yán)重。

圖1 綠籬機(jī)器人中樞滑臺零件正面簡圖（單位：mm）

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大批形狀規(guī)則但切削余量較多的零件，如新能源汽車電池組裝配件等（以下簡稱規(guī)則非標(biāo)件），普遍面臨產(chǎn)能提升乏力，加工成本居高不下的問題。解決這一問題，對于研發(fā)與加工實(shí)體具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

1 手工編程效率瓶頸原因分析

如圖1 所示，綠籬機(jī)器人中樞滑臺零件正面中心有一個正六邊形凸臺和一個圓形凸臺。手工編制程序直接切削凸臺形狀容易實(shí)現(xiàn)，但去除周邊余量時需一層層向外追加刀路。每一次外擴(kuò)追加刀路一般需要人工更改刀具半徑補(bǔ)償值，反復(fù)調(diào)用執(zhí)行，工作煩瑣且易出錯。根本原因在于半徑補(bǔ)償值是常數(shù)，不能實(shí)現(xiàn)自動循環(huán)更改。

圓形凸臺外圍去除余量通常采用整圓編程加工，由于毛坯是方形，往往只在四角處有實(shí)際的切削。這就造成以工進(jìn)速度走空行程的現(xiàn)象，嚴(yán)重浪費(fèi)時間，不利于成本控制和低碳生產(chǎn)[4]。而如果斷開切削軌跡，分段編程，又會導(dǎo)致編程計(jì)算復(fù)雜，出錯率高，且子程序調(diào)用、后期參數(shù)化修改等難以實(shí)現(xiàn)，可移植性差。這個困境的根本原因在于手工編程不能實(shí)現(xiàn)工進(jìn)與快進(jìn)的自動判斷。因此，實(shí)現(xiàn)刀路自行外擴(kuò)、工進(jìn)與快進(jìn)的自動判別，是解決痛點(diǎn)的關(guān)鍵。

2 高效變量編程的實(shí)踐

以FANUC 0i Mate-Mc 系統(tǒng)的VMC600 數(shù)控銑床為例，在宏程序編制時，通常將各方向坐標(biāo)值設(shè)置為變量，如用#1 代表X坐標(biāo)等，從而解決相對復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式計(jì)算等問題[5]。既然坐標(biāo)值可以使用變量，那么D 代碼甚至G 代碼變量化的可行性值得深入探索。

經(jīng)過長期多次探索驗(yàn)證得出結(jié)論，刀補(bǔ)建立語句中，D 代碼后面的數(shù)值也可以設(shè)置為變量。不僅如此，G 代碼、M 代碼、S 代碼、F 代碼等代碼后的數(shù)值都可以設(shè)置為變量。這一實(shí)踐驗(yàn)證將目前的手工編程方法從較為單一的坐標(biāo)變量，拓展到刀補(bǔ)、準(zhǔn)備功能字、輔助功能、進(jìn)給和轉(zhuǎn)速等的變量化。

2.1 自動外擴(kuò)切除余量

以圖1 零件的正六邊形凸臺粗加工為例，先正常切削凸臺，為精加工留下加工余量。然后通過循環(huán)改變刀具半徑補(bǔ)償值的編號，不斷放大刀具補(bǔ)償半徑值，實(shí)現(xiàn)刀軌自動外擴(kuò)。

加工凸臺輪廓時，設(shè)置X、Y方向的兩個坐標(biāo)變量，一個是角度變量，另一個是刀補(bǔ)號變量。隨著角度的變化，依次計(jì)算各個頂點(diǎn)的坐標(biāo)值，順次走完各段直線，實(shí)現(xiàn)正六邊形凸臺形狀的銑削，更改刀補(bǔ)變量來實(shí)現(xiàn)外擴(kuò)去除余量。這里有兩個循環(huán)：循環(huán)一是刀補(bǔ)半徑變量的循環(huán)，用于實(shí)現(xiàn)外擴(kuò)去除余量；循環(huán)二是角度的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)正六邊形輪廓的加工。需注意，循環(huán)二嵌套于循環(huán)一。

擬采用的刀具半徑值，提前輸入機(jī)床即可，具體編程不再贅述。刀補(bǔ)變量化的程序段格式為G41G01X#1Y#2D#3，其中#3 為刀補(bǔ)號的變量，#1、#2 為坐標(biāo)值變量。機(jī)床模擬所編程序得到的刀位點(diǎn)移動軌跡如圖2 所示。

圖2 正六邊形凸臺加工引入刀補(bǔ)變量自動外擴(kuò)效果

2.2 工進(jìn)與快進(jìn)的自動判定

粗加工直徑60 mm 的圓形凸臺時，為保證切削余量均勻，先切向切入與切出完成凸臺形狀的粗加工。在外擴(kuò)去除余量時，采用Φ16 mm 的刀具，不帶刀補(bǔ)先執(zhí)行半徑38.2 mm 的圓形軌跡，再利用子程序循環(huán)調(diào)用，完成半徑50 mm 和半徑62 mm 的兩個圓形切削軌跡?？紤]刀具半徑和工件尺寸，實(shí)際刀位點(diǎn)在X、Y方向±53 mm 范圍外時，刀具已經(jīng)脫離了與工件的接觸，因此刀位點(diǎn)在此范圍內(nèi)G 代碼取值為G01（工進(jìn)），否則取值為G00（快進(jìn)）。

采用主程序調(diào)用子程序的方式進(jìn)行手工編程。主程序解決內(nèi)圈的切削加工并為調(diào)用子程序完成刀具位置引導(dǎo)和外擴(kuò)去除余量的功能。子程序采用圓的參數(shù)方程，以宏程序方式逐點(diǎn)進(jìn)行工進(jìn)切削和快進(jìn)走刀的判定，并區(qū)別執(zhí)行。其中，X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、半徑值、角度值和G 代碼數(shù)值分別用局部變量#1、#2、#3、#4 和#5 進(jìn)行變量化。主程序較為簡單，在此不再贅述。

子程序參考代碼為

O0002；（子程序賦名）

G90G00Z-3；（下刀至Z-3）

#4=180；（角度賦值為180°）

WHILE[#4GE-180]DO1；（角度是否≤-180°，若否，則跳出）

#1=#3*COS[#4]；（計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)X坐標(biāo)）

#2=#3*SIN[#4]；（計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)Y坐標(biāo)）

#5=1；（G 代碼變量#5 賦值1）

IF[#1LE-53]THEN#5=0；（判定目標(biāo)點(diǎn)是否在毛坯左側(cè)外部，若是，則#5 賦值0）

IF[#2LE-53]THEN#5=0；（判定目標(biāo)點(diǎn)是否在毛坯下側(cè)外部，若是，則#5 賦值0）

IF[#1GE53]THEN#5=0；（判定目標(biāo)點(diǎn)是否在毛坯右側(cè)外部，若是，則#5 賦值0）

IF[#2GE53]THEN#5=0；（判定目標(biāo)點(diǎn)是否在毛坯上側(cè)外部，若是，則#5 賦值0）

G#5X#1Y#2；（以G01 或G00 方式走至該點(diǎn)）

#4=#4-0.1；（角度變量減少0.1°）

END1；（循環(huán)結(jié)束）

G00Z5；（抬刀至Z5）

G00 X-60Y0；（取消刀補(bǔ)返回工件左側(cè)外部）

M99。（子程序結(jié)束）

在判定G 代碼#5 的取值時，采用了4 個IF 語句中，若可采用“與或非”運(yùn)算，則代碼將更為簡潔。但是在驗(yàn)證中或因數(shù)控系統(tǒng)版本過低的原因，容易報錯，故未采用。

機(jī)床驗(yàn)證所得刀位點(diǎn)移動軌跡如圖3 所示，其中實(shí)線代表工進(jìn)，虛線代表快進(jìn)。外圍圓形軌跡上僅有4 個對角處是實(shí)線，程序成功判定了4 個對角處需要采用工進(jìn)，而在零件的上下左右四側(cè)，刀具脫離了工件，采用快進(jìn)方式節(jié)約時間。

圖3 圓臺加工自動實(shí)現(xiàn)工進(jìn)快進(jìn)判定的走刀軌跡圖

2.3 實(shí)切驗(yàn)證和效率提升對比

該零件的正六邊形、圓形凸臺及部分臨近區(qū)域完成粗精加工后的效果如圖4 所示。

圖4 凸臺部分試加工效果

外擴(kuò)去除余量時，一次調(diào)用，無須干預(yù)。自動判定工進(jìn)快進(jìn)方面，以圖3 中的第三圈為例，軌跡半徑為62 mm，進(jìn)給速度為400 mm·min-1，浪費(fèi)用時為45 s。精加工刀路更密，進(jìn)給更慢，采用自動判定可節(jié)約用時不少于1.5 min，而此部位總加工用時不超過4.5 min?？偨Y(jié)目前的加工情況，此零件整體的數(shù)銑平均加工用時從改善前的約40 min，降低至25 min 左右，同時大大降低了勞動強(qiáng)度。

3 結(jié)語

文章將手工編程的刀補(bǔ)D 代碼和G 代碼變量化，并結(jié)合宏程序的循環(huán)語句，利用簡潔的代碼編制了自動外擴(kuò)切除余量和自動判別工進(jìn)與快進(jìn)的數(shù)控加工程序，成功解決了目前手工編程在面對形狀規(guī)則但切削余量較多零件時效能優(yōu)勢難以發(fā)揮的瓶頸問題，對大量規(guī)則非標(biāo)件的產(chǎn)能提升和成本控制起到了直接的促進(jìn)作用。該實(shí)例研究對手工變量編程自身以及自主開發(fā)工業(yè)軟件、后處理軟件等提供了理論依據(jù)與參考，對數(shù)控加工教學(xué)也具有明顯的借鑒意義。