強(qiáng)力旋壓機(jī)床自動(dòng)編程系統(tǒng)的研究

王寧，辛世界

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255049)

1 旋壓技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

旋壓技術(shù)是塑性成形加工常用的技術(shù)之一，因其容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化、柔性化、精密成形制造而在塑性加工中受到特別的重視。經(jīng)強(qiáng)力旋壓后，金屬的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表面硬度和抗疲勞強(qiáng)度以及表面精度都有所提高。而強(qiáng)力旋壓由于縱向和橫向進(jìn)給力大，可以更高效地旋壓大壁厚的零件，使其成為旋壓機(jī)中的佼佼者。

我國(guó)對(duì)旋壓機(jī)床的研究起步較晚，相關(guān)的研究人員較少，且主要集中于航空、航天以及兵器工業(yè)集團(tuán)公司的一些科研院所，研制的旋壓機(jī)床距國(guó)際先進(jìn)水平都有較大的差距。尤其在強(qiáng)力旋壓方面，數(shù)控、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等核心部件大都是依賴(lài)于國(guó)外進(jìn)口。由于受到出口限制，這些系統(tǒng)在功能上都有一定程度的減少，嚴(yán)重制約了我國(guó)旋壓機(jī)床的應(yīng)用范圍和機(jī)械制造水平的提高?；赑C平臺(tái)的編程系統(tǒng)應(yīng)用不夠廣泛，大部分還是采用手工編程，工作強(qiáng)度大，編程效率低，嚴(yán)重影響工業(yè)生產(chǎn)的加工精度和效率。

基于AutoCAD平臺(tái)，開(kāi)發(fā)適用于旋壓機(jī)床的圖形化編程系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)各種旋壓零件加工程序的高效編制，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，推動(dòng)強(qiáng)力旋壓技術(shù)在更廣泛領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2 旋壓機(jī)床編程難點(diǎn)分析

3D65CNC強(qiáng)力旋壓機(jī)床是20世紀(jì)90年代從國(guó)外進(jìn)口的大型機(jī)床，專(zhuān)用于金屬筒形件旋壓。機(jī)床持續(xù)工作了近二十年，其數(shù)控、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等已嚴(yán)重老化，故障頻發(fā)，但機(jī)床的主體仍然保持著較高的機(jī)械精度，加之旋壓機(jī)床價(jià)值昂貴，所以數(shù)控及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的升級(jí)刻不容緩。機(jī)床系統(tǒng)升級(jí)，采用西門(mén)子Sinumerik840D、SIMODRIVE 611D、SIMATIC S7-300系列PLC。Sinumerik840D是西門(mén)子公司20世紀(jì)90年代推出的高性能數(shù)控系統(tǒng)，其軸控規(guī)模強(qiáng)大，最多可配31個(gè)軸，可以實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，任何三維曲面都可以加工。

由于旋壓機(jī)床軸系統(tǒng)由縱向進(jìn)給軸A，橫向進(jìn)給軸X、Y、Z組成，3橫向進(jìn)給軸呈120°均布，且徑向和軸向均存在一定錯(cuò)距量。早先采用的直角坐標(biāo)系的編程系統(tǒng)不能完全滿(mǎn)足旋壓機(jī)床零件加工程序編制的需求。因此需要開(kāi)發(fā)新的編程系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)不同外形零件加工程序的高效編制。

旋壓機(jī)床是專(zhuān)用機(jī)床，對(duì)母線(xiàn)復(fù)雜的回轉(zhuǎn)體工件進(jìn)行旋壓時(shí)，如何通過(guò)數(shù)控加工代碼實(shí)現(xiàn)主軸和旋輪(A、X、Y、Z)的同時(shí)插補(bǔ)，是數(shù)控編程的一個(gè)難點(diǎn)。為解決這一問(wèn)題，擬對(duì)120°均布的三旋輪裝置分別進(jìn)行編程控制，利用Sinumerik840D的機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)四軸同時(shí)插補(bǔ)。縱、橫向均采用伺服電機(jī)控制，通過(guò)光電編碼器，將位置和速度檢測(cè)信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)理想的錯(cuò)距旋壓成形。

3 自動(dòng)編程系統(tǒng)原理

AutoCAD采用了開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)，提供了一個(gè)交互式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。自動(dòng)編程采用模塊化結(jié)構(gòu)，其原理:首先，在AutoCAD平臺(tái)上繪制工件輪廓圖，獲取幾何信息;由人機(jī)交互對(duì)話(huà)框輸入主軸轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù);然后，由前置數(shù)據(jù)處理模塊處理圖形文件獲得刀具中心軌跡;再通過(guò)圖形編程模塊生成相應(yīng)的數(shù)控加工程序;最后對(duì)生成的NC代碼進(jìn)行編輯修改，確認(rèn)能達(dá)到加工要求后，將NC代碼傳送到旋壓機(jī)床進(jìn)行加工生產(chǎn)。自動(dòng)編程系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 自動(dòng)編程系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

繪制零件的二維圖形。AutoCAD二維圖形包括零件輪廓和中心線(xiàn)、尺寸標(biāo)注等非零件輪廓的實(shí)體。為了能夠準(zhǔn)確提取圖形實(shí)體，需要給描述零件輪廓的實(shí)體下列特定的相關(guān)聯(lián)的性質(zhì):按1∶1的比例繪制零件二維輪廓圖;輪廓線(xiàn)首尾相連接形成一條多段線(xiàn);描述零件輪廓的圖形實(shí)體放在同一圖層，設(shè)置成同一種顏色，將中心線(xiàn)、標(biāo)注尺寸放在另一層。

圖形幾何信息的獲取?；贏utoCAD平臺(tái)，可以通過(guò)以下方式來(lái)獲取零件圖形幾何信息:(1)對(duì)于比較復(fù)雜的圖形，需要通過(guò)刀具中心數(shù)據(jù)文件(DXF文件)來(lái)獲取，其中的二維數(shù)組會(huì)記錄零件圖中的線(xiàn)性信息，包括直線(xiàn)的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)，圓弧的圓心坐標(biāo)、半徑、起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo);(2)對(duì)于輪廓簡(jiǎn)單的圖形，將各輪廓線(xiàn)首尾相連成多段線(xiàn)(PLINE)，確定相應(yīng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，便于確定刀具的運(yùn)動(dòng)方向。多段線(xiàn)可以用直線(xiàn)和圓弧逼近任意形狀，符合旋壓機(jī)床所具備的直線(xiàn)插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)算法;(3)通過(guò)人機(jī)交互來(lái)直接拾取零件實(shí)體輪廓，將輪廓細(xì)分成微小的直線(xiàn)和圓弧，只要獲取直線(xiàn)和圓的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)。這里采用第二種獲取方式。

工藝參數(shù)輸入。主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削余量等必要的加工參數(shù)，需要在NC代碼生成前，通過(guò)人機(jī)交互方式輸入系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過(guò)DCL文件和Visual LISP語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)人機(jī)交互式的菜單及相應(yīng)的對(duì)話(huà)框，輸入必要的工藝參數(shù)，并且用戶(hù)可以根據(jù)所加工零件的尺寸進(jìn)行修改。相應(yīng)的工藝參數(shù)需要根據(jù)毛坯材料、刀具材料、機(jī)床的性能等因素來(lái)確定，或者從工序卡中獲取。

NC代碼生成。該模塊是自動(dòng)編程系統(tǒng)的核心。NC代碼是根據(jù)零件的幾何圖形信息和加工工藝信息進(jìn)行處理所形成的。圖形幾何信息主要是關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo);工藝信息主要包括刀具半徑補(bǔ)償、機(jī)床工藝參數(shù)、插補(bǔ)算法。主程序在調(diào)用圖形處理模塊處理數(shù)據(jù)時(shí)，結(jié)合工藝參數(shù)生成刀位數(shù)據(jù)文件;然后進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控編程系統(tǒng)初始化，生成所需的NC代碼格式，保存為T(mén)XT格式。

數(shù)控程序輸出。將生成的NC代碼編輯修改為機(jī)床所能識(shí)別的代碼文件，直接或間接地輸入到旋壓機(jī)床。

4 自動(dòng)編程系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

Visual LISP在AutoLISP基礎(chǔ)上增加了對(duì)話(huà)框和窗口界面的庫(kù)，提供了一套完整的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，具有代碼編輯、程序調(diào)試、獨(dú)立應(yīng)用程序發(fā)布等功能。旋壓機(jī)床編程系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案如下:

(1)系統(tǒng)菜單設(shè)計(jì)

菜單樣式包括下拉菜單、屏幕菜單、圖像菜單等，這里用到的是下拉菜單。菜單的定制是通過(guò)編寫(xiě)并加載菜單文件*．mnu來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在文本格式下編輯文本文件，存盤(pán)時(shí)文件擴(kuò)展名為．mnu。菜單文件的加載方式有兩種:①通過(guò)鍵入MNEU命令，彈出加載對(duì)話(huà)框來(lái)編譯加載，加載完成后會(huì)生成*．mnc、*．mnr、*．mns文件;②通過(guò)工具→自定義→菜單來(lái)完成程序加載，將生成的菜單名插入到菜單欄的合適位置。加載完成后形成圖2所示的界面。

圖2 旋壓下拉菜單加載

(2)交互對(duì)話(huà)框的設(shè)計(jì)

相關(guān)工藝參數(shù)通過(guò)人機(jī)交互對(duì)話(huà)框輸入，如圖3所示。對(duì)話(huà)框的外觀和格式的制定由編寫(xiě)的DCL文件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)話(huà)框的應(yīng)用則是由編程語(yǔ)言來(lái)控制的。AutoCAD系統(tǒng)提供了兩個(gè)重要 DCL文件:ACAD．DCL，存放 AutoCAD系統(tǒng)定義的對(duì)話(huà)框;BASE．DCL，為用戶(hù)提供常用的對(duì)話(huà)框標(biāo)準(zhǔn)控件。定義對(duì)話(huà)框時(shí)，可以直接使用AutoCAD預(yù)定義的25種控件類(lèi)型以及8個(gè)最常用的控件，但是在編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，必須注意控件的關(guān)鍵字。

圖3 工藝參數(shù)輸入對(duì)話(huà)框

這部分的核心問(wèn)題是設(shè)計(jì)編寫(xiě)、調(diào)用實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的函數(shù)，并把對(duì)話(huà)框中的控件與函數(shù)中的變量相匹配，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)輸入的記憶。

(3)從圖形到NC代碼的實(shí)現(xiàn)

文中的加工實(shí)例輪廓比較簡(jiǎn)單，僅含有直線(xiàn)或圓弧。進(jìn)入系統(tǒng)拾取各實(shí)體線(xiàn)編輯成多段線(xiàn)PLINE。在AutoCAD中，主要用頂點(diǎn)坐標(biāo)和凸度來(lái)描述PLINE，通過(guò)凸度來(lái)判別下面的輪廓是直線(xiàn)或圓弧，來(lái)確定G代碼的格式。取輪廓實(shí)體后，一般通過(guò)OFFSET指令，結(jié)合旋輪的半徑值，可以直接得到刀具中心軌跡線(xiàn)。把刀具軌跡各點(diǎn)的坐標(biāo)等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件中。這里需要用到Visual LISP實(shí)體處理函數(shù):

(SETQ＊＊1(SSGET"Select a Ployline"));

(SETQ＊＊2(ENTGET＊＊1));表面處理函數(shù)得到各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和圓弧的凸度;

(SETQ＊＊3(CDR(ASSOC 10＊＊4)));從*＊4中取第一個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)給變量＊＊3;

(SETQ＊＊5(CDR(ASSOC 42＊＊4)));

采用增量坐標(biāo)編程，獲取了刀具中心軌跡各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)或圓弧半徑后，通過(guò)后置處理模塊，根據(jù)ISO數(shù)控代碼格式便可將圖形幾何信息和工藝干預(yù)信息轉(zhuǎn)換成數(shù)控加工程序代碼，同時(shí)以“*．NC”形式文件名保存。

(4)強(qiáng)力旋壓機(jī)床的NC程序應(yīng)用

通過(guò)自動(dòng)編程系統(tǒng)生成的原始NC代碼，僅僅是其中機(jī)床一個(gè)旋輪的走刀程序，由于3D65CNC機(jī)床軸布局的特殊性，NC代碼需要經(jīng)簡(jiǎn)單編輯后，才能符合旋壓機(jī)床的軸系統(tǒng)功能，才能應(yīng)用于實(shí)際加工。如何通過(guò)數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)主軸和三旋輪同時(shí)向主軸A插補(bǔ)，是數(shù)控編程的難點(diǎn)一;旋壓機(jī)床的3個(gè)旋輪均存在軸向和徑向的錯(cuò)距，致使各旋輪加工時(shí)的起始坐標(biāo)不相同，是數(shù)控編程的難點(diǎn)二?？紤]到以上兩個(gè)難點(diǎn)，結(jié)合所加工的零件是回轉(zhuǎn)體，所以3個(gè)旋輪的轉(zhuǎn)速、徑向進(jìn)給速度和徑向進(jìn)給量是一致的，這里應(yīng)用Sinumerik840D的機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能，實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)，并且只能采用增量坐標(biāo)編程。例如:

…

N40 G01 X15 Y15 Z15 F4500

//三旋輪前進(jìn)到起始位置

N50 A0 F4500

//A軸到零點(diǎn)

N60 G01 X9．5 Y8．5 Z7．5 F2000

//三旋輪前進(jìn)到旋壓位置

N70 CC-COPON(X Y Z)

//將X、Y、Z軸耦合

N80 G91 G01 X-1 F500

//耦合狀態(tài)下，三旋輪進(jìn)給增量-1

N90 CC-COPOFF(X Y Z)

//將X、Y、Z軸去耦合

…

5 總結(jié)與展望

基于AutoCAD平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了從零件二維輪廓圖到NC數(shù)控加工代碼的轉(zhuǎn)換。應(yīng)用Sinumerik840D的機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能，采用增量坐標(biāo)編程的方式，獲得了3D65CNC強(qiáng)力旋壓機(jī)床加工復(fù)雜母線(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件的加工程序。經(jīng)工廠的實(shí)際生產(chǎn)證明，明顯提高了各類(lèi)零件旋壓的編程效率和加工精度。希望文中的研究能夠?yàn)槲覈?guó)早期進(jìn)口旋壓機(jī)床的升級(jí)換代提供理論和實(shí)踐上的參考，促進(jìn)我國(guó)旋壓機(jī)床技術(shù)水平的發(fā)展。

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