基于SINUMERIK 802S/C 的高效車削方法研究

蔡紅健

(南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通 226007)

SINUMERIK 802S/C 是西門子公司1998年推出的數(shù)控系統(tǒng)，包括SINUMERIK 802S base line 和SINUMERIK 802C base line，除了前者采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、后者采用交流伺服驅(qū)動(dòng)不同外，在控制能力、硬件結(jié)構(gòu)、軟件及PLC 語言等方面均相同。該系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比和較好的開放性，被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床、磨床及專用機(jī)床［1］。

利用數(shù)控系統(tǒng)中的固定循環(huán)加工零件，不僅能簡化編程，而且能提高切削效率，保證加工質(zhì)量［2］。其中毛坯切削循環(huán)LCYC95 是SINUMERIK 802S/C 數(shù)控車削系統(tǒng)中最為常見的固定循環(huán)，可在平行于坐標(biāo)軸方向加工由子程序編寫的輪廓［3］。然而，對于輪廓凹凸變化的零件，應(yīng)用LCYC95 時(shí)出現(xiàn)61605 號報(bào)警，提示用戶“輪廓錯(cuò)誤定義”［4］。目前，常用的解決方法有:用G158 指令的宏程序循環(huán)編程［5-6］、用相對坐標(biāo)G91 的子程序循環(huán)編程［6］等。這些方法實(shí)際上是一種仿形循環(huán)加工法，即每次循環(huán)的走刀路線與零件輪廓形狀相仿，只是每次循環(huán)的加工余量逐漸減少。理論上，只要刀具切削時(shí)不產(chǎn)生干涉，都可實(shí)現(xiàn)加工。然而，采用該種方法加工時(shí)空刀較多，效率較低。文中對仿形循環(huán)加工法進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合LCYC95，提出一種高效車削輪廓凹凸變化零件的方法。

1 高效車削方法總體設(shè)計(jì)

1.1 確定零件輪廓的單調(diào)遞增與內(nèi)凹部分

工件的輪廓形狀一般由若干段直線與圓弧組成，如圖1 所示。建立工件坐標(biāo)系ZOX，則工件的輪廓可描述成直徑X 關(guān)于長度Z 的分段函數(shù)，如式(1)所示:

若工件自右向左縱向切削，坐標(biāo)Z 的正方向與切削方向相反，當(dāng)函數(shù)的負(fù)斜率時(shí)，工件直徑自右向左單調(diào)遞減，則該輪廓段記為進(jìn)凹段，其余輪廓段均記為出凹段。將進(jìn)凹段的起點(diǎn)記為進(jìn)凹點(diǎn)。從最右端向左搜索函數(shù)的極大值點(diǎn)，即第一段內(nèi)凹輪廓段的進(jìn)凹點(diǎn)A1，過點(diǎn)A1向左作水平線，首交點(diǎn)記為該內(nèi)凹輪廓段的出凹點(diǎn)B1。再從點(diǎn)B1向左搜索函數(shù)的極大值點(diǎn)，即進(jìn)凹點(diǎn)A2，過點(diǎn)A2向左作水平線，首交點(diǎn)即為第二段內(nèi)凹輪廓段的出凹點(diǎn)B2，以此類推，找出所有內(nèi)凹輪廓段的進(jìn)凹點(diǎn)Ai與出凹點(diǎn)Bi，如圖1 所示。

圖1 輪廓凹凸變化的零件

用直線段AiBi替代原工件在第i 段內(nèi)凹輪廓段，其余區(qū)間段的函數(shù)保持不變，即自右向左單調(diào)遞增輪廓可描述成式(2)的分段函數(shù):

內(nèi)凹輪廓段仍用原工件輪廓分段函數(shù)，可描述成式(3)，如圖1 中陰影部分所示。

粗加工時(shí)先加工式(2)表示的單調(diào)遞增的輪廓，再加工式(3)表示的內(nèi)凹輪廓。

1.2 單調(diào)遞增輪廓部分的粗加工

采用毛坯切削循環(huán)LCYC95 縱向粗加工方式切削工件單調(diào)遞增的輪廓部分，在平行于Z 軸方向分層切削，每層切削時(shí)分成進(jìn)刀、粗車削、剩余角車削、退刀、返回等5 個(gè)步驟［3，7］，其使用方法在許多文獻(xiàn)中都有詳細(xì)介紹，這里不再贅述。

1.3 內(nèi)凹輪廓部分的粗加工

在加工內(nèi)凹輪廓時(shí)，常采用仿形循環(huán)加工法，每層切削時(shí)的走刀軌跡為零件輪廓形狀。由于初始層各部分的實(shí)際加工余量相差較大，余量較小的部分空切次數(shù)較多，因進(jìn)給率較小，加工效率難以提高。另外，當(dāng)車削進(jìn)凹段時(shí)，切削力較大，容易產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)降低進(jìn)給率。相反，當(dāng)加工出凹段時(shí)，切削力較小，切削環(huán)境大大改善，為保證加工效率，應(yīng)采用較大的進(jìn)給率。為消除空切現(xiàn)象，應(yīng)忽略在已加工表面外的輪廓段。這樣在保證加工質(zhì)量的前提下，大大縮短粗加工時(shí)間，顯著提高切削效率。將這種改進(jìn)的仿形循環(huán)加工法設(shè)計(jì)成固定循環(huán)LCYC96 的形式，設(shè)計(jì)過程詳見第2 節(jié)。

1.4 零件的精加工

零件精加工時(shí)選用較高的轉(zhuǎn)速、較小的進(jìn)給率和背吃刀量。另外，為保證零件的尺寸精度、幾何精度及表面粗糙度，需要對輪廓連續(xù)切削，不允許將零件輪廓單調(diào)遞增部分與內(nèi)凹部分分開加工，否則會產(chǎn)生接刀痕。精加工輪廓的NC 程序編寫可參考LCYC95和LCYC96 的子程序。

2 高效仿形粗切內(nèi)凹輪廓循環(huán)設(shè)計(jì)

參照毛坯切削循環(huán)LCYC95 的使用方法，將改進(jìn)的仿形循環(huán)加工法用固定循環(huán)LCYC96 的形式來實(shí)現(xiàn)，其使用格式為

輪廓插補(bǔ)段在進(jìn)凹點(diǎn)A(zA，xA)與出凹點(diǎn)B(zB，xB)所組成的直線AB 以外的切削為空刀切削，刀具移動(dòng)時(shí)可采用G00 指令快速走刀。為不產(chǎn)生撞刀現(xiàn)象，將AB 向外偏移精加工余量rFAL和退刀量rVRT，則快速走刀與正常切削速度 (F1或F2)走刀的界線(Boundary Line)方程為:

內(nèi)凹輪廓子程序中第一段插補(bǔ)終點(diǎn)坐標(biāo)為進(jìn)凹點(diǎn)A 的坐標(biāo)(zA，xA)，主程序中的循環(huán)起始點(diǎn)L 位置要求xL＞xBL。設(shè)計(jì)高效仿形粗切內(nèi)凹輪廓循環(huán)時(shí)可采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，其流程圖如圖2 所示。

圖2 高效仿形粗切內(nèi)凹輪廓循環(huán)程序設(shè)計(jì)流程圖

設(shè)子程序中插補(bǔ)段的起點(diǎn)為S(zS，xS)，終點(diǎn)為E(zE，xE)，找出內(nèi)凹輪廓直徑X 的最小值點(diǎn)M(zM，xM)，則最大切削余量為xA-xM，需要的切削層數(shù)為:

若非整除，則將層數(shù)取整后加1，即切削層數(shù):

將每層切削背吃刀量優(yōu)化為:

則第i 層的加工余量為:

即第i 層切削時(shí)需將子程序中的工件輪廓向外偏移ri，則實(shí)際加工時(shí)，插補(bǔ)段的起點(diǎn)S'的直徑值xS'=xS+2ri，Z 坐標(biāo)保持不變，即S'的坐標(biāo)為(zS，xS+2ri)。同理，實(shí)際加工插補(bǔ)段的終點(diǎn)E'坐標(biāo)為(zE，xE+2ri)。若插補(bǔ)段為圓弧段，其圓心C 坐標(biāo)為(zC，xC)，則實(shí)際加工圓弧插補(bǔ)段的圓心C'坐標(biāo)為(zC，xC+2ri)。

直線插補(bǔ)處理程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示，其中插補(bǔ)直線與分界線交點(diǎn)的Z 坐標(biāo)為:

圖3 直線插補(bǔ)處理程序設(shè)計(jì)流程圖

圓弧插補(bǔ)處理程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4 所示，其中插補(bǔ)圓弧與分界線的交點(diǎn)Z 坐標(biāo)為

式中:當(dāng)圓弧位于圓心的左側(cè)(第II、III 象限)時(shí)取負(fù)，右側(cè)(第I、IV 象限)時(shí)取正。圓弧插補(bǔ)處理可分成過象限圓弧與不過象限圓弧兩類，其中不過象限的圓弧還可分成第II、III 象限圓弧和第I、IV 象限圓弧兩種情況。因不過象限的圓弧不涉及進(jìn)凹與出凹的過渡，處理過程類似于直線插補(bǔ)，其設(shè)計(jì)流程圖不再給出。

圖4 圓弧插補(bǔ)處理程序設(shè)計(jì)流程圖

3 程序代碼的實(shí)現(xiàn)

提取子程序中內(nèi)凹輪廓信息可采用西門子系統(tǒng)的輪廓預(yù)處理CONTPRON 高級指令［8］。在分配固定循環(huán)LCYC96 內(nèi)部計(jì)算參數(shù)時(shí)可在R250～R299 中選?。?］。按程序設(shè)計(jì)流程圖和SINUMERIK 802S/C 的語法規(guī)則，編制LCYC96 固定循環(huán)代碼:

程序中變量_ KT、_ BTA、_ AHE 和_ RFC 已在系統(tǒng)DEF 目錄下的SGUD.DEF 文件中定義，未定義的程序名及變量需在指定的路徑下注冊，即在COV.COM 文件中注冊循環(huán)文件名LCYC96，在SC.COM 文件中注冊LCYC96 中參數(shù)R106、R108、R110、R111 和R112，并規(guī)定其取值范圍，然后利用WINPCIN 軟 件 將 LCYC96.SPF、COV.COM 和SC.COM 等文件發(fā)送至系統(tǒng)CST 目錄下，調(diào)試程序，直到運(yùn)行成功。為保護(hù)系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)，在文件發(fā)送前需將系統(tǒng)中所有文件傳出備份。

4 應(yīng)用舉例

以圖1 所示的零件為例，毛坯為φ50 mm 的棒料，以工件右端面中心為編程原點(diǎn)。在編程時(shí)先要確定零件輪廓的進(jìn)凹點(diǎn)與出凹點(diǎn)，再分割單調(diào)遞增輪廓與內(nèi)凹輪廓，編制的主程序如下:

各輪廓子程序的編寫可參照編程手冊，這里不再一一列出。

5 結(jié)束語

針對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 802S/C 的毛坯切削循環(huán)LCYC95 不能加工輪廓凹凸變化的零件，而傳統(tǒng)的仿形法雖能加工該類零件，但存在空刀多、效率低的問題，對仿形法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了高效仿形粗切內(nèi)凹輪廓固定循環(huán)LCYC96。提出的分割輪廓粗加工、連續(xù)輪廓精加工的方法切削效率高、加工精度好，在SINUMERIK 802S/C 數(shù)控系統(tǒng)中加工輪廓凹凸變化的零件具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

［1］彭美武.SIEMENS 802S 數(shù)控系統(tǒng)單一固定循環(huán)開發(fā)［J］.機(jī)械工程師，2005 (12):83 -84.

［2］蔡紅健.數(shù)控木工加工中心固定循環(huán)研究［J］.南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，11(1):18 -22.

［3］SIEMENS.SINUMERIK 802S/C base line 操作與編程-車床［M］.南京:西門子數(shù)控(南京)有限公司，2003:8 -49，9 -18.

［4］SIEMENS.SINUMERIK 802S/C base line 診斷說明［M］.南京:西門子數(shù)控(南京)有限公司，2003:1 -78.

［5］陳誕院.可編程零點(diǎn)偏移指令G158 的應(yīng)用［J］.廣西輕工業(yè)，2009(12):21 -23.

［6］李向陽.SINUMERIK 802S/C 系統(tǒng)編程技巧探討［J］.廣西輕工業(yè)，2009(11):76 -77，90.

［7］馬秀麗，滕凱.西門子數(shù)控系統(tǒng)循環(huán)加工研究［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2008，37(3):45 -47，55.

［8］SIEMENS.SINUMERIK 840D/840Di/810D 編程說明-工作準(zhǔn)備部分［M］，2004:569 -575.