基于數(shù)控機床加工編程輔助方法的研究

劉麗梅 石建平 楊賀緒

【摘要】數(shù)控機床加工在現(xiàn)代機械制造加工中使用越來越廣泛，而目前使用的大多數(shù)數(shù)控機床尚無法實現(xiàn)自動編程，即使具備自動編程功能的設(shè)備往往因為對刀具的苛刻要求，仍主要靠人工進(jìn)行編程。本文所描述的數(shù)控編程輔助方法就是在該種情況下輔助編程人員迅速、準(zhǔn)確的進(jìn)行編程。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控 輔助編程 方法

一、前言

目前國內(nèi)外機械制造行業(yè)中，數(shù)控加工設(shè)備使用越來越廣泛，而使用數(shù)控設(shè)備無論采用的是哪種系統(tǒng)，都不可避免地涉及到數(shù)控編程問題。目前只有少數(shù)國際知名設(shè)備廠家的數(shù)控設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動編程，雖然有些先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備能夠完成部分程序數(shù)據(jù)的自我計算，但過程復(fù)雜，且受刀片、刀桿、夾具、設(shè)備的狀態(tài)及操作人員水平影響較大，最終不得不采用人工編程的方法來進(jìn)行數(shù)控加工程序的編制。

在數(shù)控程序編制過程中，各程序編制人員經(jīng)常會遇到一種情況，即用數(shù)控設(shè)備在加工精密復(fù)雜形狀產(chǎn)品時，相關(guān)的數(shù)控程序編制所需的數(shù)據(jù)需要根據(jù)圖紙尺寸進(jìn)行計算，尤其是一些錐形、球形甚至是這些形狀的組合產(chǎn)品，不僅要考慮圖紙上的尺寸要求還要將刀頭的圓弧半徑進(jìn)行考慮綜合計算，而這些數(shù)據(jù)難以計算，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也很難保證，這就使得在編制程序時大大增加了工作量和工作難度，加工時也難以保證一次將所需的產(chǎn)品尺寸加工出來，需要多次調(diào)試不斷對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整才能將產(chǎn)品加工合格，產(chǎn)生了大量的工時和試驗加工的浪費。

針對該種情況，通過結(jié)合autoCAD繪圖軟件，實現(xiàn)了一種簡便、準(zhǔn)確的數(shù)控加工編程輔助方法，使得編程人員能夠方便、快捷的確定數(shù)控編程所需的關(guān)鍵點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，數(shù)控編程人員只需按照給出的關(guān)鍵點坐標(biāo)值，通過一些簡單常用的命令即可完成程序的編制，解決了長期以來一直困擾生產(chǎn)廠家和操作人員的難題。本文以使用FANUC系統(tǒng)的數(shù)控車床為例對本數(shù)控加工編程輔助方法的原理和具體操作進(jìn)行闡述。

二、數(shù)控加工編程輔助方法原理

數(shù)控加工車床主要是通過數(shù)控程序來控制主軸轉(zhuǎn)動和刀塔的移動，通過刀塔沿數(shù)控車床Z，X軸移動與主軸轉(zhuǎn)動配合，然后由刀塔帶動刀具刀頭進(jìn)行工件車削加工，來完成復(fù)雜產(chǎn)品形狀的制造。其中刀塔在車床Z、X軸坐標(biāo)系內(nèi)的精準(zhǔn)移動軌跡，是加工合格產(chǎn)品的關(guān)鍵。

數(shù)控車床加工工件前，需要首先進(jìn)行數(shù)控程序的編制，目前數(shù)控車床有多種編程系統(tǒng)，但無論哪種系統(tǒng)，在進(jìn)行程序編制時，均需要提前計算出刀具加工運行軌跡過程多個關(guān)鍵點的坐標(biāo)，以供編程時使用。本文的重點就是要通過一種簡便快捷的方法來得到這些關(guān)鍵點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

數(shù)控車床常見的加工形狀有端面平面、圓柱面（里孔/外圓）、錐面（內(nèi)錐面/外錐面）、圓弧面、圓球面或幾種上述形狀的組合面等，而若要加工出這些要求的形狀，需要提供給數(shù)控車床刀具加工運行軌跡過程中的一些關(guān)鍵點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，如端面平面、圓柱面需要提供加工時刀片的起始點和終點坐標(biāo)，而加工錐面可采用設(shè)定起始點和終點坐標(biāo)的方法，也可以采用極坐標(biāo)的方法，對于加工圓弧面或圓球面則需要提供起始點、終點坐標(biāo)以及圓弧半徑。只有提供了以上這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)，才能通過控制程序中相應(yīng)的程序指令來指揮刀具沿設(shè)定的軌跡來完成加工。以上這些編程所需的數(shù)據(jù)的確定，如果僅簡單的按圖紙尺寸進(jìn)行計算，并輸入程序，往往較難以得到合格的產(chǎn)品尺寸，這主要是刀片加工切削面尺寸產(chǎn)生的影響，而這部分在刀片單一方向移動加工時一般不會產(chǎn)生影響，但當(dāng)?shù)镀M(jìn)行往復(fù)移動或復(fù)合方向移動加工時，刀片加工切削面與工件的接觸點會不斷變化，這時刀片切削面尺寸會對產(chǎn)品尺寸產(chǎn)生較大的影響，為此需消除這方面的影響。

受以上這些因素的影響，這些點坐標(biāo)的確定如果單純通過數(shù)據(jù)計算，則需要進(jìn)行大量復(fù)雜的計算，過程繁索，計算數(shù)據(jù)量大，需要的時間會很長，且因為計算過程中數(shù)據(jù)量較大從而導(dǎo)致出現(xiàn)錯誤的機率很高。一方面大量增加了計算工作量，而且出錯的機率很高；另一方面為了驗證計算結(jié)果的是否準(zhǔn)確，往往還需要多次的試驗加工和數(shù)據(jù)修改，從而產(chǎn)生大量的工時和樣品浪費，導(dǎo)致產(chǎn)品的生產(chǎn)成本增加。

而本數(shù)控加工編程輔助方法則有效地解決了上述出現(xiàn)的這兩個問題。本方法主要通過采用auto CAD軟件，首先將產(chǎn)品圖紙進(jìn)行1：1繪制，然后將生產(chǎn)中準(zhǔn)備使用的刀具按1：1的比例進(jìn)行繪制，從而確定數(shù)控程序編程所需要的關(guān)鍵點。再通過使用auto CAD軟件中的坐標(biāo)提取命令，將這些關(guān)鍵點的坐標(biāo)信息提取出來，從而得到了相對于工件加工基準(zhǔn)點的關(guān)鍵點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在得到這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)后根據(jù)產(chǎn)品加工過程將這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)代入到相關(guān)的指令進(jìn)行編程即可。采用該種方法實現(xiàn)了數(shù)控車床的快速編程，加工時僅進(jìn)行簡單的對刀后即可加工出合格的產(chǎn)品，大大減少樣品廢品的出現(xiàn)。另外在提出關(guān)鍵點坐標(biāo)時，需要模擬刀具在工件上加工的相對位置，故本方法還能對刀具是否會在加工中發(fā)生干涉進(jìn)行驗證。

三、數(shù)控加工編程輔助方法應(yīng)用

下面通過一種產(chǎn)品的實際加工的實施來進(jìn)行說明。如圖一所示產(chǎn)品為擬加工產(chǎn)品，重點針對產(chǎn)品內(nèi)孔Ⅰ區(qū)所示部分的加工編程關(guān)鍵點坐標(biāo)取得的方法過程進(jìn)行闡述。

為了準(zhǔn)確得到工件加工編程關(guān)鍵點的坐標(biāo)，所有圖形需要通過1：1的比例在autoCAD中進(jìn)行繪制。同時加工所用刀具尺寸也需要明確，具尺寸包括刀頭有效切削部位的尺寸和安裝尺寸，即刀頭有效加工部位尺寸和與工件的相對位置尺寸，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)將刀頭按1：1的尺寸在工件圖中進(jìn)行繪制。以便模擬刀具在加工工件時關(guān)鍵點的相對位置。

圖二為圖-Ⅰ處區(qū)域10倍的放大圖，通過圖二可以清晰的看到切削部分的各加工面的輪廓形狀。

1.圓柱面2.圓弧面3.圓弧面4.圓錐面5.圓弧面6.圓錐面7.圓錐面8.圓柱面

圖二Ⅰ處各加工面的輪廓形狀

如圖二所示，如果要加工出圖示形狀，則需要刀塔帶動刀頭沿縱向和橫向進(jìn)行移動并配合主軸旋轉(zhuǎn)來完成加工。而刀塔的移動是由數(shù)控程序來驅(qū)動的，需要在數(shù)控程序中將刀塔的準(zhǔn)確運動軌跡予以確定，以保證刀具加工軌跡的準(zhǔn)確性，從而保證產(chǎn)品尺寸的精度要求。

根據(jù)金屬機械切削原理可知，當(dāng)?shù)镀庸で邢髅婺軌驕?zhǔn)確的沿圖二所示由1至8的加工面進(jìn)行切削移動時，配合主軸旋轉(zhuǎn)就能加工出符合要求的形狀。

四、總結(jié)

1.主要操作步驟：

（1）使用auto CAD軟件繪制準(zhǔn)確圖形，須保證1：1的圖形比例；

（2）掌握加工用刀片的關(guān)鍵尺寸，主要有刀尖半徑、刀尖夾角、刀片與主軸的夾角；

（3）將刀片置于關(guān)鍵點位置，關(guān)鍵點主要是指平面、錐面、圓柱面等的刀片起點和終點，弧面或球面還需確定連接圓弧的半徑，該連接圓弧的半徑可通過在auto CAD中采用三點確定圓弧的方式來確定；

（4）確定加工基準(zhǔn)點（0，0）后，利用auto CAD中的點坐標(biāo)命令I(lǐng)D測得刀片的相對坐標(biāo)值；

（5）將得到的各關(guān)鍵點的坐標(biāo)及相關(guān)數(shù)據(jù)提供給數(shù)控設(shè)備編程使用。

2.主要特征：

（1）從細(xì)微處明確了圓弧刀尖在加工精密復(fù)雜形狀產(chǎn)品時的影響，在產(chǎn)品各部位的實際加工過程中，刀尖與產(chǎn)品的接觸點是不同的，在確定刀片關(guān)鍵點坐標(biāo)時，給予了充分考慮，使刀片關(guān)鍵點的坐標(biāo)準(zhǔn)確無誤。

（2）利用autoCAD繪圖軟件，簡便、快捷確定關(guān)鍵點坐標(biāo)，提高了關(guān)鍵點坐標(biāo)計算過程的效率。

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