拋物線類零件數(shù)控車編程加工方法研究

張曉玉

(北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司,北京100160)

0 引言

非圓曲線類零件的加工，一直以來(lái)就是數(shù)控車加工中比較棘手的問(wèn)題。拋物線作為非圓曲線的一種，其數(shù)控編程加工具有很強(qiáng)的代表性，在各大數(shù)控車職業(yè)技能比賽中屢次出現(xiàn)。通常采用G代碼編制NC程序加工拋物線，但由于編程過(guò)程中計(jì)算量大，程序過(guò)于冗長(zhǎng)，而且程序修改變更較為繁瑣，故不適用于實(shí)際生產(chǎn)[1]。大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)不具備專門的拋物線插補(bǔ)功能，所以加工拋物線時(shí)多以宏程序?yàn)檩d體，采用直線逼近法或圓弧逼近法的方式進(jìn)行加工。本文以FANUC Series 0i Mate-TD數(shù)控系統(tǒng)、前置四方刀架、絕對(duì)編碼器為例，詳細(xì)介紹如何采用宏程序編程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)拋物線類零件的加工。

1 與編制數(shù)控程序有關(guān)的拋物線數(shù)學(xué)知識(shí)

到一定點(diǎn)與一定直線（假定定點(diǎn)不在定直線上）的距離相等的動(dòng)點(diǎn)的軌跡稱為拋物線，定點(diǎn)稱為拋物線的焦點(diǎn)，定直線稱為拋物線的準(zhǔn)線。拋物線有一對(duì)稱軸，拋物線的焦點(diǎn)在此軸上，此軸簡(jiǎn)稱拋物線的軸，拋物線與它的軸的交點(diǎn)稱為拋物線的頂點(diǎn)[2]，如圖1所示。

圖1 拋物線

以數(shù)控車床X-Z坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，拋物線標(biāo)準(zhǔn)方程為X2=-2PZ(P＞0)[3]。具體參數(shù)為：焦點(diǎn)F（-P/2,0）、頂點(diǎn)（0，0）、準(zhǔn)線方程Z=P/2、通徑端點(diǎn)（P/2,± ）P,對(duì)稱軸Z軸、離心率e=1、焦半徑MF=P/2-Z0。數(shù)控車編程中多將上式整理為以Z軸坐標(biāo)作為自變量，X軸坐標(biāo)作為因變量。

2 宏程序加工拋物線

宏程序加工拋物線實(shí)質(zhì)上是根據(jù)拋物線的標(biāo)準(zhǔn)方程，用宏代碼密集地計(jì)算出拋物線輪廓上的坐標(biāo)值，然后驅(qū)動(dòng)刀具沿著這些坐標(biāo)值逐步移動(dòng)，實(shí)質(zhì)上就是用小段直線逼近拋物線輪廓。

2.1 采用Z向分段、直線逼近法，IF語(yǔ)句完成拋物線精加工程序

加工圖樣如圖2[4]所示，毛坯直徑為φ70圓鋼，材質(zhì)為45鋼。編程思路：依靠拋物線的標(biāo)準(zhǔn)方程，通過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系把拋物線的X方向值表述出來(lái)，而在程序中，使拋物線Z方向從起始值逐步增大到Z方向終止值。

工件坐標(biāo)系建立在工件右端面中心，對(duì)刀操作如圖3所示，通過(guò)設(shè)置刀具偏移值建立工件坐標(biāo)系，如圖4所示。

精加工軌跡編程如下：

圖2 拋物線

圖3 對(duì)刀操作圖

圖4 設(shè)置刀具偏移值建立工件坐標(biāo)系

2.2 采用Z向分段、直線逼近法，WHILE-END語(yǔ)句完成拋物線精加工程序（表2）

拋物線精加工程序如下：

2.3 兩種精加工程序的比較

執(zhí)行IF程序段時(shí)，是從該程序段往下逐段檢索轉(zhuǎn)向目標(biāo)（程序段的）順序號(hào)的。如果到程序結(jié)尾仍未找到，就回到程序開(kāi)頭繼續(xù)逐段檢索，直到檢索到為止（如始終未檢索到，系統(tǒng)就發(fā)出128號(hào)報(bào)警），逐段檢索需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間[5]。因此使用IF語(yǔ)句進(jìn)行編程時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)滯后的現(xiàn)象，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)要求極高。而WHILE-END循環(huán)指令的循環(huán)頭和循環(huán)尾如同兩堵墻，執(zhí)行時(shí)在這兩堵墻之間來(lái)回循環(huán)，就快得多了，故應(yīng)盡量采用WHILE-END語(yǔ)句編寫循環(huán)程序。

2.4 與G71、G70指令嵌套完成粗精加工

FANUC Series 0i Mate-TD數(shù)控系統(tǒng)不但可以使用G73、G70指令完成零件的粗精加工（多用于毛坯為鑄件、鍛件的零件），而且新增了使用G71指令與精加工程序相互嵌套結(jié)合G70指令完成零件粗精加工的功能（多用于毛坯為圓鋼的零件）。以G71指令為例，與2.1節(jié)所示精加工程序完成嵌套，具體格式如下：

3 對(duì)程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證

采用VERICUT軟件對(duì)2,4節(jié)粗精加工程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證。VERICUT軟件是美國(guó)CGTECH公司開(kāi)發(fā)的專業(yè)數(shù)控機(jī)床加工仿真軟件，通過(guò)VERICUT軟件對(duì)數(shù)控加工過(guò)程的仿真校驗(yàn)，能夠有效排除程序中存在的錯(cuò)誤及機(jī)床干涉碰撞、過(guò)切欠切、超行程等問(wèn)題，從而取代或簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的切削件試切方式，節(jié)省時(shí)間，降低成本[6]。

1）建立數(shù)車模型，如圖5所示,毛坯設(shè)置為φ70棒料。

圖5 VT數(shù)車模型

圖6 VT刀片

圖7 VT刀具

圖8 粗加工程序驗(yàn)證

圖9 精加工程序驗(yàn)證

圖10 仿真刀路軌跡

3）對(duì)拋物線粗加工的驗(yàn)證如圖8所示。

4）對(duì)拋物線精加工的驗(yàn)證如圖9所示。

5）仿真刀路軌跡如圖10所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的宏程序數(shù)控車加工拋物線的編程方法通用性較強(qiáng)，對(duì)于不同的拋物線方程，只需更改相應(yīng)參數(shù)即可迅速完成拋物線精加工程序的編制。通過(guò)與G71、G73、G70指令結(jié)合能完成拋物線類零件的粗、精加工。而且與CAXA、MASTERCAM、UG等自動(dòng)編程軟件編出的程序相比，具有程序簡(jiǎn)潔、不冗長(zhǎng)、占用數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存空間小等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)程序在VERICUT數(shù)控仿真軟件中的運(yùn)行，驗(yàn)證了程序的準(zhǔn)確性。本文所研究的方法，對(duì)數(shù)控車加工其它圓錐曲線，如橢圓、雙曲線等具有一定的參考價(jià)值，并且方法實(shí)用可靠，在FANUC Series 0i Mate-TD數(shù)控系統(tǒng)上車削成功，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。