車床數(shù)控系統(tǒng)的多邊形加工實現(xiàn)

陳 鵬

（廣州數(shù)控設備有限公司，廣東 廣州 510530）

0 引言

隨著先進制造、自動化技術的快速發(fā)展。近年來，在工藝品、機械、電子、航空航天等各個領域扁方體、三面體、四面體、六面體、八面體甚至任意面體等類似多面體類零件應用越來越多，加工這樣的零件通常的加工方法是沖床沖壓成型、車床或銑床上通過多道工序加工完成。這些方式都各有優(yōu)缺點：如沖床沖壓成型加工一次成型雖加工效率高，但缺點是精度低、產品單一、更換模具成本高；車床加工需使用極坐標插補功能進行加工，雖加工精度高，但加工效率較低；銑床加工雖精度高，但工序多、效率低、綜合成本高。

而在普通數(shù)控車床上通過增加刀盤軸和伺服主軸，控制系統(tǒng)增加多邊形加工控制算法可以實現(xiàn)高效率的任意多邊形的加工，并通過軸向移動從而實現(xiàn)多面體的加工。以下以廣州數(shù)控設備有限公司生產的980TC3總線式車床數(shù)控系統(tǒng)為例來講述如何實現(xiàn)多邊形加工。

1 多邊形加工原理

多邊形加工是指通過使工件與刀具按一定的比率旋轉，將工件的形狀加工成多邊形的加工，如圖1所示。

通過改變工件和刀具的旋轉速度比或刀具的安裝數(shù)量，可以把工件加工成三邊形、四邊形、六邊形甚至任意多邊形。

圖1 多邊形加工示意圖Fig.1 Polygon turning diagram

把工件及刀具的半徑分別設為A、B，把工件和刀具的旋轉角速度分別設為α、β。把XY笛卡爾坐標系的原點設定為工件的中心。為了使說明簡單易懂，如圖2，假設刀具軸旋轉中心在工件圓周位置P0（A，0）上，從刀尖在Pt0的位置（A-B，0）出發(fā)。

這時，經過時間 t后如圖 3 所示，刀尖位置 Pt（Xt，Yt）可以用式（1）和式（2）來表示：

圖2 工件與刀具旋轉示意圖Fig.2 Work piece and tool rotation diagram

圖3 多邊形加工刀尖運動軌跡圖Fig.3 Tool tip trajectory diagram

因工件和刀具的旋轉速度比 1：2，即：β=2α，所以式（1）和式（2）可以變換為下式：

式（3）和式（4）表示刀具的刀尖是長徑為 A+B，短徑為A-B的橢圓。

這樣，如果在180°的對稱位置各安裝1把刀具，則可以加工如圖4所示的四邊形；如果每隔120°的位置各安裝1把刀具，則可以加工如圖5所示的六邊形。

圖4 四邊形加工示意圖Fig.4 Square turning diagram

圖5 六邊形加工示意圖Fig.5 Hexagonal turning diagram

2 功能的實現(xiàn)

2.1 多邊形加工的指令格式

G250：多邊形加工取消；

G251 P_Q_：多邊形加工開始。

指令范圍：

表1 多邊形加工功能參數(shù)表Tab.1 Parameter table of polygon turning

|P|：1.0～999.0， 其中 P 為正時，工件軸的旋轉方向為正方向；P為負時，工件軸的旋轉方向為負向。

|Q|：1.0～999.0，其中 Q 為正時，刀具軸的旋轉方向為正方向；Q為負時，刀具軸的旋轉方向為負向。

2.2 多邊形加工參數(shù)定義

在使用多邊形加工功能時，由于不同的機床廠商選擇的主軸電機及刀具軸電機的性能參數(shù)各不相同，為了適配各型主軸及刀具軸電機，需要定義一些參數(shù)來設定電機數(shù)據(jù)。具體定義如表1所示。

2.3 多邊形加工數(shù)據(jù)結構

在執(zhí)行多邊形加工插補過程中需定義一個數(shù)據(jù)結構來集中存儲多邊形加工的相關數(shù)據(jù)參數(shù)，以便在插補時直接使用這些數(shù)據(jù)而不用重復去判斷數(shù)據(jù)是否合法，以此簡化插補流程、提高運行效率。結構定義如下：

2.4 多邊形加工數(shù)據(jù)初始化

多邊形加工啟動前需對多邊形加工數(shù)據(jù)進行初始化，如下所示：

2.5 多邊形加工算法及實現(xiàn)

假設多邊形加工指令中工件軸旋轉速度為S（r/min），工件軸與刀具軸的旋轉速度比為1：4，數(shù)控系統(tǒng)的插補周期為T（ms），各軸旋轉一圈為360°則在多邊形加工時：

工件軸的旋轉速度：Vwork=S（r/min）；

刀具軸的旋轉速度：VTool=Vwork×4=4S（r/min）；

每周期的移動系數(shù)：DT=（T×1×360）/（60/1000）（度·min/r）。

由此可得出：

工件軸每周期的移動量：Deltawork=S×DT（度）；

刀具軸每周期的移動量：DeltaTool=4S×DT（度）。

2.6 多邊形加工示例

使用1把刀具加工四邊形示例程序，如表2所示。

表2 多邊形加工示例程序Tab.2 Program of polygon turning

圖6所示為使用多邊形指令加工的幾種零件。

3 結論

以上簡述了多邊形加工的原理和軟件實現(xiàn)方法。從實際使用情況看，具有多邊形加工功能的數(shù)控車床結構簡單、使用方便、設備成本低；可加工多種正多邊形零件，且速度快、效率高且操作方便的優(yōu)點。尤其是在生產非標螺栓、螺母、帶方零件、多邊形工藝品、螺旋多邊形工藝品等類型的零部件應用上優(yōu)勢明顯。

圖6 多邊形加工樣品Fig.6 Sample of polygon turning