基于人機對話編程三軸車銑復(fù)合加工技術(shù)研究*

鄭向周

(運城職業(yè)技術(shù)大學(xué)，山西 運城044000)

車銑復(fù)合是各種復(fù)合機床中使用最廣泛的數(shù)控設(shè)備。大型車銑復(fù)合加工中心采用垂直立柱式轉(zhuǎn)臺和擺頭結(jié)構(gòu)，A軸轉(zhuǎn)臺可高速旋轉(zhuǎn)作為車削主軸，也可作為插補軸運動，B軸擺頭可安裝車削刀具或動力刀具，機床具有X、Y、Z、A、B五軸聯(lián)動功能，如圖1a。采用傾斜床身的車銑復(fù)合中心仍然采用數(shù)控車床的坐標結(jié)構(gòu)，B軸可擺動一定角度并夾緊，能夠更換統(tǒng)一刀柄的車銑刀具，具有X、Y、Z、C軸聯(lián)動的功能，如圖1b。車削中心由常規(guī)數(shù)控車床發(fā)展而來，其主軸增加了C軸插補功能，換刀系統(tǒng)仍然采用數(shù)控車床傾斜床身的轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，除了常規(guī)的Z軸和X軸外，還可具有Y軸運動功能，轉(zhuǎn)塔上刀具可以和主軸進行0°或者90°安裝，如圖1c。

車削中心因增加Y軸后使傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且運動幅度小，一般不選配Y軸功能，故其端面和外圓的銑削通過X、Z、C三軸完成，Y軸僅作為虛擬軸存在，給編程和加工帶來不便。基于人機對話的圖形式互動編程操作系統(tǒng)為車銑復(fù)合加工提供了較好的解決方案，其端面和外圓加工模塊提供各種凸臺、型腔等輪廓形狀，操作者只需要輸入相應(yīng)圖形參數(shù)即可完成編程。以下首先分析三軸車銑加工的原理。

1 端面三軸銑削加工研究

車削中心端面鏜銑加工時，采用0°安裝動力刀進行加工。在軸端X、Y平面內(nèi)，靠C軸和X軸的聯(lián)動來完成輪廓插補。刀位中心只能在X軸上移動，且其軸線通過C軸回轉(zhuǎn)中心Oc。端面上的任意點a，通過C軸的回轉(zhuǎn)到達X軸線位置a′，刀具通過X軸移動完成對a′點插補。如圖2所示，其笛卡爾坐標(x，y)轉(zhuǎn)換為極坐標(ρ，θ)：

(1)

據(jù)此推斷端面的任意輪廓形狀都可以通過X、C軸聯(lián)動插補完成。Z軸作為第3軸進行2.5軸運動，完成不同深度輪廓加工。因加工的形狀多為圓弧、直線輪廓，以下對此進行分析。

1.1 端面圓弧路徑插補算法

1.1.1 圓心在C軸回轉(zhuǎn)中心圓弧插補算法

對于圓心在C軸回轉(zhuǎn)中心的圓弧，設(shè)其半徑為R，對圓弧上點a(x，y)，其插補位置在a′點，根據(jù)圖2和式(1)，考慮刀具半徑r，得到刀位點坐標：

(2)

式中：xc為刀位點X坐標值，θc為C軸坐標值。

1.1.2 圓心不在C軸回轉(zhuǎn)中心圓弧插補算法

從而得到加工a點時刀位點Ot的X值和C軸值：

(3)

得到和式(2)相同的結(jié)果。

如圖4點a正好位于Oc和圓弧中心O連線上，由圖示幾何關(guān)系，顯然有：

(4)

下面由式(3)推導(dǎo)式(4), 由：

代入式(3)并進行化簡：

得到和式(4)相同的結(jié)果，驗證了式(3)正確。

1.2 端面直線路徑插補算法

得到刀位點Ot的X值和C值：

(5)

分別代入式(5)得到：

符合圖6中幾何關(guān)系，證明式(5)正確。

2 外圓三軸銑削加工研究

外圓銑削加工時，一般使用90°安裝動力刀具，加工平面在YZ平面內(nèi)。通過X、Z、C三軸聯(lián)動加工，可以實現(xiàn)對外圓螺旋槽、凸臺、鉆孔等形狀輪廓的加工。但因刀具不具有Y軸移動功能，軸線只通C軸回轉(zhuǎn)中心，使其銑鉆功能受到限制。以下嘗試通過T型刀具的使用，使其功能得到擴展。

2.1 外圓普通槽及鍵槽的加工

外圓普通直槽加工時，依靠C軸旋轉(zhuǎn)外擴大槽寬度，形成圖7中1處形狀。若用此種方法銑削鍵槽，會產(chǎn)生過切現(xiàn)象，如圖中陰影部分，且槽底呈圓弧狀，不能滿足要求。改用如圖7中2處所示的T型鍵槽銑刀，便能銑出符合要求的鍵槽形狀，此時所加工鍵槽的寬度和所用T型銑刀的直徑需一致。

2.2 外圓平面的加工

控制90°T型刀具的下刀深度，只要銑削平面寬度不超過刀具直徑，便能銑削外圓平面，但其寬度不能超過刀具直徑。如圖8中1處。

改用0°安裝的T型銑刀，可以實現(xiàn)外圓較大平面加工，如圖8中2處。銑削時T型刀具按照1.2節(jié)所述X、C軸聯(lián)動完成一個刀具切削刃長的平面銑削，再通過Z軸的間歇性軸向動作完成加工。

3 人機對話編程在車銑復(fù)合加工中的應(yīng)用

以凸輪槽軸零件的實例應(yīng)用來說明的人機對話編程的使用方法。圖9是零件結(jié)構(gòu)圖，在工程中心的Eco Turn310車削中心完成加工。該機床不具備Y軸運動功能，結(jié)構(gòu)模式如圖1c，配備西門子840 D數(shù)控系統(tǒng)的ShopTurn人機對話編程系統(tǒng)。

3.1 人機對話編程過程

ShopTurn編程系統(tǒng)采用參數(shù)化圖形界面，將零件加工的各工序過程顯示為一個完整規(guī)劃，包括程序開頭、程序段和程序結(jié)束3個部分。程序開頭設(shè)置毛坯尺寸、工件原點及裝夾位置等基本信息；程序段設(shè)定各個加工工序內(nèi)容，包括切削方法、刀具選擇、切削三要素和加工余量等；程序結(jié)束由系統(tǒng)自動給出。圖10設(shè)定了凸輪槽軸的右端工藝過程，包括外圓車削、內(nèi)孔鉆削、內(nèi)孔車削、矩形臺銑削(圖9中1處)、圓周孔鉆削等工序。其中內(nèi)外圓車削需繪制輪廓，孔鉆削需設(shè)定孔位置信息，在此不再贅述。

一個程序段設(shè)定完成后需要進行模擬加工，觀察加工完成后的輪廓形狀是否正確，可在電腦或者機床上進行仿真模擬加工，圖11是工件右端的仿真加工結(jié)果。

3.2 凸輪槽的編程及加工

外圓銑削加工的理論平面在YZ面上，實際靠Z、C軸聯(lián)動完成插補，編程時將輪廓路徑沿外圓柱面展開到虛擬YZ平面上進行點位坐標計算，即將C軸的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為Y軸坐標。設(shè)刀具X軸切深值R，有

y=R·θC

(6)

加工凸輪槽的G代碼編程為：

……

C4=0； (C軸起始角度為0)

TRACYL(50)；(設(shè)定槽底直徑轉(zhuǎn)換虛擬Y軸)

G00 Z-18 Y-39.25；(到槽切削起始點)

G01 X25 F100； (X下刀)

Z-32 Y39.25； (切螺旋槽)

G00 X70； (退刀)

TRAFOOF； (取消Y軸虛擬轉(zhuǎn)換)

……

若使用圖形對話編程，設(shè)定毛坯直徑60 mm，槽深為5 mm，選擇槽起始點已知坐標Z=-18、Yα=-90°；終止點坐標Z=-32、Yα=90°，系統(tǒng)會自動給出其他參數(shù)，得到銑削輪廓如圖13。依照輪廓建立銑削工序便可將槽加工出來。顯然人機圖形對話編程方式較G代碼編程高效和簡潔。圖14是零件左端仿真加工結(jié)果。

仿真確認無誤后在機床上進行加工。準備毛坯、刀具、設(shè)置工件原點等工作后完成加工，圖15為完成的零件。

4 結(jié)語

復(fù)合機床具有減少機床和夾具、提高工件精度、縮短加工周期等諸多優(yōu)點，是機床技術(shù)發(fā)展的潮流，亦是我國實現(xiàn)制造強國、發(fā)展高端制造業(yè)的重要裝備。

本文通過對3軸車銑復(fù)合機床加工原理的分析和使用人機對話系統(tǒng)進行編程的實例敘述，拓展了機床使用功能，加深了操作者對機床原理認知，對車銑復(fù)合機床在企業(yè)的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。