石從繼

(武昌首義學(xué)院機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430064)

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應(yīng)用宏程序和VERICUT實(shí)現(xiàn)空間螺旋槽四軸數(shù)控加工

石從繼

(武昌首義學(xué)院機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430064)

空間螺旋槽通常采用CAD/CAM軟件自動(dòng)編程方式實(shí)現(xiàn)，過(guò)程繁瑣且零件造型復(fù)雜。通過(guò)分析第四軸加工坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，直線Y坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)坐標(biāo)值A(chǔ)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程，以此編寫(xiě)了空間螺旋槽的四軸數(shù)控加工宏程序，通過(guò)步距變量控制加工誤差，經(jīng)VERICUT仿真驗(yàn)證及實(shí)際機(jī)床加工，程序運(yùn)行結(jié)果正確。通過(guò)賦值宏變量(螺旋槽半徑、直線長(zhǎng)度等)，可以實(shí)現(xiàn)不同大小的圓柱面上加工多個(gè)不同尺寸大小的溝槽。

宏程序 VERICUT 四軸加工 螺旋槽

0 引言

在生產(chǎn)實(shí)踐中，通常需要在某圓柱面上加工出溝槽形狀零件，其數(shù)控程序編制常采用兩種方法：普通手工編程和CAD/CAM自動(dòng)編程。如果采用CAD/CAM軟件自動(dòng)編程，零件造型復(fù)雜、后置處理生成的G代碼冗長(zhǎng)、需要設(shè)計(jì)專門(mén)的機(jī)床后處器，且過(guò)程繁瑣周期較長(zhǎng)。如果采用普通手工編程，由于是四軸加工，數(shù)據(jù)計(jì)算量大且計(jì)算困難，較難實(shí)現(xiàn)。根據(jù)多年的數(shù)控編程經(jīng)驗(yàn)，在圓柱面上加工溝槽形狀零件，可以采用手工編程的高級(jí)形式-宏程序?qū)崿F(xiàn)[1]。

1 宏程序概述

一組以子程序的形式存儲(chǔ)并帶有變量的程序稱為宏程序。宏程序與普通數(shù)控程序相比較，普通程序的程序字為常量，一個(gè)程序只能描述一個(gè)幾何形狀，缺乏靈活性和適用性。宏程序是一種高級(jí)數(shù)控編程語(yǔ)言，與常見(jiàn)數(shù)控系統(tǒng)編程指令不同，程序中通常帶有變量、運(yùn)算符、表達(dá)式及循環(huán)語(yǔ)句等，運(yùn)用宏指令對(duì)變量進(jìn)行賦值、運(yùn)算等處理，宏程序能執(zhí)行一些有規(guī)律變化(如非圓二次曲線輪廓)的動(dòng)作[2]。

2 空間螺旋槽零件四軸數(shù)控加工宏程序編寫(xiě)

2.1 加工工藝分析

圖1 空間螺旋槽零件

如圖1所示，在一圓柱面上(直徑100 mm，長(zhǎng)200 mm)，加工四條空間螺旋槽，互成90°，均布在圓周上，每條螺旋槽槽寬20 mm，深3 mm，槽底有r=4 mm的圓弧，螺旋槽圈數(shù)為2，螺距為100 mm。顯然，該零件加工需要A軸和X軸、Z軸(槽深方向周期進(jìn)給)三軸聯(lián)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)加工，因此，該零件是在學(xué)校數(shù)控實(shí)訓(xùn)基地的一臺(tái)配有FANUC l8M高速四軸立式加工中心機(jī)床上加工的，A軸為伺服驅(qū)動(dòng)分度回轉(zhuǎn)軸，采用Φ20R4的圓刀[3]。

2.2 宏程序編程步驟

2.2.1 繪制螺旋槽的二維展開(kāi)直線

圖2 螺旋槽平面展開(kāi)圖

該螺旋槽可看成是一條直線在直徑為100 mm圓柱面上的投影，首先繪制出螺旋槽的引導(dǎo)線-螺旋線二維展開(kāi)圖，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算后，繪制螺旋槽展開(kāi)矩形，矩形長(zhǎng)L=π×D×n=628 mm，寬H=T×n=200 mm，式中D為螺旋槽直徑mm，n為螺旋線圈數(shù)，T為螺旋槽螺距mm。連接矩形對(duì)角線，直線P1P2為螺旋槽的二維展開(kāi)直線，P1為螺旋槽展開(kāi)直線的起點(diǎn)，P2為螺旋槽展開(kāi)直線的終點(diǎn)，如圖2所示。

2.2.2 直線Y坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為A軸坐標(biāo)值的計(jì)算

圖3 直線Y軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為A軸坐標(biāo)的計(jì)算

當(dāng)圖2的直線段P1P2每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)x、y都已知時(shí)，可以用上面的公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)A，從而將Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成第四軸的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)。

2.2.3 宏程序編寫(xiě)

通過(guò)以上的分析，設(shè)置程序編程原點(diǎn)在圓柱毛坯左端面最高點(diǎn)處，以P1點(diǎn)為直線起點(diǎn)，P2為直線的終點(diǎn)，編寫(xiě)出空間螺旋槽四軸數(shù)控加工的宏程序如下[8-9]：

N10 G54G40G49G80G90 /程序初始化

N20 G00 Z30.0 /刀具下刀到安全高度

N30 X0Y0A0 /下刀點(diǎn)定位

N40 M03S1000 /設(shè)定主軸順時(shí)針轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速1000r/min

N50 Z5.0 /刀具靠近工件上表面，開(kāi)始切削加工

N60 #11=50.0 /定義變量，螺旋槽半徑

N62 #1=0 /定義變量，直線段P1P2起點(diǎn)P1X坐標(biāo)

N64 #2=0 /定義變量，直線段P1P2起點(diǎn)P1Y坐標(biāo)

N66 #3=628 /定義變量，直線段P1P2終點(diǎn)P2X坐標(biāo)

N68 #4=-200.0 /定義變量，直線段P1P2終點(diǎn)P2Y坐標(biāo)

N70 #5=0.1 /定義變量，加工步距

N72 #6=#1-#3 /定義變量，直線段P1P2起點(diǎn)終點(diǎn)X坐標(biāo)差值

N74 #7=#2-#4 /定義變量，直線段P1P2起點(diǎn)終點(diǎn)Y坐標(biāo)差值

N80 #8=ABS[#6/#7] /定義變量，X向步距與Y向步距的比例

N90 #2=#2*180.0/#11/3.14 定義變量，直線段P1P2Y坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成第四軸回轉(zhuǎn)坐標(biāo)A

N100 G01 X#1Y0A#2F200 /切削加工

N110 Z-3 /Z軸下刀到預(yù)定深度

N120 #1=#1+#5 /新插補(bǔ)點(diǎn)X坐標(biāo)

N130 #2=#2-#8*#5 /新插補(bǔ)點(diǎn)Y坐標(biāo)

N140 IF[ABS[#1-#3]GT[#5/2.0]] GOTO90 /切削終點(diǎn)判斷

N150 G00 Z50.0 /切削完成后，Z軸抬刀

N160 X0Y0 /XY軸回原點(diǎn)

N170 M05M30 /主軸停止，程序結(jié)束

程序說(shuō)明：

①直線段P1P2在X向和Y向的步距是不相同的，因此，設(shè)置了變量#8，其作用是控制X向和Y向的步距比例，在經(jīng)過(guò)相同的循環(huán)次數(shù)后，X、Y向走的距離是不同的，這樣才能同時(shí)到達(dá)直線段的終點(diǎn)。

②當(dāng)變量X(Y)與切削終點(diǎn)X(Y)坐標(biāo)差值小于或等于1/2個(gè)步距時(shí)，程序循環(huán)結(jié)束，因此，加工誤差最大值不超過(guò)1/2個(gè)步距。

③改變直線段P1P2起始點(diǎn)#1、#2和終點(diǎn)#3、#4的坐標(biāo)值，改變變量#11的值，可以加工任意的直線段在不同半徑的圓柱曲面上得到投影空間曲線。當(dāng)變量#6或#7等于0時(shí)，此時(shí)直線段平行X軸或Y軸時(shí)，直線段在圓柱曲面上的投影曲線為直線或圓，這是一種特殊情況。

④當(dāng)螺旋槽深度較深，Z軸需要分層切削時(shí)，修改上述程序，增加Z軸循環(huán)指令即可。

⑤以上宏程序是加工一條螺旋槽的數(shù)控程序，要加工另外3條螺旋槽，程序不變，只需要在程序執(zhí)行前將毛坯旋轉(zhuǎn)90°，分次執(zhí)行該宏程序就可以滿足加工要求。

2．3 VERICUT仿真加工

圖4 VERICUT下創(chuàng)建的機(jī)床組件樹(shù)及模型

VERICUT軟件是由美國(guó)CGTECH公司開(kāi)發(fā)的專用模擬數(shù)控機(jī)床加工仿真軟件，它能夠真實(shí)地模擬在加工過(guò)程中刀具的切削，加工零件、夾具、工作臺(tái)及機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)情況。參照我校數(shù)控實(shí)訓(xùn)基地18M四軸高速加工中心機(jī)床結(jié)構(gòu)，首先在VERICUT下構(gòu)建四軸機(jī)床模型(XR1000-1.mch)。除了構(gòu)建機(jī)床的底座、工作臺(tái)、主軸、XY軸外，重點(diǎn)進(jìn)行A軸的模型設(shè)計(jì)，A軸作為一個(gè)回轉(zhuǎn)部件，與夾具一起固定在工作臺(tái)上。如圖4所示是VERICUT下創(chuàng)建的機(jī)床組件樹(shù)及毛坯、夾具等模型。

圖5 VERICUT仿真加工效果圖

根據(jù)機(jī)床配置，選擇好機(jī)床控制文件(fan 180im.ctl)，添加毛坯3D模型(Φ100長(zhǎng)200的圓柱體)，輸入刀具裝配件編號(hào)，導(dǎo)入宏程序文件后，點(diǎn)擊仿真開(kāi)始按鈕，VERICUT軟件進(jìn)行宏程序數(shù)控加工仿真，可以賦值不同變量，仿真加工出多個(gè)不同尺寸的螺旋槽零件，結(jié)果如圖5所示。

3 結(jié)論

四軸可以實(shí)現(xiàn)比三軸更復(fù)雜的零件加工，有效地?cái)U(kuò)大機(jī)床的工藝范圍?？臻g螺旋槽的四軸數(shù)控加工宏程序編程的關(guān)健之一是建立螺旋線的數(shù)學(xué)方程，將空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題，其次是考慮第四軸加工坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，如何將直線Y坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)坐標(biāo)值。通過(guò)賦值宏變量(螺旋槽半徑、直線長(zhǎng)度等)，可以實(shí)現(xiàn)不同尺寸的圓柱面上加工多個(gè)不同尺寸的溝槽。根據(jù)直線坐標(biāo)與回轉(zhuǎn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換原理，將文中直線段的四軸數(shù)控加工宏程序進(jìn)行適當(dāng)修改，可以實(shí)現(xiàn)圓、橢圓、雙曲線等常見(jiàn)曲線在圓柱曲面上的投影加工。宏程序編程具有結(jié)構(gòu)緊湊，語(yǔ)句簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)，克服了手工編程不能加工復(fù)雜零件、自動(dòng)編程程序臃腫、通用性差的弊端。

[1] 秦錄芳，孫濤.用戶宏程序和CAD/CAM在數(shù)控編程加工中的性能對(duì)比[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2008(2):61-62.

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[8] 杜軍. 輕松掌握FANUC宏程序[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011．

Four-axis NC machining of the spatial spiral groove with macro program and VERICUT

SHI Congji

Machining of the spatial spiral groove is usually completed with CAD/CAM automatic programming, which is complex and cumbersome. In this paper, we analyzed the process of converting Y coordinate values into rotary coordinate values when doing the fourth axis coordinate transformation. On this basis, we wrote the macro program for the four-axis NC machining of the spatial spiral groove. With machining errors controlled through step pitch variables, and VERICUT simulation and actual machining carried out, the results of the program were proved correct. Through assignment of the macro variables(spiral groove radius, line length, etc.), the machining of grooves of different sizes on columns of different sizes could be achieved.

macro program, VERICUT, four-axis machining, spiral groove

TH166

A

1002-6886(2016)05-0025-03

石從繼(1979-)，男，碩士，副教授，研究方向?yàn)镃AD/CAM，數(shù)控加工與編程，已發(fā)表論文12篇。

2016-03-18