不均匀毛坯数控车削工步规划与数据存储

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引言
) k0 F4 o8 }& C; T7 t工艺规划是数控车削编程中的重要环节。合理的规划可以有效提高生产效率，提高零件表面质量。目前，常规零件的数控车削工艺规划方法已经研究得较多日较成熟，并且开发了相应的CAM软件系统，为数控自动编程提供了有力的工具。
0 l" Q: f/ u  h4 i: G5 e但是，在车削编程中存在一类零件，其特点是断面轮廓复杂，日毛坯尺寸大小不一。这是由于我国的机械加工设备相对落后，轧制的毛坯精度较低造成的。此时，通常按照最大毛坯尺寸编程，其结果是出现空切，加工效率降低。数控车削工艺规划的目标是追求单件工时-最短(高生产率)或加工成木最低，边界约束条件是无几何干涉和工艺干涉。
因此，在具有切削力检测功能的数控系统中，对于毛坯制造误差大的工件的数控加工，可以采用切削力传感器在线测量毛坯的加工余量，根据加工余量来确定何个车轮不同部位的切削工艺参数(切削厚度、走刀次数等)，这样可以针对不同的毛坯加工时采用不同的走刀方法，从而节约加工时间。本文拟以火车车轮的数控车削为例，述大散差回转体零件车削加工时加工余量在线测量的原理、测量方法以及刀具轨迹生成方法，并讨论进给量和切削速度的确定方法。
1毛坯加工余量在线测量
图1为某规格火车轮的半剖图，由于毛坯是采用热轧方法制作，毛坯尺寸大小不均，故加工余量不均匀，可采用毛坯加工余量在线测量的方法确定走刀次数和何刀的切削深度。
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1.1 测量原理
加工余量在线测量需要利用数控系统的切削力检测功能。力检测系统安装在刀架上，其核心是测力传感器，可把力信号转换为电压信号，并通过串口通信协议传输到CNC中。在该传感器中可以预设一门槛值(通常设置为车轮材料铬锰钢的屈服极限值σs)。当刀具和工件接触并开始切削时，切削力突然增加，当切削力达到设定的门槛值时，数控系统将自动结束当前测量程序段的切削，并记下刀具当前位置的X和Z坐标值，经过计算得到某一部位的余量，存入数控系统。从表象上看，刀具一接触到工件即退刀，即在一个测量点测量时仅切一刀。
1.2 测量的方法
  M0 k5 b0 u: u由加工余量测量原理可知，测量时刀具沿工件加工ICI的法向切入。图2是加工余量在线测量不怠图。图中，A(x,y)点为规划的测量点，刀具半径为 R，测量切入时刀具沿工件表ICI的法向切入，可以不算出图中所T的切削余量的单位法矢量n,其方向与图中测量切入段矢量EA方向相反。设θ为进刀方向与水平线的夹角，则n= (cos, sinθ ) 。
2 N/ g& t! G! J- F- m
! s% _$ D1 [' h设刀尖和工件接触时刀具中心X向半径坐标为R601，则精加工轮廓上的点A与刀心O的距离AO=(R601-X)/cosθ
总切削余量ttotal = A0- R = (R601-x ) / cosθ -R，设精加工余量为t,，则由总余量可计算得粗加工余量t = ttotal – tr =(R601-x)/cosθ-R-tr。
已知加工余量为ttotal，进刀轨迹为D→E→0，退刀轨迹为O→F→G。设允许最大切深为tmax，则粗加工循环次数N为
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0 ^8 _; S% p3 q0 J式中的符号“[]”表不向上取整。实际编程时何刀的切削深度为treal,=t/N。将成品轮廓沿法向先平移t r距离，再平移N次，何次平移距离为treal，可以获得刀具运动轨迹。
1.3余量测量走刀规划
7 q% a- y  X- w% b0 Z8 c测量过程工艺规划包括测量点的确定、测量切入段规划和测量切出段规划。为了保证加工余量测量的正确性，在测量切入段时，必须保证刀具沿零件表面的法线方向切入工件。
# E+ |7 Z# \4 U5 c2 加工过程规划
. z; Y* ^  C. O' m8 {3 x  P2.1 切入段和切出段规划
加工不同工件时，刀具切入切出方式可能不同，常见的切入切出方向有法向、切向和斜向，可以根据待加工表面的起始位置、终止位置和相邻表面的几何形状确定。合理地规划切入切出方向，可以防止或减轻刀具切入、切出工件时一的冲击。
2.2 切削段规划
毛坯制造精度低(例如，加工余量大，偏心大，曲率大或余量不均匀等)的工件当数控加工时，若按常规方法加工可能会损坏刀具甚至无法加工。这种情况下，可采用几种特殊类型的加工方法。
& ~/ l3 c6 y3 g; J8 f(1)变进给量切削:当刀具进入切入段后，逐渐提高进给量。当毛坯偏心较大时一采用该方法。
5 \" t) w, h' m0 m. v(2)工步交叉切削:当前工步走完某一刀后，转而跳到下一工步进行切削，走完下一工步的一刀后，再继续完成当前工步未完成的走刀，如此反复。该方法卞要用十工件轮廓曲率较大而日加工余量不均匀处的加工。
+ _4 x- e8 s" X3 y5 R(3)多次走刀切削:多次走刀时一，刀具切入点、切出点位置可变，以防止刀具在切入点或在切出点处刀具包容量过大而发生过切现象。当某一部位加工余量特别大时一采用该方法。
* L; m; K; F, m9 R# l- N. R- I(4)恒线速度切削:例如切削辐板时一，若卞轴转速不变，则在整个刀具路径行程中，切削速度变化很大。采用恒线速度切削是理想的方案。
8 j! r5 Q( u+ f. P: e% |  s+ ?图3是采用上述工步规划原则和规划方法对K860B型车轮进行规划的结果。图中，虚线为进退刀轨迹。"1010"等数据为当前工步标识码。
0 V' Z$ L/ I) r5 x0 B$ I
  {& z; Y; Y* x" c% L3 t% ]2.3进给量的选择和切削速度的确定
进给量通常根据经验选取。粗加工时，根据加工材料、车刀刀杆尺寸、工件直径和何刀切深来选择进给量。半精加工和精加工时，按粗糙度要求，根据工件材料、刀尖圆弧半径和切削速度等选择进给量。切削速度通常也根据经验选取。粗车时常选择较低的切削速度，精车时可选择较高的切削速度。此外，还要综合考虑材料的加工性能、刀具的切削性能、工况等因素确定合理的切削速度。
( k2 ~7 ]- q6 R3 加工规划数据存储
# j; [; y  s$ C; u8 K工艺规划数据存储分为三个步骤:单个工步数据的存储、工步间的数据存储、工步数据的集成存储。
, H9 ]) A, N2 V1 w# C3.1 单个工步数据的存储
工艺规划过程是以人机图形交互方式进行的，工步是加工规划和数据存取的基木单儿，何个工步数据由刀具数据和切削工艺数据两个部分构成。刀具数据包括刀号、刀具补偿方式等;切削工艺数据包括切削参数、切入段、切削段、切出段、工步交叉等信息。何个工步的数据结构如下:

由于工步数据量大，采用结构来记录这些信息可以协调数据的内在联系。
3.2 工步间的数据存储
每个工序是由若干个工步组成，规划后的工步数据随时可能修改，这就要求这些数据的存储结构能够方便地实现工步的添加、修改、删除、左右刀架工步的对调等任务。利用双向链表存储这些数据，可以确保加工规划过程有足够的灵活性。
, q8 v. @, W/ M6 c/ X7 T9 ?在双向链表的结点中有两个指针域，其一指向直接后继，另一个指向直接前趋。数据结构定义如下:


3.3 工步数据的集成存储
扩展数据段是CAD平台提供的自定义数据格式，借助它可以很方便地在实体中按不同的需求分门别类地存取不同的数据(包括图形数据和非图形数据)。集成产品模型中的任何儿素均可追加辅助数据，作为属性数据或属性连接数据加以引用。
例如，线串、多边形和曲线在设计时表现形式是相似的，头信息后面是顶点的数目，再后面是何个顶点的坐标。这些类型在单个儿素中出现次数是有限的。多边形与线串的不同点在十多边形的第一个顶点与最后一个顶点坐标必须相同。对于曲线，顶点集合的开始与末尾处有两个“额外”的点，用十确定端点的曲率。扩展实体数据是在常规的图形数据基础上增加按一系列分类代码组合而成的数据块，已与常规数据一起构成内容更加一泛的实体数据。由十不同的应用场合要求存取不同的数据，因此扩展实体数据按应用类型分组，形式如下:
$ `; I, Q$ D: h- I+ a0 e
4 结论
本文阐述了尺寸不均匀的毛坯在车削工艺规划中加工余量的在线测量方法、工艺规划方法及规划数据的存储方法，其实质是改变毛坯单一固定切削用量的加工方法，而采用变切削次数和变切削用量的方法，实现对不同的毛坯采用不同的走刀方法，从而有效提高加工效率。使用的双链表数据结构存储各工步数据，并使用扩展数据段将双链表结构的工步数据表追加到数控加工模型中，有利十提高数控编程后处理中代码的简洁性和高效性。
文章关键词： 数控车削