在线测量切削参数的数控车削测量过程的自动编程技术

初级磨工

图1 系统主控对话框

图2 测量工艺参数设置框
+ n$ a6 B0 `8 c0 v# }' ?6 r9 m; m4 Y1概述
以数控机床为核心设备的各种现代化制造系统在机床 行业和非机床行业中已得到普遍应用。被加工零件的图纸，给出了数控加工的几何数据和工 艺数据，是NC机床工作的原始依据。使用 数控机床加工零件时，必须事先编制好零件加工程序单，零件加工程序单中规定了零件加工 工艺路线、走刀轨迹、位移量、切削参数(主轴转数、进给量、切深 )以及辅助机能(换刀、变速、冷却液开停等 )。数控机床按编制好的程序自 动地工作，加工出合格的零件。数控编程的主要内容包括：分析零件图纸，确定加工工艺过 程；计算走刀轨迹，得到刀位数据；编写零件加工程序，校对程序及首件试切。根据有关统 计，一个零件的编程时间与机床加工时间之比，平均约为30:1。使用计算机来实现加工程序 的自动编制称作自动编程，本文介绍基于Microstation图形平台的在线 测量切削参数的数控车削测量过程的自动编程。Microstatioin为美国 Intergraph公司将其工作站上 的交互式图形设计系统(IGDS)完整地移植到微机上的 CAD图形系统，该图形系统的用 户界面非常友好(和WINDOWS 95应用程序类似 )，该图形平台具有良好的开放 性，并提供了功能强大的32位编程的Microstation开发语言—— MDL语言(类似标准C语言)。
7 F) O4 e% a4 f9 v对于毛坯制造精度低的工件的数控加工，若按传统的编程方式，就必须按照最大毛坯尺 寸编程。由于按最大尺寸编程，一则加工效率较低，再则会在某种情况下造成空切，而在另 外一种情况可能会造成过切。过切的后果，轻则影响刀具耐用度，重则造成崩刀甚至损坏刀 杆。所以，毛坯制造误差大的工件的数控加工必须根据每个工件的具体情况，来确定该工件 的切削参数(如切削余量、走刀次数等 )。本编程系统借助 SINUMERIK-810T数控系统的刀 具监控功能，在轮廓加工前用测量过程来获得零件上的一些关键点的余量分布情况，进而为 加工程序提供当前工件的切削参数。
' S; |1 ^& a5 [7 N+ I7 ?2切削参数测量过程CAPP
7 o( V& W+ Z. J7 r8 }) @9 P2 Z具有测量功能的车削测量图形自动编程系统的架构
车削测量图形自动编程系统由两大模块组成：测量规划模块和测量程序后置模块。其中 测量规划模块以交互式CAPP的方式完成测量过程的规 划，系统提供了功能强大的修改功能，用户可以对已规划的测量点进行删除、改变测量次序 和修改测量过程工艺参数等操作；测量程序后置模块则以测量规划数据为输入，经后置处理 自动生成测量过程的NC程序。
( g: C* p7 V$ ?: m$ J' |& s7 N' I5 w测量规划CAPP以CAD方式建立起来的零件图为输 入，用户以人机交互方式规划每个测量点，同时在左/右刀架测量对话框中输入测量 过程工艺参数，生成测量过程刀位及工艺数据文件。测量程序后置以测量规划CAPP过程产生的刀位及工艺数 据文件为输入，经过后置处理生成测量规划过程的NC程序。图1是测量主控对话框，图 2为左刀架测量参数设置对话框 。
本系统以配备SINUMERIK-810T数控系统的双刀架数控车床的测量过程的 数控编程作为研究对象，系统同时涵盖了单刀架数控车床的测量过程的数控编程。系统以双 向链表为基本数据结构，链表中的一个节点对应着一个测量点的刀具刀位数据和相应的工艺 数据，双向链的使用节省了数据存储空间，并且提高了系统的修改功能的执行效率。为了方 便用户的测量过程规划，系统提供了规划刀具切入和切出工件段运动轨迹的刀具动态显示， 使规划过程更加直观，现场感更强。图3为系统的结构图。

图3 车削测量图形自动编程系统架构
本系统以配备SINUMERIK-810T数控系统的双刀架数控车床的测量过程的 数控编程作为研究对象，系统同时涵盖了单刀架数控车床的测量过程的数控编程。系统以双 向链表为基本数据结构，链表中的一个节点对应着一个测量点的刀具刀位数据和相应的工艺 数据，双向链的使用节省了数据存储空间，并且提高了系统的修改功能的执行效率。为了方 便用户的测量过程规划，系统提供了规划刀具切入和切出工件段运动轨迹的刀具动态显示， 使规划过程更加直观，现场感更强。图3为系统的结构图。
切削参数在线测量的原理
如前所述，在使用SINUMERIK- 810T数控系统的数控车床中，利用数控系统提供的刀具监控功能，即通过适当调整某个 刀具监控号(如下述的H8230)对应的切削力增益值， 使刀具和工件接触并开始切削时，切削力就已达到设定的切削力极限值，由此系统将自动停 止当前程序段的执行，并将此时的X、Z坐标存放在系统R参数R94和R95中。
在某些大型结构件(如火车车轮)的数控切削实践中，要保证刀具耐用度，一般所使用的车刀的刀具半径较大 (R10～R20)。为了保证加工余量测量 的正确性，刀具必须沿切削面的法向切入工件。此外，测量切入时应在无刀具半径补偿的情 况下进行，即测量切入段应使用G40。下列NC程序即为测量过程的数控代 码。
……
G0 G40 X963.75 Z93.967
2 y- A$ a$ T* c# K9 v4 r  AG1 X915.189 Z93.814 F5 H8230
3 R2 Q, [- L7 I# L; X$ L9 YR94=0 R95
& ?4 k$ Z  Q! n@714
! l& u/ T5 s! Z/ T0 ?2 k9 [G1 @720 R94 K1 X891.219 Z93.215 F1.2
@714
4 [& d- o) f6 @9 h@360 R601 K1
……
7 o5 k, c% M. m% Q% x7 fR801=R601-445.609
R535=0.999
N20 R610=R801/R535
SINUMERIK-801T数控系统中，指令“@720 R94 K1 ”的作用为将切削力超过设定值时的刀具中心坐标X(直径方向的坐标 )和Z分别送入R94和R95中保存；而指令 “@360 R601 K1”则是将存在 R94中的直径方向坐标值转换成 半径方向的坐标值，并将之存入参数R601中。由此可知，系统 R参数R601中存放的就是当刀尖和工 件接触时刀具中心X向半径坐标值。
& L! F2 H3 y) Q4 X4 G. m由图4可知 ，B(x,y)点为规划的测量点，刀具半径为R，而测量切入时总是沿 工件表面的法向切入，所以我们可以计算出图中所示的切削余量的单位法矢(亦即图4中的测量切入段方向矢量 )。

O——刀具中心 A——刀尖接触点 B——测量规划点 q——切入方向矢量 ——测量切入段方向矢量
, f! T7 {5 u# D, O: c5 F图4 切削余量计算示意图
=(cosq， sinq)
由图4的几 何关系则可计算出总切削余量t0的粗 加工余量t粗。
总切削余量t0=BO-R
- O1 T& B% ~; M9 ]9 G# fBO=(R601-x)/cosq，
5 X: W6 r5 Q) q/ e所以t0=(R601-x)/cosq- R
6 n  @" d8 ^6 O2 J/ H$ v若已知精加工余量为t精，由总余 量则可计算出粗加工余量。
$ ?2 R+ D$ W. I- h7 Et粗=t0- t精= (R601- x)/cosq- R-t精
根据计算出的粗加工余量和编程者参照切削工艺规范所设定的每刀最大切削量 Amax，就能够算出走刀次数和 每刀切削量。
4 I( d( z# X% j4 M. S# s$ n1 @测量过程的CAPP
1 i' U! t: V3 e, v测量过程CAPP由两个步骤组成：测量切入段规划和测量切出段规划。进行测量过程CAPP时，在左/右刀架测量参数设置对话框中 输入测量工艺参数。为了保证加工余量测量的正确性，在测量切入时，必须保证刀具沿零件 表面的法线方向切入工件。为方便用户确定测量点的位置，系统提供了两种方法，这两种方 法分别为：法向到工件，法向从工件。其含义如下：
9 k( h# Y8 [, z* C0 D4 S2 `法向到工件 用户首先用数据钮选择测量点所在的图素，而测量点就是鼠标当前点到切 削段的法向投影点(如图5a所示)。
法向从工件 用户首先用数据钮确定测量点，系统过该点作测量点所在图素的法线，而 切入段直线的另一个端点就是鼠标当前点到该法线的法向投影点(如图5b所示)。

9 y2 L8 S0 j$ o! n0 O4 P* M% p0 cA——测量点所在图素的鼠标选择点 B——鼠标当前点 C——切入段的终点
' `$ c) k. c4 k" e+ g; {6 H1 _图5 刀具切入工件的两种方式
/ C8 B9 R& h7 h测量点确定后，根据需要可以在系统动态 (所选刀具和橡皮筋的动态显示 )的帮助下来确定其它的切入段 。另外，为了方便用户的操作，在规划切入点时，系统对每个步骤都给出了详尽的提示。切 入段规划完成后，接着规划测量过程的切出段，为了保证测量过程的正确性，系统规定切出 第一段和切入最后一段相同，系统同时亦提供了相应的切出动态，帮助用户进行切出段规划 。所有测量点均规划完成后，用系统的存盘工具将规划的测量数据存入测量刀位工艺数据文 件中。
$ T% ?+ W" o) l3测量后置处理
7 r) R) H# W1 K5 i% m# T完成测量过程CAPP后，调用系统的后置处理模块来生成车削测量过程的 NC程序。众所周知，用半径 R不为0的刀具进行切削时，一般应在使用刀具半径补偿 (左刀补G41和右刀补G42)的方式下进行切削。但由 于测量时，刀具沿切削面的法向切入工件，所以刀具一定要在撤刀补G40下切入工件。
图6所示的 是刀具测量切入时的刀具运动轨迹，其过程为：刀具从A点快速运动G00到B点，再以G01到C点，最后以一个更慢的进给速 度G01到O1点。 而实际上，由于刀具监控作用对切削力的正确设定(如前述NC程序中的H指令H8230)，所以当刀尖刚和工件 接触时(如图6中刀具中心处在 O点时)，就已达到设定的切削力监控 值而停止切削。后置程序需要解决的是O1 (x1， z1)点 的计算。O1的算 法如下所示。
; `* a& a2 s& ]6 U# V6 D) W
图6 测量时的刀具运动轨迹
3 p% c! u, v8 I, f) W注：图6中仅画出了刀片圆，实心圆为刀具开始接触工件时的状态；虚线圆的圆心O1为测量NC程序中，测量切入段的目标点坐标。精切余量A精为 DE段的长度，测量规划点E的坐标为(x,z)。
计算出O1点坐标后，也就得到了测量切入段目标点的坐标，即：

" ~; Z+ Y, [! D4 V& b“G1 @720 R94 K1 X891.219 Z93.215 F1.2”中的X和Z坐标值，由 “@360 R601 K1”得到图 6中O点的X坐标(存在R601中)，又由“R801=R601-455.609”计算出总余量在 X方向的投影，再由 “R535=0．999”将切削面的单位法矢的方 向余弦cosq存入R801，最后由“N20 R610=R801/R535”得到总切削余量 (存在R610中)。
4结束语
利用数控系统的刀具监控功能来实现切削余量自动测 量的数控加工的自动编程，为解决毛坯制造精度低的大型铸、锻件的数控加工找出了一条高 效途径。该自动编程系统现已成功地用于马钢车轮轮箍厂，实现了不同国家不同型号的火车 车轮的车削数控编程。该编程系统的使用不仅大大提高了编程精度，而且数倍地提高编程效 率，用本系统生成的NC程序加工出的车轮经检验完 全符合图纸要求。该系统对大型铸、锻件的自动数控编程具有很大的推广价值。
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