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回转类零件车削数控自动编程

编写数控加工程序主要有手工编程和计算机辅助编程(又称自动编程)两种方式,手工编程时,编程人员不仅必须具备零件的设计和制造知识,还必须具备熟练的编程技巧。对于结构复杂的零件,手工编程计算量大且易出错,很难满足生产的需要。自动编程具有手工编程所无法比拟的优势,它是 CAD/CAPP/CAM集成系统的主要组成部分,是连接产品设计和制造的关键环节,广泛地应用于生产加工中。本文主要讨论回转类零件车削加工的自动编程。

1 走刀路线的选择

在自动编程系统中,确定刀具轨迹是关键的一步,而走刀路线不仅直接决定刀具加工轨迹,还影响加工质量和切削效率。确定走刀路线的一般原则是:
  1. 保证加工精度和表面粗糙度;
  2. 方便数值计算,减少编程工作量;<
  3. 缩短走刀路线,减少走刀空行程;回转类零件车削加工时,常用走刀路线如图1-图5所示。

图1

图2

图3

图4

图5
在图1中,刀具沿平行于轴线的方向运动,遇到工件轮廓后即按轮廓加工。其刀具轨迹计算方法简单,精加工余量均匀。
在图2中,刀具在整个切削过程中按轮廓形状走刀,其刀具轨迹计算较复杂。
在图3中,刀具沿平行于轴线的方向运动,遇到工件轮廓后即返回,然后进行下一次走刀循环。其刀具轨迹计算方法简单,但精加工余量不均匀。
图4和图5用于加工凹形体和槽、端面的加工。图4中刀具沿轴向作切削运动,适用于槽较长的情况。图5中刀具先径向切削再轴向走刀,适用于槽较短的情况。

2 刀具轨迹的生成

可以认为,零件表面轮廓是由直线和圆弧组成,对于由其它曲线组成的表面轮廓段,根据加工精度的要求,可以采用插值算法将其离算为直线或圆弧。描述直线、圆弧的方法很多,本文中,直线用起点坐标和终点坐标描述,而圆弧则采用起点坐标、终点坐标、圆心坐标加以描述。为了区分直线和圆弧还必须增设一个标志位,标志位取值为零表示直线,否则表示圆弧。零件轮廓有内轮廓和外轮廓之分,而内轮廓和外轮廓的加工显然不同,所以内轮廓和外轮廓必须分别处理(内轮廓的加工本文不加讨论)。另外,圆角、倒角等零件的辅助结构往往安排在最后加工,因此辅助结构必须单独加以描述。这样对于零件的每一外轮廓段,除了描述其主要几何特征外,还应描述辅助结构、辅助结构和主要几何特征之间的从属关系、外轮廓段和外轮廓段之间的邻接关系。零件外轮廓段的数据结构如下右所示。
需要指出,零件辅助结构的描述与零件外轮廓段有所不同,例如在描述倒角时,我们并不使用起点和终点坐标,而是使用轴向尺寸和倒角角度。另外在描述时还必须指出辅助结构的位置(外轮廓段的左端、右端)。
在确定了零件每一外轮廓段的数据结构后,就不难建立整个零件外轮廓段的描述链,如图6所示。

图6
在建立了上图整个零件外轮廓的描述链后,下面就讨论对应于具体的走刀方式刀具的轨迹计算。
  1. 图1的走刀路线
    由每一次走刀的开始切削点作平行于轴线的直线,通过头指针访问外轮廓描述链的结点,先判断该结点对应的外轮廓段与直线是否相交。如果相交,求出交点,由直线的起点至相交点、相交点到终点对应的外轮廓段所确定的轨迹即为刀具轨迹。如果不相交,读入下一结点,重复上述步骤直至链表尾。在得到最终的刀具轨迹前必须加上退刀轨迹、进刀轨迹。
  2. 图2的走刀路线
    在求图2所示走刀方式的刀具轨迹时,有的数控系统只是简单地将待加工轮廓沿加工方向整体偏移,但这种方法有时会产生表面干涉,只适用于某些简单情况。胡德计和吴会林的《数控车削中等轮廓切削加工轨迹的生成与优化[J].计算机辅助设计与制造》提出了一种算法,其实现步骤如下:
    • 建立待加工零件的外轮廓描述链。
    • 逐段偏移求交,进行拓扑检查以消除偏移轮廓的自交。
    • 采用平行合并和等距线裁剪优化方法得最终的加工轨迹。
    其详细实现过程见原著。
  3. 图3 的走刀路线由每一次走刀的开始切削点作平行于轴线的直线,访问外轮廓描述链的结点,判断该结点对应的外轮廓段与直线是否相交。如果相交,求出交点,由直线的起点至相交点所确定的轨迹即为刀具轨迹。如果不相交,读入下一结点,重复上述步骤直至链表尾。在得到最终的刀具轨迹前必须加上退刀轨迹、进刀轨迹。
  4. 图4和图5的走刀路线图4和图5所示走刀路线刀具轨迹的求取方法同前述类似,参照前述方法是不难求得的,在此不再赘述。

3 数控加工程序的生成

数控系统不同,数控加工程序的格式也不同,因此在生成数控加工程序前必须了解数控系统编程指令格式。
>在数控编程中,工艺处理和刀具轨迹的计算部分被称为前置处理,而数控加工程序的生成部分则被称作后置处理。前置处理的数据可以作为数控加工的依据,但不能直接用于数据加工,只有在经过后置处理变成机床能识别的指令后,才能控制数控机床加工。
> 在完成了工艺规划后,可通过前述方法求出刀具轨迹,并以文件的形式存储刀具轨迹的切削参数信息,文件由一系列具有如下结构的字段组成:刀具起点坐标、刀具终点坐标、主轴转速、刀具进给速度、刀具号、冷却液号。如果走刀轨迹为圆弧,还必须存储圆心坐标。该文件通过后置处理便可生成数控加工程序。生成数控加工程序的过程如下:首先,输出快速定位指令将刀具定位到起刀点,然后读入文件,对刀具的每段轨迹分别进行不同的加工指令处理,在切削加工结束时,还要完成刀具返回原点、关闭冷却液、机床停机等辅助工作,至此程序结束。
生成的数控加工程序是否正确,可通过加工仿真检验。通过仿真,用户不但可以获得加工过程的直观和形象的感觉,而且还能进行干涉检查,用户一旦发现有误可立即修改,从而达到经济地指导生产的效果。


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