铣削系统（共12篇）
铣削系统 篇1
0 引言
数控加工的几何仿真是指根据刀具运动的轨迹与刀具的外型对工件进行切削的模拟过程[1]。传统的方法是使用试切法, 即使用便宜的材料和使用实际的机床进行切削, 以检测是否存在碰撞或是干涉。这种方法费用高耗时长, 降低了生产效率。随着计算机技术的发展, 数控加工几何仿真是保证数控机床拥有高效、优质数控加工程序的重要手段之一。美国国家自然科学基金 (NSF) 和美国军方高技术局 (ARPA) 己联合资助MTAMR (machine tool agile manufacturing research ) , 重点是对金属切削加工过程进行分析、建模。国际生产工程学会 ( CIRP) 组成专门工作小组对目前及未来制造业的生产方式进行认真仔细的分析评估, 发表了“目前加工建模的状态及未来发展趋势”一文[2], 将切削加工过程仿真建模问题列为制造业最重要的研究领域。所以, 数控加工几何仿真已经成为广大科研人员密切关注的课题。
1 数控加工仿真环境的建立
1.1 机床几何模型的建立
数控加工中心的结构虽然复杂, 但它们都是由结构和功能相对独立的数量较为固定的部件 (或称为模块) 组成, 如床身、立柱、主轴、工作台、刀具、夹具、刀具库、机械手、机床外壳、控制面板等。它和实际的数控机床的构成稍有差别, 对一些与仿真无关的部件, 如液压系统、电气系统等, 在几何建模中可以不予考虑, 以简化模型。本系统采用B-rep和CSG混合的建模方法[3]建立虚拟加工环境。
本文在VC++6.0环境下采用面向对象技术结合OpenGL库建立三维图形类, 利用VC++6.0开发了OpenGL应用程序, 解决了OpenGL与窗口系统的接口问题, 实现了虚拟加工中心的几何模型的建立, 程序流程图如图1所示。
a) 建立用户视图区:利用VC的AppWizard可自动创建基于Document/View结构的应用程序框架。在生成的主框架窗口对象中, 实现对主框架窗口的设置, 包括标题栏、菜单栏以及客户视图区域的初始化。
在虚拟机床的设计中有两个视图类, 一个是虚拟操作面板, 另一个是虚拟机床视图, 需要在视图窗口中同时显示这两个视图。这样就需要在主框架窗口对象中实现对视图窗口的切分。切分窗口是通过类CSpIitterWnd来实现的。
b) 创建OpenGL绘制环境:完成了对视图窗口的初始化后, 在OpenGL绘图环境初始化使用OpenGL函数库之前, 需要以特定的过程进行初始化。
首先, 必须重新设置画图窗口的象素格式, 使其符合OpenGL对象素格式的需要。为此需声明一个PIXELFORMATDESCRI PTOR结构的变量pfd, 并适当地设置某些结构成员的值, 使其支持OpenGL及其颜色模式。在结构pfd定义完毕后, 调用ChoosePixeIFormat () 函数确定pfd结构是否存在, 如果返回值为TRUE, 则调用SetPixeIFormat () 为设备描述表DC设置象素格式。
完成了象素格式的重新设置后, 需要为OpenGL建立绘制描述表RC (rendering context) 。绘制描述表RC的作用类似于Windows设备描述表DC。只有建立了绘制描述表RC后, OpenGL才能调用绘图命令在窗口中做出图形。
c) 绘制各部件模型:用OpenGL绘制空间曲面的一般步骤是首先将要绘制的空间曲面分割为一系列小三角形面片, 求出各小三角形面片的顶点坐标及法向量, 然后调用OpenGL绘制图元命令按顺序绘制出这一系列小三角形面片, 即可绘制出所需空间曲面, 按此方法绘制出实体的各个面, 可得到所需实体几何模型。具体过程为:先用OpenGL的显示列表技术把所有的几何图形单元都用顶点来描述, 再用glNewList () /glEndList () 给各几何图形单元划定界限;然后针对每个顶点进行计算和操作, 执行时, 只需用glCallList () 调用即可绘制。
下面以绘制机械手为例演示绘制虚拟机床各部件三维模型过程:
采用上述方法就可绘制虚拟加工环境的各零部件的几何模型
d) 真实感效果处理:要生成形象逼真的虚拟加工中心, 除了建立其较为逼真三维模型外, 还需要采用真实感图形生成技术。因此, 生成高品质的真实感图形显示程序要解决下面一些问题:光照模型、几何模型的消隐处理、显示物体的纹理、要有反走样能力。
三轴数控铣削加工中心几何仿真系统如图2所示。
1.2 毛坯模型的建立
材料去除仿真就是根据工件和刀具扫描体的交集实时修改工件的几何实体。这里就有一个工件建模方法的问题。因为工件尺寸在仿真过程中是不断变化的, 所以它的建模不同于机床框架的建模方法。
分析三轴数控铣床加工有以下特点[4]:1) 只有毛坯的上表面才是加工表面;2) 平行与刀轴的一条直线对于加工的毛坯的上表面的交点有且仅有一个 (对于有通孔的零件可以补上一张假象的平面, 使得毛坯上表面连续) ;3) 毛坯上表面是通过每一点的不同高度来表达加工零件的表面形状的。
正是在这样的条件下, 将Z-MAP方法应用于三轴数控铣削仿真系统工件模型的几何表示才成为可能。
a) 传统的Z-MAP方法:Hsu和Yang[5]提出的Z-MAP方法是一种特殊的基于离散模型的表示方法。该方法的基本思想是将原始的工件模型假定为长方体, 将该长方体在xoy平面的投影得到的长方形按照一定精度离散为多个均匀分布的正方形网格, 从而可以将整个工件模型离散为多个以各个正方形为底面的小长方体集合。
在引入Z-MAP方法建立工件的几何表示后, 刀具对工件实际切削过程的几何表示就被近似表示为离散小长方体高度连续更新 (降低) 的过程, 因此该方法被形象地称为“割草法”。如图3。
b) 改进后的Z-MAP方法:作者在研究过程中采用了Z-MAP方法建立工件的几何表示, 发现该方法仍然存在着不足。基于Z-MAP方法建立的工件模型仅仅是一系列不同高度的小长方体单元的集合, 这样处理的后果是严重破坏了工件模型上表面的几何连续性, 特别是当离散精度较低时, 难以表达切削过程中工件上表面的局部曲面特征。因此作者在传统的Z-MAP方法的基础上进行了改进, 设计了改进的Z-MAP方法, 算法思想如下:
1) 在按照一定的离散精度将工件模型的底平面离散为一系列的正方形网格后, 以各网格点为起点、工件模型顶面为终点可以得到一系列的z向线段;
2) 将所有的z向线段与工件模型上表面的交点按照一定的规则以三角形的形式连接构成的三角形网格面即可被视为工件模型的近似表示 (图4) 。
2 数控加工动态仿真的实现
2.1NC代码翻译
仿真系统不能直接通过NC代码来驱动仿真加工过程, 系统首先读入已编好的NC代码, 对代码做词法和语法检查, 提取刀位特征, 生成刀位文件, 转换成驱动虚拟加工中心模型工作的数据, 这就是NC代码翻译[6]。
NC程序的编译过程如图5。
编译过程是先建立一个与数控代码程序段格式相对应的结构对象, 将此对象作为一个临时的数据缓冲区, 将程序段中的数控加工信息依次读出, 经解释变换后写入NC加工信息文件中, 作为仿真加工的指令和数据。编译解释程序支持对子程序的编译, 同时也支持程序注释行的存在, 其具体的解释过程如下:
a) 逐行读入NC程序, 滤除注释字符和注释代码段, 根据NC程序的有效字符检查规则进行字符有效性检查;
b) 将一行NC程序破解成有效字符与数字的组合, 再进行其他规则检查, 有错误则退出;
c) 执行语义分析与坐标变换, 将变换结果写入坐标NC加工信息文件中:
d) 重复执行a) , b) , c) , 直到数控代码结尾。
2.2OpenGL的动画显示技术
OpenGL的动画是通过双缓存[7] (用MFC编程时象素格式设置为PFD-DOUBLEBUFFER) 实现的。在绘图时, 双缓存提供两个颜色缓存, 在一个缓存中显示时, 在另一个缓存中绘制帧。当一帧图形绘制结束时, 两个缓存切换。为了提高动画显示速度, 须将刀具、夹具、机床等尺寸固定的模型用显示列表形式预先生成三维实体, 在需要时只需调用所需的显示列表, 即可显示相应的三维实体而不需重新计算坐标, 避免了大量的浮点运算。下面以工作台沿x正向移动为例来说明动画实现的具体过程。
a) 添加VM-TIMER消息响应函数:
b) 为控制面板的功能按钮添加消息:
其中SetTimer (1, 200, NULL) 是设置序号为1的定时器, 它每隔200ms会发送一次VM-TIMER消息, 改变一次移动变量m-xtranslate的值, 这样每隔200ms就会改变一次位移量, 画面就会产生移动, 以模拟工作台x方向正向移动。
动态仿真结果如图6, 图7。
3 结语
该系统实现了对加工中的刀具移动、切削等过程的监控和对NC代码正确性的验证。这种方法可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题, 确保了实际加工过程中的安全, 节约制造成本, 缩短生产周期, 提高产品的加工品质和效率。系统不仅可以验证NC程序, 模拟真实加工过程, 而且可以用于教学和培训工作。
参考文献
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铣削系统 篇2
化学铣削的工艺过程包括：工件表面预处理、涂保护胶、固化、刻型、腐蚀、清洗和去保护层等工序。保护胶一般用氯丁橡胶或丁基橡胶等；刻型一般用小刀沿样板轮廓切开保护层，并使之剥除，
化学铣削适合于在薄板、薄壁零件表面上加工出浅的凹面和凹槽，如飞机的整体加强壁板、蜂窝结构面板、蒙皮和机翼前缘板等。化学铣削也可用于减小锻件、铸件和挤压件局部尺寸的厚度，以及蚀刻图案等，加工深度一般小于13毫米。
加工中心铣削螺纹 篇3
关键词：加工中心 铣削螺纹 宏程序
中图分类号：TG547文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0128-01
1 螺纹铣削的原理和优点
铣削螺纹必须选择能实现三轴联动功能的数控铣床或加工中心。三轴联动铣削螺纹，实质是XY平面内加工整圆同时，Z轴每加工一个整圆下降一个螺距。
螺纹铣削的优点：
（1）加工精度、加工效率高
使用三轴联动数控机床进行铣削螺纹加工，它的加工线速度可达80～200 m/min，而且不受材料的影响。
（2）加工表面质量好
由于在螺纹铣削的过程中，主轴高速旋转，背吃刀量较小，并且螺纹铣刀刀刃锋利，铣削时所产生的切削力使铁屑可以快速飞离工件表面，故可以获得较高的表面质量。根据不同进给量，不同转速等铣削参数，也可以人为的控制表面质量的高低。
（3）加工范围广、成本低
同一把螺纹铣刀又即能加工右旋螺纹，也能加工左旋螺纹，即能加工内螺纹，也能加工外螺纹。由于仅有刀尖部分参加铣削，在刀具发生磨损后，仅仅进行更换到头刀块的方式就可以进行再次加工，节约刀具成本。
（4）尺寸精度易保证
在螺纹铣削的过程中，每一把刀都有相应的刀具半径补偿值。在进行加工时可以通过修改刀具补偿值来达到粗加工、半精加工和精加工，获得较好的螺纹尺寸精度、表面质量。
（5）机床的功率要求低
采用丝锥加工螺纹，由于切削速度较低，刀具全部参与切削螺纹，造成切削力较大，对于机床提供的扭矩要求较高。一旦切削速度较高、较低，都易造成丝锥折断。因为螺纹铣削时仅刀尖部分与工件做局部接触，切削力小，铣削螺纹所需的扭矩较小，所需要的机床功率小得多。
（6）刀具折损容易处理
使用丝锥时，由于切削力较大、排屑不畅、磨损等原因易造成丝锥折断，如果是大孔，从工件中将折断的丝锥取出还稍微容易些，如果是小孔则非常麻烦。而采用螺纹铣刀，很少发生刀具折断现象。一旦发生，由于其直径一定小于孔的直径，取出坏刀片也是相对容易。
（7）盲孔加工全尺寸螺纹
传统的丝锥加工螺纹时，由于丝锥在制造时，丝锥底部要负责螺纹的粗加工，所以丝锥的底部在攻丝时，加工出的螺纹牙型较粗。而使用螺纹铣刀进行螺纹铣削时，由于螺纹铣刀的刀片形式，刀尖点与刀杆底部相差不大，这样在进行盲孔加工时，加工出的螺纹是全尺寸。
2 螺纹铣刀的种类
螺纹铣刀分为机夹式和整体式两类
（1）机夹式螺纹铣刀又可以分为单齿机夹和多齿机夹螺纹铣刀
（1）单齿机夹螺纹铣刀：刀具结构同数控内螺纹车刀并且刀片与车刀可通用、互换。
（2）多齿机夹螺纹铣刀（螺纹梳刀）：刀刃上有多个螺纹加工齿，在加工过程中多个刀齿可同时进行螺纹铣削。
（2）整体式螺纹铣刀：刀刃上也有多个螺纹加工齿，是一种固定螺距螺纹铣刀。刀具由整体硬质合金制成，能有较高的切削速度和进给速度，加工范围很广。
3 螺纹铣削举例
加工如图1所示零件，在进行螺纹加工时采用单刃螺纹铣刀进行加工，编制一个通用的宏程序进行螺纹的加工，以提高加工的通用性和提升了螺纹加工效率。
采用螺纹铣刀进行内螺纹的铣削。计算螺纹M30×1.5底孔直径=公称直径-1.0825×螺距=30-1.0825×1.5=28.376 mm通孔，内孔程序略。内螺纹的铣削，编程原点选择在内螺纹孔上平面为Z零点，XY零点在各个内螺纹孔的中心处，利用G52坐标系偏移命令完成4个内螺纹的加工，单个加工内螺纹程序如下：
O0001；（程序名）
M06 T01 G54 G90 G40 M03 S1000 G0 X0 Y0 Z100.；（程序初始化）
Z5.；（快速定位到安全平面）
G01 Z0 F40；（刀具工进到工件表面）
#1=0；（将0赋值于局部变量#1）
N10 #2=#1-1.5；（将#1-1.5赋值于局部变量#2）
G42 G01 X-13.Y1.188 D01；（直线加刀具半径补偿）
G02 X0 Y14.188 R13.；（圆弧切入）
G02 Z[#2] I-14.188；（圆弧导入半径）
#1 = #1-1.5；（计算循环高度）
IF [#1GE-21] GOTO 10；（条件判别语句，如果#1大于-21，则跳转至N10继续执行程序）
G02 X13. Y1.188 R13.；（圆弧切出工件）
G40 G01 X0；（取消刀具半徑补偿）
G00 Z100.；（快速抬刀）
X0 Y0；（刀具回到零位）
M30；（程序结束）
螺纹铣削在机械制造中的应用愈加广泛，技术也日益成熟，这种加工方式表现出了其卓越的加工性能，不单单降低了加工成本，而且大幅度提高了加工效率，为生产制造提供了有力的保障。利用编制通用性强的宏程序进行螺纹的铣削，能使加工螺纹变得更加方便和高效，是螺纹的加工问题迎刃而解。
参考文献
[1]刘培跃，闫志波，王军芬.基于宏程序的螺纹数控铣削加工[J].工具技术，2008（12）：58-59.
铣削系统 篇4
旋风铣床中的刀具、刀盘及其连接支承件是“刀具—机架”运动链的最末端,其设计制造质量对加工精度影响最大,要将旋风铣削应用于精密加工,刀具的精确设计与制造十分重要。传统刀具设计方法计算繁杂、重复多、效率低,运用软件检测分析时前期工作量大。为使设计研究人员集中更多精力从事创造性工作,减少重复劳动,针对不同形体、原始参数、工艺信息的旋风铣削加工,建立通用的旋风铣削刀具设计与分析系统,方便、快捷地实现其优化设计与校验分析,逐步达成其设计制造的自动化、智能化,很有实际价值与意义。
1 旋风铣削刀具设计计算的几种情况
旋风铣削刀具的设计计算可分为以下几种情况:(1)加工螺纹、丝杆;(2)加工三维曲面;(3)加工球面;(4)加工孔系。
2 旋风铣削刀具的通用设计与分析系统
2.1 原始信息输入
(1)原始参数:加工丝杆时的原始参数包括螺距p、螺旋升角U、螺纹牙形及牙形角、螺纹中径d2和螺纹大径d。
(2)工艺信息:工件尺寸精度、工件表面粗糙度、工件材料及热处理状态。
(3)工件类型:螺纹、丝杆;三维曲面、球面;孔系;其它特殊要求。
(4)刀具(头)安装信息:刀片、刀杆、刀盘两者或三者一体或装配;装刀把数;刀刃旋转半径R,偏心量e。
(5)旋风铣削形式:内铣、外铣。
(6)旋风铣床型号:输入型号(或相应代码)。
输入原始信息后,则与设计、校验分析有关的参数自动进入后续关联程序。
2.2 旋风铣削刀具类型修定
系统中存有各种类型旋铣刀的设计资料,原始信息输入后,其相应设计图纸、有关参数及修改程序即可调出。设计人员也可重新选择类型。
2.3 各类参数计算与确定
所有计算在输入原始信息后由系统自动完成。首先根据加工件尺寸精度与材料确定实际切削前角、实际切削后角、主偏角、副偏角的正负及大小,其具体数值随材料强度、硬度等由相应函数逼近式算出,迭代次数依工件尺寸精度与工件表面粗糙度而定。系统根据工艺信息、刀具(头)安装信息及铣削形式自动确定切削用量后,刀杆尺寸与刀盘的中心孔直径、伸出长度、刀杆槽尺寸及相关连接部位形状和尺寸即自行确定,刀片、刀杆、刀盘三者为一体设计或分体组装由人工选择。设计者可对任意数据修改,其相应的所有计算重新自动完成。
2.4 结构图生成
旋风铣削刀具基本结构要素的描述采用将其分解为简单的几何元素段或标准形式的几何元素段,由这些元素段创成复杂形状的零件轮廓的方法,包括直线段、圆弧段、列表曲线段、函数曲线段。主视图则会自动简化为直线模型,各线段交点即为视图形状输入点。倒角、台阶等依相应比例关系确定,连接部分内孔由机床装夹尺寸确定。计算机完成各类计算后,结合原始信息,自动创成程序,生成刀具及相关连接件三视图,再通过镜像、拉伸实体、列阵特征操作等完成其三维建模。
2.5 刀具的校验分析
三维建模完成后,图形及所有相关信息自动进入校验分析子系统。在材料(如不定义,系统就会以图纸选定材料自定义)、约束、载荷被定义后,建立分析任务(如不建立,系统会自动进行原定所有任务分析),系统会对刀头、刀盘及相关连接件进行系列分析,并与系统根据全部相关信息计算确定的数据与取值范围一一比对,检验设计正确与否,找出零件的错误或薄弱环节,还会自动显示与制造及加工相关的重要数据。修改有关参数后,系统自动重复上述过程。
2.6 人机交互对话程序
设计人员进入系统后,系统将逐一打开各人机交互对话框。输入原始信息后可在预览框内找到所有相关数据及校验情况,经少量人工操作完成三维建模及有关定义、建立任务后,则自动进行系列分析。旋风铣削丝杆刀具通用设计与分析人机交互对话程序框图见图1,其中从参数4开始虚线表示省略了预览、再次修改框图。
3 设计实例
以加工梯形丝杆为例,应用该系统设计分析旋风铣削刀具。已知参数如下:螺距p=6;螺旋升角U=15o±20′;牙形角λ=4.806o;螺纹中径d2=28-0-0..350030;螺纹大径d=31-0-0..250150。刀片、刀杆、刀盘分体组装设计。
3.1 刀片、刀杆、刀盘三维建模
刀片、刀杆、刀盘的三维模型见图2。
3.2 刀具的检验分析
3.2.1 刀头的静力学分析
刀头的应力应变云图见图3。
3.2.2 刀盘的静力学分析
刀盘的应力应变云图见图4。
3.2.3 刀头的模态分析
刀头的模态分析部分结果见图5。
3.2.4 刀盘的模态分析
刀盘的模态分析部分结果见图6。
3.2.5 检验与分析结论输出
(1)最大单位面积应力位置:(-1.278,0,4.000)。
(2)刀具最大单位面积应力:emax1=15.98MPa<38MPa(Y)。
(3)刀盘最大应力:emax2=3.37MPa<19.994 8MPa(Y)。
(4)刀具最大合位移:Dmax1=5.006 8×10-3<0.03(0.02)(Y)。
(5)刀盘最大合位移:Dmax2=7.125 6×10-4<0.03(0.02)(Y)。
(6)刀具的第1阶~第6阶固有频率f1~f6:
f1=3 744.51Hz,加工精度降低?(Y)欠铣?(N)。
f2=3 747.50Hz,加工精度降低?(Y)欠铣?(N);
f3=4 927.97Hz,加工精度降低?(Y)欠铣?(N);
f4=4 936.93Hz,加工精度降低?(Y)欠铣?(N);
f5=5 796.95Hz,加工精度降低?(Y)欠铣?(N);
5=5 855.51,加工精度降低?()欠铣?()。(7)修改?(Y)。
4 结论
针对不同形体、原始参数、工艺信息的旋风铣削加工,建立了通用的旋风铣削刀具设计与分析系统。经实例应用,证明可以较传统设计方法方便、快捷地实现其优化设计与校验分析,但尚存在一些不足,如平面图到三维建模等处有一定人为工作量,要达成其设计制造的高度自动化、智能化,还须进一步深入研究
参考文献
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车削铣削实训报告 篇5
经过三周的实训，我们初步认识和学习了车削与铣削的基本加工原理和基本操作，认识到在现代机械制造技术中，零件的加工运用的最普遍的方式就是车削与铣削等等。因为在它在机械加工技术中占有十分的重要地位，我们为了懂的最基本的机械加工方法，我们展开了为期三周的实训。
这三个星期里我们通过加工一个攻丝用的扳手来学习车削与铣削，这个工件虽然比较简单，但它包含了许多我们要学习的内容。
就第一个星期的车削而言，车削就是利用工件的旋转和刀具的进给来对工件的切削，一般用来加工各种带有旋转表面的零件，它可以车外圆，车端面，车槽，钻中心孔，滚花等。而铣削则刚好相反，是通过刀具的旋转来切削的。它一般用于加工平面，沟槽，键槽，铣孔等。这几个动作看似比较简单，但要做到工件漂亮精度高的话，还有许多我们要学习和关注的。
在切削的过程中经常看到有些同学做的很光滑，有的不光滑，自己感觉有些纳闷，不过经过一段时间的认识了解，其实你光不光滑跟几个因素有关，其中转速，进给速度，切削量，以及刀具都有很大关系，一般如果转速相应的快一点进给速度慢一点，切削量小一点的话切削出来的会不较光滑，同样硬度高的刀具车出来的也会光滑些。
要使做出来的工件是一个漂亮的合格产品其中一定离不
开一套正确的加工工艺，在车第一个工件时，老师之所以说要车78mm长，原来就是要遵循加工工艺，以致不会出现接口。在车削过程中老师也多次强调要完成以后才拆卸工件，不然就会出现每一次装夹带来的不同心，从而使工件精度不高。所以说在机械加工过程中都要遵循正确的加工工艺。
数控铣削加工中常见误差分析 篇6
一、刀补设置不当
如图1，在实际加工时必须通过刀具补偿指令，使数控机床根据实际使用的刀具尺寸，自动调整各坐标轴的移动量，以确保实际加工轮廓与编程轨迹完全一致。如果刀补设置不合理，必然导致加工误差的产生。另外，刀具半径补偿的建立和取消的路径选择对加工效果也有着至关重要的影响，如果路径不合理，就可能会出现图2所示的过切现象。因此，刀具半径补偿的起始位置与终点位置最好与补偿方向在同侧，以有效避免过切现象的发生。
刀具半径补偿通常有B型刀补和C型刀补两种，B型刀补在工件轮廓的拐角处采用圆弧过渡，如图3(a)中的圆弧DE。这样在外拐角处，刀具切削刃始终与工件尖角接触，刀尖始终处于切削状态。采用这种刀补方式会使工件上的尖角变钝，甚至在工件的内拐角处还会引起过切现象，同时也会加剧刀具的磨损。
C型刀补采用较为复杂的刀偏计算，系统能自动计算出拐角处的交点。如图3(b)中的B点，使刀具在工件轮廓的拐角处采用直线过渡方式，从而彻底解决了B型刀补的不足。SIEMENS系统采用G450和G451指令来指定拐角特性，G450指定C型刀补，G451指定B型刀补。以及曲面精加工时，由于铣削方法、工艺条件限制或铣削刀具等的问题，出现按零件图样尺寸计算与编程的加工结果达不到设计要求的问题。目前大多数数控系统还不具备非圆曲线的插补功能，因此加工这些非圆曲线时，通常采用直线段或圆弧线段拟合的方法。
等间距法是常用的非圆曲线拟合方法，它是在一个坐标轴方向，将拟合轮廓的总增量等分后，对其所设定节点进行坐标值计算的方法。
数控铣床精加工三坐标曲面零件时，常采用球头铣刀进行加工。一般只要使球头铣刀的中心位于所加工曲面的等距面上，不论刀具路线如何安排，均能铣出所要求的几何形状，且球头铣刀的有效刀刃角的范围可达180度。
由于拟合误差的客观存在，任何精加工后的零件都不可能是绝对精确的。例如图5(a)所示的椭球体精加工，采用球头铣刀沿刀位点实际轮廓线以行切法进行两轴半联动逐层加工，总是存在图中阴影部分所示的未加工区域，加工效果如图5(b)所示。在实际加工中，通过减小拟合线段的长度、增加拟合节点的数量可以减小误差，但同时也增加了编程的工作量和加工时间。
三、工艺系统误差
1、工件的装夹误差
工件在夹具中定位后，必须采用一定的机构将其压紧夹牢在定位元件上，保证在切削过程中不会由于切削力、重力或伴生力等外力作用而发生位置变化或振动，从而保证定位精度。图6所示的工件由于装夹不当，使工件偏离了正确定位位置。在实际装夹中，为避免出现类似图7那样的误差，着力点必须位于定位元件所形成的限位支承面内，并尽可能地靠近工件刚度较大处或加工部位。
2．工件的热变形
由于切削热的作用，工件在加工过程中的受热膨胀影响了其尺寸精度和形状精度。此外，刀具的切削性能也会受到一定程度的削弱，加剧工件的变形。为了减小热变形对加工精度的影响，常常采用切削液冷却切削区的方法，也可选择合适的刀具或改变切削参数来减少传入工件的热量。
3．工件内应力的影响
铣削系统 篇7
随着航空航天、现代医学等科技的发展和人们生活水平的提高, 对微小装置及零件的需求也日益迫切。目前用于微小型化的制造主要是微机电系统 (micro electro mechanical system, MEMS) 技术, 它是由半导体制造工艺发展而来的工艺方法, 但是存在加工材料单一、仅能制作平面微机械零件等局限。微细切削加工技术则很好地弥补了MEMS技术的不足, 它具有高效率、高柔性、能加工多种材料和任意复杂三维形状等的特点[1]。微细切削加工的主要方法有微细铣削、微细车削、微细磨削和微细钻削等, 均为微量切削。微细切削的机理与一般普通切削有很大区别, 它具有自身独特的理论基础, 微细切削时吃刀量处于晶粒级的大小, 因此微构件的物理量和机械量等在微观状态下呈现出异于传统机械的特有规律, 即微细切削加工的尺寸效应[2]。对微细切削加工进行过程监控, 研究切削过程中的物理特性如切削力、颤振等对改善微细切削加工工艺、提高微细切削机床的性能尤为重要[3]。
本文以南京航空航天大学正在研制的微细铣削机床为实验条件, 开发了用于微细铣削加工的测试系统, 提出了一种基于MATLAB软件的设计思路, 优越于传统的测试系统 (各种专业采集仪器价格昂贵、操作复杂且应用范围较窄) 。
MATLAB是Matrix Laboratory的缩写, 由美国Mathworks公司推出的用于数学计算、信号处理与分析等领域的科学软件[4]。应用MALAB软件主要完成了以下功能:1) 对NI USB-9233的数据采集控制;2) 信号时域、频域分析和滤波器的设计;3) 信号的显示、统计、滤波处理和记录等;4) 应用GUIDE开发友好的图形用户界面。
1 系统概述
完整的信号采集与分析系统主要有三部分组成:传感器、数据采集设备和计算机 (图1) 。传感器的敏感元件接受外界 (被检测物理量) 的激励, 通过转换元件将非电量转化为电参量, 电压或电流, 经过放大和预滤波等处理后, 通过模数转换 (ADC) 把模拟信号转化为计算机可以识别和处理的数字信号, 输入计算机进行一系列的分析处理和计算, 以及显示和存储等。信号的具体传输过程如图1所示。
当系统开始工作时, 先进行初始化操作如检测硬件设备, 打开设备读取预设工作参数, 然后进行数据采集, 直到满足预设的参数要求如采样时间时, 系统才从数据引擎中释放设备, 结束采集。
2 数据采集与分析处理
软件系统的设计和开发是该测试系统的重要组成部分, 其中数据采集与分析处理又是软件系统的主要内容。
2.1 数据采集
MATLAB的数据采集工具箱[5,6]提供了将实时测量数据从数据采集硬件读取到MATLAB中的架构;支持模拟量输入/输出 (AI/AO) 、数字量I/O子系统;支持多种通用硬件设备如研华 (Advantech) 的工控板、NI-DAQ软件的模件、声卡等 (图2) 。数据采集引擎以及硬件驱动通过管理硬件设备, 处理数据采集事件, 其中涉及到各个设备对象的属性值和多通道采集卡的事件处理。在采样之前, 需要创建合适的设备对象:
1) 创建模拟输入设备对象 (AI) :
analoginput (‘adaptor’, ID)
2) 创建模拟输出设备对象 (AO:
analogoutput (‘adaptor’, ID)
3) 创建数字输入/输出设备对象 (DIO) :
digitalio (‘adaptor’, ID)
其中, adaptor是Matlab所支持的硬件驱动程序适配器, ID是所创建的设备对象的标示符数值。以NI数据采集设备为例, 编程[6,7,8]如下 (采样速率和采样时间也可由系统软件界面输入) :
% 为NI 9233 (4通道, 24位的模拟量输入) 创建模 %拟量输入通道
ai = analoginput (‘nidaq’, 1) ;
addchannel (ai) ; %添加硬件通道
set (ai, ‘SampleRate’, 1000) %设置采样速率
duration = 2; %设置采样时间
ActualRate = get (ai, ‘SampleRate’) ;
Set (ai, ‘SamplePerTrigger’, ActualRate*duration)
start (ai) %运行设备对象
%在数据引擎中为每个通道提取1500个样本
data=getdata (ai, 1500)
%将通道剩余样本从数据采集引擎中卸载
flushdata (ai)
delete (ai) %清除ai从MATLAB工作空间中
2.2 信号分析与处理
完成数据采集之后, 为了更加清楚地了解信号的特征与组成, 信号分析与处理起着重要的作用。
a) 信号分析:信号分析[6]是将一复杂信号分解为若干简单信号分量叠加, 以这些分量组成情况去考察信号的特性。进行信号分析的方法通常分为时域分析和频域分析。与信号的时域描述不同, 信号的频域分析是以频率作为独立变量, 从频率分布的角度出发研究信号的结构及各种频率成分的能量谱、幅值和相位关系。
MATLAB软件中提供了进行信号频谱分析的函数 FFT, 所需的数学基础是傅立叶变化[7] (Fourier transform) , 函数格式为:y=FFT (x) ;x经过FFT运算后, 需要用到另外两个函数abs与angle来求y的大小与相位。 MATLAB软件中也提供了丰富的用于数值计算的函数如:Max = max (x) , Min = min (x) , Mean = mean (x) , Median = median (x) , S = std (x) , C = cov (x) , 分别表示求信号x的最大值、最小值、平均值、中间值、标准偏差以及协方差值。
b) 信号处理:信号处理[9]中最广泛应用的就是滤波, 实现滤波功能的装置和系统称为滤波器。当噪声和有用信号具有不同频带时, 使噪声消除或衰减且对有用信号输出的滤波器为频率选择滤波器, 在工程测试中, 这是最常用的滤波器。根据具体需要设计不同的滤波器:低通 (LP) 、高通 (HP) 、带通 (BP) 和带阻 (BS) 滤波器, 每一种又有模拟滤波器 (AF) 和数字滤波器 (DF) 。对于滤波器设计MATLAB软件也提供了便利的函数, 以巴特沃思滤波器为例:
[N, wn]= buttord (wp, ws, Rp, Rs, ‘s’)
上式用来计算巴特沃思滤波器的阶数和截止频率, wp为通带边界频率, rad/s;ws为阻带边界频率, rad/s;Rp为通带波动, dB;Rs为阻带衰减, dB;‘s’表示模拟滤波器 (缺省为数字滤波器) 。
[b, a]=butter (N, wn, ‘ftype’, ‘s’)
上式返回滤波器传递函数的多项式系数, ftype可取high, stop表示高通、带阻滤波器, ftype缺省时为低通或带通滤波器, wn=[w1, w2] (w1<w2) 。
Y'=filter (b, a, X)
上式表示对信号X进行滤波处理。
3 图形用户界面
图形用户界面程序已经成为应用程序的主流。MATLAB作为功能强大的软件开发工具, 提供了图形用户界面开发环境 (GUI development environment, GUIDE) 。MATLAB软件中的图形用户界面的开发采用句柄式图形, 即在MATLAB的图形系统中, 每个对象从创建时起就被赋予了唯一的标识, 即对象的句柄[8]。
根据应用软件应界面友好、易操作性、易维护的原则, 将系统软件划分为4个模块:数据采集模块、传感器标定模块、滤波器设计模块、信号分析、统计、记录等模块, 如图3所示。图中显示的信号为微细铣削机床x轴在给定加速度 (5g) 的情况下往复运动一次时的振动情况, 该信号由IEPE低阻抗电压输出双轴向测量加速度传感器 (型号14504) 测得, 其测量范围为±50g peak, 灵敏度为±5% (100mV/g) 。
信号描述:如图3所示, 采集到的电压信号存在着正向和负向的电压冲击, 第一个电压冲击是x轴的加速度从零增加到5g的时候, 电压信号的急增, 当x轴以5g的加速度平稳运动时, 测得的电压信号为在0V上下波动, 第二个电压冲击是负向电压急增, 即x轴运动到指定的位移时开始反向运动, 加速度突然反向的结果, x轴运动到初始位置时突然停止, 加速度减为零, 则出现了第三个电压冲击, 此外, 可以看出采集到的电压信号存在干扰, 已经影响了信号的真实情况, 因为理想中采集到的电压冲击信号应为±0.5V (在5g时) , 故需要对信号进行处理, 滤除干扰 (图4) 。
信号分析[9,10]:通过分析信号的功率谱密度, 得到信号成分的比重主要集中在0～80Hz内, 80Hz以上所占比重较少, 为随机干扰信号。故选用低通滤波器对信号进行滤波。通过MATLAB仿真, 选用截至频率为80Hz的三阶巴特沃思低通滤波器对信号进行滤波, 滤波后信号如图4, 可以看出x轴在5g加速度运动时的冲击电压已接近理想状态, 但是在0V左右仍存在干扰, 说明微细铣削机床的x轴的运动性能还有提高的空间。程序代码如下 (采样频率、滤波器阶数和截至频率等参数也可由系统软件界面输入) :
fs=1000; NFFT=512; n=3; %滤波器阶数
wn=80/500; %低通滤波器截至频率
[b, a]=butter (n, wn, ) ;[h, w]=freqz (b, a, 512, fs) ;
figure; B=filter (b, a, data) ; C=fft (B, NFFT) ;
Pxx0=abs (C) .^2/length (m) ; %求解PSD
t=0:round (NFFT/2-1) ; k=t*fs/NFFT;
P=10* (log10 (Pxx (t1+1) ) ) ;
subplot (2, 1, 1) ; plot (k, P) ;
xlabel (‘Frequency (Hz) ’) ;ylabel (‘PSD (dB/Hz) ’) ;
title (‘滤波后信号频谱’, ‘FontName’, ‘隶书’, ‘FontSize’, 12) ;
subplot (2, 1, 2) ; plot (m, B) ;
xlabel (‘时间 (s) ’) ;ylabel (‘电压 (V) ’) ;
title (‘滤波后电压信号’, ‘FontName’, ‘隶书’, ‘FontSize’, 12)
4 总结
简述了微细切削加工技术的特点及加工机理, 以微细铣削机床为实验条件, 开发了基于MATLAB的测试系统, 详细介绍了应用MATLAB进行信号采集和分析处理的方法, 最后用实验分析了微细铣削机床x轴的工作性能。该测试系统可以检测微细铣削加工过程中的切削力、切削温度和切削颤振等, 对了解微细铣削加工机理、改善微细铣削加工工艺和改进微细铣削机床的性能等提供了依据。此外, 该测试系统的设计方法和步骤, 对开发其他相关测试系统有很好的参考价值。
摘要：由于微细铣削加工技术可以弥补微机电系统在微小零件加工中的不足, 微细铣削加工机床的研制日益被重视。以正在研制的微细铣削机床为实验环境, 开发了基于MATLAB软件平台的微细铣削加工测试系统 (异于传统的测试系统) , 可以监测铣削加工中的切削力、切削温度和切削颤振等。介绍了美国仪器 (National Instrum ent, NI) 公司的数据采集设备 (NI9233) 在MATLAB中的使用, 以及应用MATLAB进行数据的分析和处理, 最后通过监测机床振动的实验分析了微细铣削机床x轴的性能, 为深入研究微细铣削加工机理奠定了基础。
关键词：微细铣削,数据采集,滤波器设计,图形用户界面
参考文献
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[2]王振龙, 等.微细加工技术[M].北京:国防工业出版社, 2005.
[3]童里东, 白清顺, 赵岩, 等.微径铣刀及微细铣削技术的研究进展[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2006, 40 (12) .
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[5]董长虹, 余啸海, 高成, 等.MATLAB信号处理与应用[M].北京:国防工业出版社, 2005.
[6]张明照, 刘政波, 刘斌, 等.应用MATLAB实现信号分析和处理[M].北京:科学出版社, 2006.
[7][美]John D.Sherrick.系统与信号入门[M].肖创柏, 罗琼, 译.北京:清华大学出版社, 2005.
[8]王琦, 徐式蕴, 赵睿涛, 等.MATLAB基础与应用实例集粹[M].北京:人民邮电出版社, 2007.
[9]李杰, 唐晓泉, 张一鸣.基于MATLAB的分析测试系统[J].仪表技术, 2004.
铣削系统 篇8
螺纹铣削作为一种采用数控机床加工螺纹的方法,是借助数控加工中心机床的三轴联动功能及G02或G03螺旋插补指令,完成螺纹铣削工作。螺纹铣削时,可通过在数控系统中设置正确的刀具半径补偿(简称刀补)值来完成加工,并能在加工过程中更改刀补值来实现螺纹的粗加工和精加工。一般采用标准螺纹刀具的铣削加工,至少分粗、精加工两次进刀加工完成,而大多数螺纹加工要求分刀分多次进刀铣削加工完成,这就需要通过多次修改刀补值来完成。更改刀补值的操作现一般由操作工人来完成,需多次经过“手动方式输入刀补值——启动程序——加工完成停机”过程,而这一过程要占用有效机时,会降低工作效率和机床利用率,在批量生产中,这种情况更为突出。当螺纹铣刀磨损、加工螺纹孔尺寸小于公差时,通过数控系统变量进行必要的刀具半径补偿调整后,就可继续加工出尺寸合格的螺纹。而且在操作的过程中,需记住所需修改的刀补值,且有时还会出现输入错误的情况,若刀补值记错或输错,很可能会导致加工出来的产品为废品。为提高数控机床的利用率和自动化程度,减少操作工人的劳动强度或操作工人数,使一个工人可以看管多台数控机床,提高产品的合格率,利用数控系统的系统变量自动写入编入程序代替人工修改系统的刀补值可以有效解决这些问题。本文以SIEMENS 802D数控系统及FANUC数控系统加工螺纹为例,通过分析系统变量用于读写数控系统内部数据的原理及编程,及分析螺纹铣削加工的刀具、加工方式等工艺,阐述右旋内、外螺纹铣削加工编程实例,说明利用数控系统的系统变量代替人工修改刀补值的编程思路和螺纹加工的编程方法。实例表明,效果良好,其系统变量与螺纹加工编程解决问题的思路可以推广到其他数控系统与加工,为编程员提供编程思路,特别是在批量生产中能为企业带来非常可观的效益。
1 读写刀具半径补偿值的系统变量简述
1.1 SIEMENS 802D系统
在SIEMENS 802D系统中提供的参数$TC_DP6[1,1],可以实现刀具半径补偿值的写入功能。使用系统参数不仅可以写入固定值,还可以写入局部变量的表达式变量值。系统变量参数$TC_DP6[1,1]相当于D01,$TC_DP6[1,2]相当于D02,依次类推。用系统提供的系统变量$TC_DP6[1,1]=赋值编程,适时改变D01里面的刀补值,如在程序里写入$TC_DP6[1,1]=4,运行这句程序段时产生的效果就是在D01里自动写入刀补值4;若把含局部变量的表达式赋给$TC_DP6[1,1],这样程序运行过程中,随着局部变量的变化,D01里面的刀补值也随着变化,如在程序里写入$TC_DP6[1,1]=5.0*SIN(R1),表示将变量值5.0×SIN(R1)写入到刀补D01中[1]。
1.2 FANUC OI系统
在FANUC 0i系统中,系统提供的参数#13001,可以实现刀具半径补偿值的读写功能。使用系统参数同样不仅可以写入固定值,还可以写入局部变量的表达式变量值。系统变量参数#13001相当于D01,#13002相当于D02,依次类推。同样用FANUC系统提供的系统变量#13001编程,可适时改变D01里面的刀补值,如在程序里写入#13001=4,运行这句程序段时产生的效果就是在D01里放入刀补值4;若把含局部变量的表达式赋给#13001,这样程序运行过程中,随着局部变量的变化,D01里面的刀补值也随着变化,如:#13001=5.0*SIN[#1],表示将变量值5.0×SIN[#1]写入到刀补D01中[2]。
2 螺纹铣削加工工艺简析
2.1 螺纹铣削刀具
螺纹铣削刀具有整体式和机夹式,如图1整体式螺纹刀具主要加工中小直径的内螺纹,其价格较贵,中小企业及学校应用很少。应用广泛的是机夹式螺纹刀具,下面分析单刃齿、多刃多齿梳形机夹式螺纹铣削刀具。
2.1.1 单刃单齿螺纹铣削刀具
如图2单齿螺纹铣刀既可以铣削左旋螺纹又可以铣削右旋螺纹,既可以铣削内旋螺纹又可以铣削外螺纹,同时不受螺距和螺纹规格的影响。单齿螺纹铣削刀具其程序编写的实质就是将一个导程的螺旋线编成一个程序,通过反复调用该螺旋线程序进行加工,即可完成整个螺纹的铣削加工。利用该方法加工螺纹不受铣刀螺距和螺纹规格等参数的影响,所以在数控铣床和加工中心上应用广泛。
2.1.2 单刃、多刃多齿梳形螺纹铣削刀具
如图3、图4单刃、多刃多齿梳形螺纹铣刀既可以铣削左旋螺纹也可以铣削右旋螺纹,同时也可以铣削内外螺纹,主要用在生产效率高的场合。通过保证螺纹铣刀上的每个有效刀齿同时参与铣削,从而完成整个螺纹的铣削加工,多齿螺纹铣削刀具其程序编写的实质就是将一个导程的螺旋线编成一个程序。
2.2 铣削加工方式
如图5,加工外螺纹,在顺时针加工走刀方式G02下,若刀具至下而上加工,则加工出螺纹为左旋螺纹,若刀具至上而下加工,则加工出螺纹为右旋螺纹。左旋螺纹一般在一些特定场合使用,应用较小。应用广泛的是右旋螺纹,下面对右旋内、外螺纹加工方式作分析。
2.2.1 右旋外螺纹加工方式
外螺纹加工如图6(a)是顺时针G02自上而下加工,该加工方法是顺铣,若采用半径补偿为左补G41,加工出的螺纹表面质量较好,推荐优先采用;如图6(b)是逆时针G03自下而上加工,该加工方法是逆铣,若采用半径补偿为右补G42,加工出的螺纹表面质量一般,应用在螺纹表面加工精度要求不高场合。
2.2.2 右旋内螺纹加工方式
内螺纹加工如图7(a)是逆时针G03自下而上加工,该加工方法是顺铣,若采用半径补偿为左补G41,加工出的螺纹表面质量较好,不考虑工件装夹方式,推荐优先采用;图7(b)是顺时针G02自上而下加工,该加工方法是逆铣,若采用半径补偿为右补G42,加工出的螺纹表面质量一般,且若自上而下加工内螺纹盲孔,铁屑易沉积孔底阻碍切削,是螺纹表面加工精度要求不高场合可选择方式。
3 以SIEMENS 802D系统编程的外螺纹加工应用实例及程序
如图8所示,要加工有效长20mm的M30×2右旋外螺纹。
加工说明:为了保证螺纹的加工质量,采用顺时针G02自上而下加工的顺铣加工方法,半径补偿为左补G41,圆柱已经加工好,G54设在圆柱顶面的中心G54 X0 Y0 Z0。用基于系统变量$TC_DP6[1,1]修改刀补方法自动分三次进刀一次加工完成。经计算:刀具转速S=1 800r/min,进给量F=150mm/min。
3.1 SIEMENS 802D系统变量$TC＿DP6[1,1]刀补值设定
螺纹铣刀回转半径(d/2+磨损量)r=10.50。以螺纹公称直径编程,则螺纹单边加工余量(经验值)为:0.65P=1.3(螺距P=2),分三次加工,依次为比率为:0.6、0.2、0.2,则三次系统变量给D01写入值表达式为$TC_DP6[1,1]=10.5-1.3*0.6、$TC_DP6[1,1]=10.5-1.3*0.8、$TC_DP6[1,1]=10.5-1.3*1,设比率为变量R1,用条件判断IF语句转移循环完成一次加工。
3.2 以单刃单齿螺纹铣刀加工的SIEMENS 802D系统程序
用单刃齿螺纹铣刀,刀具一齿每运行一周沿Z轴方向向下移动一个螺距P=2,有效长度为20需运行10圈,在SIEMENS 802D系统中用G02螺旋插补指令增加螺旋周数的指令TRUN=9,就可运行10圈,加工出有效长度为20,螺距为2的螺纹。螺纹的螺旋插补深度应该为螺距的整数倍FUP(20/2)=10,所以起始平面为0。
3.3 以单刃多齿梳形螺纹铣刀加工的SIEMENS802D系统程序
用单刃多齿梳形螺纹铣刀,刀具一齿每运行一周沿Z轴方向向下移动一个螺距P=2,但多齿(一般为10齿梳形)梳形螺纹铣刀10齿同时可加工10个螺距长度,有效长度为20的螺纹,在SIE-MENS 802D系统中用G02螺旋插补指令,只需运行一圈,就可加工出有效长度为20,螺距为2的螺纹。螺纹的螺旋插补深度应该为螺距的整数倍FUP(20/2)=10,所以起始平面为0。
4 以FANUC 0i系统编程的内螺纹加工应用实例及程序
如图9所示,要加工有效长20mm的M30×2右旋内螺纹。
加工说明:为了保证螺纹的加工质量,采用逆时针G03至下而上加工的顺铣加工方法,半径补偿为左补G41,圆柱底孔已经加工好,G54设在圆柱底孔顶面的中心G54 X0 Y0 Z0。用基于系统变量#13001修改刀补方法自动分三次进刀一次加工完成。经计算:刀具转速S=1 800r/min,进给量F=150mm/min。
4.1 在FANUC 0i系统中系统变量#13001刀补值的设定
螺纹铣刀回转半径(d/2+磨损量)r=10.50。以螺纹公称直径编程,则螺纹单边加工余量(经验值)为:0.65P=1.3(螺距P=2),依次为比率为:0.6、0.2、0.2,则三次系统变量给D01写入值表达式为:#13001=10.5+1.3*[1-0.6]、#13001=10.5+1.3*[1-0.8]、#13001=10.5+1.3*[1-1]。设比率为变量#1,用条件判断IF语句转移循环完成一次加工。
4.2 以单刃单齿螺纹铣刀加工的FANUC 0i系统程序
用单刃齿螺纹铣刀,刀具一齿每运行一周沿Z轴方向向上移动一个螺距P=2,有效长度为20需运行10圈,在FANUC 0i系统中用G03螺旋插补指令和条件判断语句变量循环方式(或子程序),就可运行10圈加工出有效长度为20、螺距为2的螺纹。螺纹的螺旋插补深度应该为螺距的整数倍FUP(20/2)=10,所以起始平面为0。
4.3 以单刃多齿梳形螺纹铣刀加工的FANUC 0i系统程序
用单刃多齿梳形螺纹铣刀,刀具一齿每运行一周沿Z轴方向向上移动一个螺距P=2,但多齿(一般为10齿梳形)梳形螺纹铣刀10齿同时可加工10个螺距长度,有效长度为20的螺纹,在FANUC 0i系统中用G03螺旋插补指令,只需运行一圈,就可加工出有效长度为20,螺距为2的螺纹。螺纹的螺旋插补深度应该为螺距的整数倍FUP(20/2)=10,所以起始平面为0。
5 结束语
本文利用系统变量对刀具半径补偿值实时读、写操作的方法,详细举例说明了螺纹加工程序编写思路和步骤,实际操作表明可以代替人工在加工过程输入刀具补偿参数,能避免人工修改刀具补偿产生的错误,减少加工过程中停机次数,降低操作工人的劳动强度,有效地提高加工效率、产品合格率、数控机床的利用率和自动化程度。特别是在批量生产中,能为企业带来非常可观的经济效益,可以推广至其他更多数控系统。
参考文献
[1]西门子(中国)有限公司,SIEMENS802D操作说明书[Z].2002.
铣削系统 篇9
随着工业的不断发展, 直线电机伺服系统作为一个新型的控制系统在数控机床上也得到了越来越广泛的应用。全球最大的切削机床制造商之一的DWG公司, 其产品中有1/3采用了直线电机驱动技术。因此近些年也出现了许多针对数控伺服系统的控制方法和手段, 而铣削约束控制系统通常以切削力、切削功率、切削力矩等作为约束控制输出[1]。但以切削功率或电流为反馈对象在低速重载的加工条件下有较好的效果, 而在对高速微切削量的精加工和半精加工过程中切削功率的变化则不明显。
经试验发现声发射信号在高速轻载的情况下有较明显的变化。声发射又称应力波发射, 当材料或零部件受外力作用发生变形、断裂或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段, 都会以瞬态弹性波形式释放出应变能, 这种现象称为声发射。工件材料被剪切及沿前刀面滑动变形过程中产生声发射能, 金属切削过程的声发射信号强度与切削用量 (切削速度、进给量、切削深度) 、工件材料有密切的联系。切削速度增大和加工材料强度变大, 声发射信号增强;进给量和切削深度改变, 声发射信号变化不明显[2]。这样便可根据切削时声发射信号的瞬时值与约束值, 计算出进给速度的调整量, 并发送至CNC从而达到恒声发射控制的目的。
1直线电机伺服系统建模
1.1伺服系统的结构
直线电机伺服系统与其他伺服系统最大的不同就是将旋转电机加滚珠丝杠的结构简化成了一个直线电机。本文研究对象采用西门子611D作为驱动控制, 该驱动控制主要包括电流环、速度环和CNC (数控) 中的位置环。整个控制流程是通过位置环控制器到速度环控制器, 再到电流环控制器, 最终到直线电动机, 而直线电动机则将电流和速度信号反馈给电流环控制器和速度环控制器, 伺服电动机中的编码器将位置反馈信号传给位置环控制器, 从而实现快速、准确和及时的闭环控制[3]。其结构图如图1所示。
为了简化数学模型, 这里只对电流环和速度环进行讨论。西门子611D驱动系统的电流环控制流程如图2所示, 其中电流环增益和积分控制时间是电流环比例积分控制中的参数, 用户可根据加工需要适当调节这两个参数分别对调整电流环控制器的反应速度和电流环稳定性进行调整[3]。因此可将电流控制环节等效为一个惯性环节GA (s) =KA/ (TA+1) , 式中, TA为惯性环节时间常数即积分控制时间;KA为电流环增益。其控制流程如图2所示。速度环位于电流环和位置环的中间, 图3为速度控制环的流程图。速度环控制过程相对复杂, 为了方便讨论将其控制过程也等效为一个惯性环节Gv (s) =Kv/ (Tv+1) , 其中速度环增益Kv和积分控制时间Tv, 是速度环比例积分控制中的参数。用户同样可根据加工要求调节这两个参数以满足反应速度和稳定性要求。
1.2直线电机数学模型
在d-q坐标系中, 假定选取电枢在d-q坐标系中的直、交轴电流ia, iq, 运动部分的速度v和位移x作为状态变量, 则永磁直线电机的状态方程为[4]:
式中:ud、uq为d、q轴动子电压;id、iq为d、q轴动子电流;Rd、Rq为d、q轴相绕组电阻;Ld、Lq为d、q轴动子电感;
式中KT为与电机参数有关的推力系数
由式 (5) 、式 (6) 得到如图4的永磁直线电机的简化动态结构框图。
1.3伺服系统的数学模型
根据西门子611D简化而来的驱动系统模型和直线电机模型建立的伺服系统结构如图5所示, 式中GA (s) 为电流控制传递函数, HA (s) 为电流检测传递函数, Gv (s) 为速度控制传递函数, Hv (s) 为速度检测传递函数。
2建立以声发射为反馈对象的控制模型
金属切削过程的声发射源主要来自于: (1) 第一变形区材料的剪切变形; (2) 第二变形区切削的二次变形与前刀面的摩擦[5]。
根据弹塑性理论, 在应力σ′ij作用下, 如果单位体积的塑性应变增量为dεij, 则对于材料体积V, 其塑性变形功E可表示为:
E=∫Vσ′ijdεijdV (7)
塑性变形功率为
如果材料应力σ′和应变率
二维切削状态下的声发射理论模型以式 (8) 为依据
第一变形区功率为:
第二变形区功率为:
切削区变形总功率:
声发射信号与声发射源间成比例关系, 二维切削模型上的金属切削声发射理论模型为:
式 (3) 中:c3—比例常数;t1—切削厚度;b1—切削宽度;r—刀具前角;φ—剪切角;τk—刀具与切屑间的摩擦应力;L—第一变形区长度;L1—第二变形区长度。
因此该以声发射为反馈对象的控制系统传递函数为:
式 (14) 中Gw (s) 是声发射信号模型的传递函数, 声发射信号与声发射源的比例常数为c3, 因此Gw (s) =c3W (s) 基于直线电机伺服系统的传递函数可由图3得出:
式 (15) 中V (s) 为输出速度, Vc (s) 为参考速度, 将式 (14) 代入式 (15) 整理得:
3结论
随着人们在工业生产中对加工质量和加工效率要求的不断提高, 出现了许多针对高效率高精度的直线电机伺服系统的控制系统。本文基于声发射在金属加工过程中的特性, 以之为反馈对象建立了控制系统数学模型, 并给出了整个系统的传递函数, 为研究或仿真类似的控制系统提供了一定理论依据。
摘要：针对生产中的精加工与半精加工对加工质量的要求, 选择声发射为反馈对象, 以西门子611D驱动系统为实例, 建立了基于直线电机数控伺服系统的控制系统数学模型;为以后研究和开发针对高速小切削量加工过程的数控系统自适应控制方法提供一定的理论依据。
关键词：直线电机,伺服系统,声发射,控制系统
参考文献
[1]冯小军, 朱华双, 宁仲良.数控铣削模糊自适应控制.系统组合机床与自动化加工技术, 2004; (7) :73—76
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铣削系统 篇10
关键词：球面体,变量程序,进刀轨迹
数控铣削加工程序的编写, 一般指定G代码进行直线、圆弧插补进行位移完成加工, 直接使用数字和地址符确定移动坐标值, 而在用户变量程序中, 数字值可直接指定也可使用变量号 (称宏变量) , 分为局部变量和全局变量。当采用宏变量时, 其值可在程序中修改或利用MDI面板操作进行修改。当使用宏变量时, 通常采用变量号“#”, 任何直接G代码程序都可用变量程序来完成。
1 球面体加工工艺分析
1.1 球体加工使用刀具的选择
球体加工一般分粗加工和精加工, 精粗加工可以使用键槽铣刀或立铣刀, 也可以使用球头铣刀, 切削深度和进给量选择较大。
精加工应使用球头铣刀, 为保证表面粗糙度, 切削深度和进给量选择较小, 一般<0.08 mm, 有利于保证表面品质和尺寸精度, 图1所示为粗精铣刀具的切削状态。
1.2 球体加工的进刀轨迹
通常采用若干水平圆截面球所形成的同心圆来完成轨迹运行。
在z向的进刀控制上有从上向下进刀和从下向上进刀两种方式, 一般应使用从下向上进刀来完成加工, 此时主要利用铣刀侧刃切削, 表面品质较好, 端刃磨损较小, 同时切削力将刀具向外侧方向推的趋势, 不容易产生过切, 有利于控制加工尺寸, 但当加工的球体较大时, 根据毛坯量的大小, 分层去除余量, 有利保证刀具使用寿命。
1) 轨迹点的计算
先根据零件允许的加工误差和表面粗糙度, 确定合理的z向进刀量, 再根据给定加工深度z, 计算加工圆的半径, 即:r=sqrt[R2-z2], 但走刀次数较多。再根据图样要求的精度, 确定两相邻切削点相对球心的角度增量, 再计算切削点的r和z值, 即z=R×sinθ, r=R×cosθ, 如图2所示。
2) 切削轨迹的处理
对立铣刀加工, 在加工曲面时, 是刀具刀尖在切削, 当刀具进行圆弧插补时, 其刀具中心运动轨迹位置适时变化, 最大相差一个刀具半径。
对使用球头刀加工, 曲面加工是球刃完成的, 其刀具中心是球体的同心球体, 实际刀心半径大于球面体一个刀具半径。
2 外球面体的程序与工艺
图3所示为外球体。为对刀方便, 宏程序编程零点在球体最高点处, 采用从下向上进刀方式。立铣刀加工变量程序号为O2, 球刀加工变量程序号O3。
2.1 主程序及宏程序调用参数
参数说明:
X (#24) /Y (#25) ----球心坐标;
Z (#26) ----------球高
D (#7) ----------刀具半径;
Q (#17) ----------角度增量, 度
I (#4) ------------球径;
F (#9) ------------走刀速度
2.2 变量程序 (子程序)
3 内球面体加工程序与工艺
图4所示为内球面体。一般选择程序编程零点在球面体z向中心, 采用从下向上进刀方式, 也需利用刀具偏置进行分层切削。其主程序与凸球面体类似, 变量程序调用参数相同。立铣刀加工宏程序号O4, 球刀加工宏程序号O5。
4 结论
数控变量程序的编写虽是数控制造中的一个难点, 要求编程人员有一定的数学和工艺分析能力, 但能大大地简化程序。在刀具选择和切削轨迹的设定应考虑切削力的方向、刀具磨损、刀具材料、切削用量和切削步长等因素, 这样才能精确对零件进行制造加工。
参考文献
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球体月牙槽的铣削加工工艺 篇11
关键词：球阀；球体；月牙槽；中心对称度；装夹定位夹具
中图分类号：TG547 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）32-0075-03
DN150不锈钢球阀是为国家重点工程某发射场新研制的配套设备。球体作为球阀闭合的关键件，其制造精度直接影响球阀的密封性能。球体生产过程中，月牙槽的加工既要满足尺寸精度、对称度及粗糙度等图纸要求，还要提高零件的加工效率，存在较大的难度。针对这一难点，通过认真分析球体结构特点及技术要求，设计球体装夹定位夹具，制定合理的铣削加工工艺，保证了产品质量，提高了生产效率。
1 球体月牙槽在铣削过程中存在的难点
DN150不锈钢球阀主要由阀体、球体、阀杆及密封件组成（图1），阀杆下部扁平端与球体月牙槽连接并带动球体（图2）旋转实现阀门的启闭，球体材料牌号是1Cr18Ni9Ti。从图2看出，球体直径为236mm，宽度为X（出于保密要求未标注）；月牙槽的宽度为30，宽度公差为0.011mm，深度为25mm，圆弧半径为87.5mm；月牙槽的宽度尺寸相对于球体中心线A的对称度公差为0.02mm。因此，DN150球体月牙槽的宽度和中心对称度是铣削加工保证的
关键。
球体月牙槽在铣削过程中存在以下难点：
1.1 装夹定位问题
一般能利用通用夹具能装夹的球体，装夹定位问题是比较简单的。但对于直径较大、重量较重的DN150球体的装夹，通用夹具将无法满足。同时，若夹具设计得不合理，不仅使抛光好的球面很容易被夹伤，而且还会导致加工过程中工件由于受力发生转动或歪斜，产生废品。因此球体的装夹及准确定位是保证合格产品和提高生产效率的前提。
图1 球阀结构示意图
图2 球体结构示意图
1.2 球面防护问题
不锈钢球体月牙槽在加工前，球面的抛光工序已经完成。原因是在铣削加工前抛光球体表面，设备作业是连续的，可以获得均匀良好的表面质量，利于提高球阀的密封性能。因此，保护好球面不被划伤、磕伤、夹伤是铣削加工首先要考虑解决的问题。
1.3 工艺系统的刚性问题
DN150球体月牙槽的铣削量大且精度高，要求所选用的夹具和铣削设备具有足够的刚性，避免铣削振动给加工带来的影响。
1.4 铣削用量的选择
铣削用量选择的合理与否，直接决定着加工精度能否顺利保证。
2 球体月牙槽铣削工艺过程设计
针对以上球体月牙槽铣削过程中存在的难点，进行合理的工艺过程设计，通过定位装夹夹具的设计、工件防护措施的制定、加工过程切削要素的控制以及刀具材质和刀具的选择，完全能够解决这些难点，保证加工精度，从而获得满意的加工效果。
2.1 专用夹具的设计
2.1.1 夹具定位元件材料的选择。在专用夹具设计中首先需考虑定位及夹紧元件材料的选取。DN150球体的材料为1Cr18Ni9Ti，由于球体介质流通孔与圆胎接触处强度较弱，为避免装夹过程中被挤伤，与之接触的圆胎材料选用硬度相当的材质，比如淬火HRC55～58的45号钢；夹具体是工艺系统的主要部分，需要有较好的刚度和加工性能，选用铸铁直角弯板，厚度在30mm以上；压板采用Q235A，拉杆采用45钢。
2.1.2 定位结构设计。根据机床夹具设计六点定位原理，通过对工件六个自由度的定位分析，设计专用夹具定位结构。球体工件在空间具有六个自由度，分别为X、Y、Z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕着三个坐标轴的转动自由度。通常用六个支承点（即定位元件）来限制工件的六个自由度，其中每一个支承点限制相应的一个自由度。对于槽体的加工，通常只需要限制除X轴方向移动之外的五个自由度即可，但球体工件的槽体为圆弧槽，存在对称度的要求，因此需要限制工件六个自由度。
根据工件的结构特点，夹具设计充分利用球体Φ150介质通流孔及端面、Φ12通气孔的结构进行定位。为确保工件定位精度，在球体零件设计中将上述两个尺寸由原有的自由公差调整为符合夹具配合要求的高精度尺寸公差。
定位基准的确定：根据球体结构特点，选择球体已精加工过的Φ150内孔为定位基准。
夹具体：选用直角弯板作为夹具体，将起到固定夹具于铣床工作台面、固定定位元件的作用。
定位结构设计：
（1）固定阶台型圆胎。固定于夹具体立板的固定阶台型圆胎，设计为带有台阶的圆盘形结构，是工件加工的主要定位元件，其限制了工件沿X、Z坐标轴方向的移动自由度和绕X、Z轴方向的转动自由度（台阶长度长的情况、短的情况只限制两个移动自由度）。为减小定位误差，提高定位精度，圆胎台阶与工件介质通流孔配合公差选用Φ150，工件介质通流孔直径为150，固定圆胎台阶外圆尺寸为Φ150。
（2）活动阶台型圆胎。活动阶台型圆胎与工件的介质通流孔配合安装，限制了工件在Y坐标轴方向的移动自由度。其结构与固定阶台型圆胎基本一致，不同的有两点：活动阶台型圆胎不作为主要定位元件，其台阶高度尺寸可短一些；另外在装夹工件时，与工件150介质通流孔配合间隙需要略大一点，以便于装卸，因此它与150介质通流孔配合公差选用Φ150，其台阶外圆尺寸为Φ150。
圆胎定位示意图如图3所示：
图3 球体定位示意图
定位销的选择：为限制工件绕Y轴方向转动的自由度，需在工件底部通气孔Φ12处插入一个圆柱定位销与夹具体底板上的定位孔相配合方可起作用。
过定位的消除：需要注意的是，圆柱定位销还限制了X、Y坐标轴方向的移动自由度和绕X坐标轴方向的转动自由度，造成工件装夹过定位现象。过定位会造成工件无法安装、工件或定位元件变形的不良后果，必须予以消除。设计中选用了以下方法消除过定位：（1）提高夹具定位面和工件定位基准面的加工精度；（2）适当放大定位销与通气孔的配合间隙。一方面其配合间隙大于主要定位元件固定阶台型圆胎与工件通流孔的配合间隙，可以消除过定位的产生；另一方面也便于定位销的安装与拆卸。定位销与工件通气孔的配合公差选择为Φ12，底板安装孔和工件通气孔的尺寸为Φ120+0.11，定位销外圆尺寸为Φ12。
2.1.3 夹紧结构设计。通过夹具体、定位结构的设计及定位元件的选择，将球体工件的空间位置确定，通过夹紧结构设计完成专用夹具的整体设计。专用夹具结构如图4所示：
图4 专用夹具结构示意图
（1）夹具在铣床上的固定。专用夹具通过夹具体底板与铣床工作台面的固定。设计中采用4个螺栓连接铣床工作台与夹具底板来实现（还可以在底板上装两个定位键效果更好）。
（2）工件的夹紧。通过长拉杆将工件夹紧在固定阶台型圆胎和活动阶台型圆胎之间。为增加可靠的加紧力，设计中采用2个活动压板，分别将工件夹紧在压板与夹具体直角弯板的立板之间。
2.1.4 工件的装夹。球体在专用夹具上的装夹固定，须采用以下步骤完成：（1）将球体套入固定阶台型圆胎并贴紧其端面；（2）将圆柱定位销穿入工件通流孔内，再通过通气孔插入夹具体底板上的定位孔；（3）将拉杆旋入固定圆胎，再将活动阶台型圆胎与工件配合并适当夹紧；（4）用两个压板分别压紧球体，最后将中间拉杆旋紧。
2.2 工件防护措施的制定
DN150球体直径和自重较大，并且球体在转入铣工工序之前，球面已经抛光完毕。尽管在周转过程中对球体采取了一定的保护措施，而在铣削过程中疏于对球体的保护，一样会造成废品，以致前功尽弃。因此，球体定位中的磕伤、装夹中的夹伤以及被冲刷的铁屑划伤等问题，就要求操作者制定相应的防护措施去消除。
防护措施的具体步骤：（1）球体装夹时做到轻拿轻放，避免人为磕伤；（2）用酒精棉球擦去球面的油污等污渍；（3）用防水塑料胶带均匀粘贴球面并且只留出月牙槽被加工的区域；（4）铣削时有充足的冷却液，以利于排屑。
通过以上措施的制定，可有效避免球体在装夹过程中出现工件表面被人为磕伤、夹具夹伤和加工过程产生的铁屑划伤的问题。
2.3 工艺系统刚性的解决
DN150球体月牙槽铣削量大且精度高，除要求所选用的夹具具有足够的刚性外，铣削设备和刀具结构同样如此，以避免铣削振动给加工带来的影响，
2.3.1 铣削设备的选用：（1）尽可能选用功率高、输出扭矩大且传动平稳的铣床；（2）根据加工精度选用相应等级的铣床；（3）选用经济适用性高的铣床。
根据DN150球体月牙槽的铣削特点和单位现有设备资源，选取在X62W卧式铣床上加工。
2.3.2 刀具材料和结构的选取：刀具材料的切削性能关系着刀具的耐用度和加工零件的质量，刀具材料的工艺性影响着刀具本身的制造与刃磨质量，因此合理选择铣刀材料是保证铣削顺利进行的关键。
（1）刀具材料。加工奥氏体不锈钢材料时，存在切削力大、加工硬化严重、刀具磨损快的特点，并且铣削不锈钢除端铣刀和部分立铣刀可用硬质合金做铣刀刀齿外，其余各类铣刀均采用高速钢。所以，在这里选取比普通高速钢耐用度高的高钒高速钢作为铣刀材料。
（2）刀具结构。镶齿三面刃铣刀主要用于铣削定值尺寸的凹槽，除圆周表面具有主切削刃外，两侧面也有副切削刃，三个刃口均有后角、刃口锋利、切削轻快，从而改善了切削条件，提高了切削效率和减小表面粗糙度。考虑到刀具经济的适用性，且要适合卧式铣床加工，工艺设计中选用材料为高钒高速钢的镶齿三面刃铣刀结构。
2.4 合理地选择铣削用量
合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能，在保证加工质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。
2.4.1 铣削深度ap。铣刀在一次进给中所切掉工件表层的厚度叫铣削深度。铣削深度大小是根据加工余量、铣床功率和对工件加工面的光洁度要求等因素来确定的，在粗加工和半精加工中，可以增加切削深度以提高效率，但在精加工中必须减少切削深度以提高表面粗糙度。
球体月牙槽的铣削深度相对较深，因此粗加工可以分为多次走刀，但是第一刀的铣削深度应取大一些，选为8～10mm；留够精加工余量0.3～0.5mm。
2.4.2 每分钟进给量Vf。铣刀每回转一分钟在进给运动方向上相对工件的位移量，叫做每分钟进给量。在粗加工中，可以提高进给量以提高切削效率，在精加工中减少进给量以提高表面粗糙度。球体月牙槽在粗加工时，由于作用在工艺系统上的切削力较大，因此可以手动进给或者选取小一些的进给量，进给变速箱的选取范围在23.5～37.5mm/min之间。半精加工和精加工时，最大进给量主要受工件加工表面粗糙度的限制，每分钟进给量在23.5～30mm/min中选取。
2.4.3 铣削速度V。铣刀切削刃上的选定点相对于主运动的瞬时速度，称作铣削速度。它的计算公式：
V=πDn/1000（mm/min）
式中：
D—铣刀直径（mm）
n—铣刀转数（转/min）
提高铣削速度有利于提高表面粗糙度，但是必须考虑刀具的承受能力，否则刀具的磨损加剧，反而不利于加工精度的提高。DN150球体月牙槽加工中采用定制的Φ175×20高速钢三面刃铣刀，粗加工的主轴转速可选为60～75转/min，精加工可选为75～95转/min。
由于DN150球体月牙槽的铣削余量较大，在粗加工时应采用逆铣方式，精加工时采用顺铣方式。
2.5 铣削加工前的准备工作
月牙槽的尺寸精度和位置精度要求高，因此在铣削加工前，还必须做好以下工作：（1）对铣床的主轴精度和工作台精度进行检测，对加工部位有直接影响的精度应重点检测；（2）对铣床工作台的位移精度进行检测，可借助百分表等微测量仪进行控制；（3）检测铣刀安装辅具的精度，安装过程进行精度检测，保证铣刀安装后的回转精度；（4）铣削前预先测量铣刀的尺寸精度和几何角度；（5）操作前合理调整机床各部位的间隙，加工中注意锁紧不使用的进给方向等。
2.6 铣削过程中的注意事项
2.6.1 正确选用冷却液。为了克服不锈钢粘附能力强、散热性差的缺点，使用硫化切削油作为切削液，有利于减少摩擦，减少变形，降低切削温度，防止刀刃产生冷作硬化现象，还能提高加工表面质量和减少刀具磨损。
2.6.2 保持刀具锋利。铣削不锈钢时，切削刃既要锋利，又要能承受冲击。有条件的话，可以选用各种先进可转位刀具或整体铣刀，改善切削过程的排屑状况。
3 加工效果评价
采用上述工艺措施，解决了DN150球阀球体月牙槽加工过程中的难题，使产品的尺寸精度、中心对称度及表面粗糙度均能满足技术要求，密封性能达到十分满意的效果，并缩短了工期（由单件1天完成缩短到1小时完成），提高了生产效率。组装后的球阀产品经受了上千次的疲劳寿命试验，性能优良，并顺利交付使用。
参考文献
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铣削系统 篇12
在机械制造业中, 各类CAD/CAM软件越来越多地应用在数控曲面加工中, CAD/CAM软件中生成刀具路径就是在允许的误差值范围内沿每条路径用直线去逼近曲线曲面的过程, CAD/CAM软件生成的程序庞大无比, 占用空间大, 对于要求高的精密的曲线轮廓零件, 降低了零件的尺寸精度和轮廓形状精度, 而对于这些非圆曲线方程类轮廓零件保证其轮廓精度对使用性能至关重要。宏程序编制的程序与CAD/CAM软件生成的程序相比, 程序大大简化, 输入与调试方便快捷, 解决CAD/CAM软件编程计算坐标值繁琐、程序庞大、程序难修改等难点问题。宏程序是手工编程的最高级形式, 同时也是手工编程的一个难点, 本文结合宏程序编程的特点, 通过建立数学模型、列变量处理表、画程序流程图和仿真验证四大步骤快速高效地编制非圆二次曲线零件加工通用的宏程序模板, 大大扩展了数控机床的应用范围。
1 FANUC-0i系统用户宏程序简介及其编程特点
1.1 宏程序简介
程序中具有变量、并利用变量进行赋值和表达式来进行逻辑运算的程序称为宏程序。平常所说的宏程序就是用户宏程序。宏程序是数控系统所具有的特殊编程功能, FANUC-0i系统宏程序结构是基于BASIC语言建立的, 常用B类宏程序, 它借助IF、WHILE语句可以控制宏程序的流向, 常用的转移和循环语句有三种[1,2]:
(1) 无条件转移指令 (GO TO语句)
GO TO目标程序段号
无条件转移指令用于无条件转移到指定程序段号开始执行。
(2) 条件转移指令 (IF语句)
(1) IF[条件表达式]GO TO n
当条件满足时, 转移到指定程序段, 如果条件不满足时则执行下一程序段。
(2) IF[条件表达式]THEN宏语句
当条件表达式满足时执行预先决定的宏语句。
循环指令 (WHILE语句)
WHILE[条件表达式]DO m (m=1, 2, 3)
‥‥
END m
当条件表达式满足时, 就循环执行DO与END之间的程序段, 条件表达式不满足时, 则执行END后的下一个程序段。
1.2 宏程序编程特点
宏程序中通过对变量进行算术、逻辑和函数运算, 应用更灵活、方便。其编程特点如下。
(1) 宏程序具有灵活性、通用性和智能性特点[3]。若程序中某数据需要更改, 只需将相应变量重新赋值即可, 这样使宏程序有着广泛的通用性。
(2) 宏程序编程最体现模块化思维[3]。编程人员只需要根据零件几何信息和不同的数学模型可完成相应的模块化加工程序设计。对于相似零件的重复性加工或有规律性地重复一个动作, 宏程序只要改变变量的值, 即可完成不同的加工或操作。
(3) 宏程序逻辑严密, 可读性强, 占用机床数控系统空间小[3]。宏程序天生短小精悍。一般常见的数控系统完全容纳得下任何复杂的宏程序, 数控机床执行宏程序时数控系统的计算机可以直接进行插补运算, 而且运算速度极快加工效率高。通俗地说, 宏程序就是小程序解决大问题[1]。
(4) 宏程序加工精度高[3,4]。CAD/CAM软件编程时, 在建模、刀具轨迹生成、后置处理环节都存在一定的误差, 在不同建模软件CAD图档转换也会产生一定的精度误差, 宏程序可以有效地避免CAD/CAM软件编程产生的误差, 加工精度高。
2 非圆二次曲线类零件编程的数学分析
2.1 非圆二次曲线编程数学处理
工程上处理用数学方程描述的平面非圆曲线轮廓图形常采用相互连接的直线逼近法和圆弧逼近法[4]。
(1) 直线逼近法。一般来说, 由于直线法的插补节点均在曲线轮廓上, 容易计算, 编程也简便些, 所以常用直线法来逼近非圆曲线, 其缺点是插补误差较大。
(2) 圆弧逼近法。曲线的圆弧逼近有曲率圆法、三点圆周法和相切圆周法等方法, 这些方法须先用直线逼近法求各节点再求各圆周, 其计算较繁琐。
2.2 编制非圆二次曲线加工宏程序的步骤
宏程序对可以用函数公式描述的工件轮廓或曲面进行数控加工, 是现代数控系统的一个重要功能, 数控加工公式曲线宏程序编制具有一定的规律性。可按以下步骤进行: (1) 建立数学模型, 确定自变量和因变量; (2) 列变量处理表, 通过表格形式, 清楚条理地把数学模型表达式转化成宏变量表达式; (3) 画流程图, 按流程图写出程序; (4) 仿真模拟加工验证
3 非圆二次曲线类零件宏程序的编制实例
椭圆零件是典型的非圆二次曲线零件, 下面以椭圆零件为例论述此类零件一般宏程序的编制步骤。
例数控铣削加工图1所示椭圆零件外形轮廓, 试编制其加工宏程序 (FANUC-0i系统) 。
解:分别选择标准方程和参数方程编制该椭圆外轮廓的精加工程序, 走刀路线为:A→B→C→D→C→E→A。见图2所示。
3.1 标准方程加工椭圆
(1) 标准方程加工椭圆要建立数学模型, 其表达式及曲线变量处理表见表1所示。
(2) 宏程序如下:
3.2 参数方程加工椭圆
(1) 首先建立椭圆参数方程的数学模型, 其表达式及椭圆曲线变量处理表见表2所示。
(2) 画程序流程图
程序流程图是计算机高级语言编程中常用的工具, 它全面描述系统逻辑、反映信息在系统中的流动、处理情况。它通过图框形式指示程序流程, 控制程序的走向, 具有直观易读和易理解的特点, 使编程思路清晰、流畅、条理性强, 宏程序可借用流程图的形式, 编程前先按逻辑顺序画出流程图, 然后按流程图就容易编写程序。参数方程编程先根据思路画出流程图, 见图3所示。
(3) 根据流程图写出其加工程序
(4) 仿真模拟加工验证
为了验证程序的正确性, 避免由于程序的原因对机床造成的损伤, 下面用CAXA制造工程师编程助手软件仿真加工过程, CAXA制造工程师编程助手支持自动导入代码和手工编写代码, 其中包括宏程序代码的轨迹仿真, 能有效验证代码的正确性[6]。
1) 打开CAXA制造工程师2008的编程助手, 进入软件界面。
2) 在程序代码框中录入O1809的宏程序。
3) 代码录入完成后, 进行仿真加工, 选择[仿真]→[加工仿真], 弹出对话框, 选择步长5, 前进方向选择[前进], 单击[开始]按钮。见图4。
仿真结束图见图5, 当宏程序中有代码错误或格式不对时软件会提示, 根据提示进行修改。
3.3 模块化程序转化
该例是编制椭圆类零件加工的典型程序。可作为一个编程模板使用, 需要时通过调用指令M98或G65等调用, 程序中可通过修改自变量#20及椭圆长短半轴参数实现各类不同大小的椭圆零件的加工。另外, 通过修改刀具半径D01的值及角度增量值的大小可实现椭圆的粗加工、半精加工、精加工, 而其它数据不用改变, 增强程序的通用性, 大大地缩短了编程周期和工作量, 从而提高生产效率和经济利益, 起到事半功倍的效果。
4 结束语
编制宏程序关键是建立好数学模型, 确定好自变量及取值范围, 列出变量表, 然后画出流程图, 理清思路就容易编制了。宏程序并非深不可测, 它显著的特点是用变量进行赋值, 很方便实现复杂的算术和逻辑运算, 免去了大量的手工计算, 让数控系统自动计算判别, 减少自动编程每次都要画图的麻烦, 宏程序特别适用于各种公式曲线零件编程, 当加工条件改变时宏程序可以随时更改加工参数, 以适应新的加工需求, 宏程序充分体现模块化思维, 一次编程多次受益, 各种实例证明, 宏程序加工非圆二次曲线类零件是一种高精度、高效率的加工方法。
摘要：以宏程序为研究对象, 在分析比较CAD/CAM软件和宏程序编程的基础上, 通过实例分析方法研究了宏程序在非圆曲线类零件加工中的应用, 以椭圆为例编制宏程序模板, 指出在相似工件的加工中灵活运用宏程序使编程简便快捷, 大大地提高编程效率, 对非圆曲线类零件的宏程序编制有参考作用。
关键词：FANUC-0i,非圆曲线,宏程序,铣削
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