强力旋压机床自动编程系统的研究

王宁，辛世界

(山东理工大学机械工程学院，山东淄博255049)

1 旋压技术的发展现状

旋压技术是塑性成形加工常用的技术之一，因其容易实现产品的轻量化、柔性化、精密成形制造而在塑性加工中受到特别的重视。经强力旋压后，金属的微观结构发生变化，表面硬度和抗疲劳强度以及表面精度都有所提高。而强力旋压由于纵向和横向进给力大，可以更高效地旋压大壁厚的零件，使其成为旋压机中的佼佼者。

我国对旋压机床的研究起步较晚，相关的研究人员较少，且主要集中于航空、航天以及兵器工业集团公司的一些科研院所，研制的旋压机床距国际先进水平都有较大的差距。尤其在强力旋压方面，数控、伺服驱动系统等核心部件大都是依赖于国外进口。由于受到出口限制，这些系统在功能上都有一定程度的减少，严重制约了我国旋压机床的应用范围和机械制造水平的提高。基于PC平台的编程系统应用不够广泛，大部分还是采用手工编程，工作强度大，编程效率低，严重影响工业生产的加工精度和效率。

基于AutoCAD平台，开发适用于旋压机床的图形化编程系统，以实现各种旋压零件加工程序的高效编制，减轻劳动强度，推动强力旋压技术在更广泛领域中的应用。

2 旋压机床编程难点分析

3D65CNC强力旋压机床是20世纪90年代从国外进口的大型机床，专用于金属筒形件旋压。机床持续工作了近二十年，其数控、驱动系统等已严重老化，故障频发，但机床的主体仍然保持着较高的机械精度，加之旋压机床价值昂贵，所以数控及驱动系统的升级刻不容缓。机床系统升级，采用西门子Sinumerik840D、SIMODRIVE 611D、SIMATIC S7-300系列PLC。Sinumerik840D是西门子公司20世纪90年代推出的高性能数控系统，其轴控规模强大，最多可配31个轴，可以实现五轴联动，任何三维曲面都可以加工。

由于旋压机床轴系统由纵向进给轴A，横向进给轴X、Y、Z组成，3横向进给轴呈120°均布，且径向和轴向均存在一定错距量。早先采用的直角坐标系的编程系统不能完全满足旋压机床零件加工程序编制的需求。因此需要开发新的编程系统，以实现不同外形零件加工程序的高效编制。

旋压机床是专用机床，对母线复杂的回转体工件进行旋压时，如何通过数控加工代码实现主轴和旋轮(A、X、Y、Z)的同时插补，是数控编程的一个难点。为解决这一问题，拟对120°均布的三旋轮装置分别进行编程控制，利用Sinumerik840D的机床坐标系耦合功能，来实现四轴同时插补。纵、横向均采用伺服电机控制，通过光电编码器，将位置和速度检测信号反馈给控制系统，实现理想的错距旋压成形。

3 自动编程系统原理

AutoCAD采用了开放的体系结构，提供了一个交互式的开发平台。自动编程采用模块化结构，其原理:首先，在AutoCAD平台上绘制工件轮廓图，获取几何信息;由人机交互对话框输入主轴转速等工艺参数;然后，由前置数据处理模块处理图形文件获得刀具中心轨迹;再通过图形编程模块生成相应的数控加工程序;最后对生成的NC代码进行编辑修改，确认能达到加工要求后，将NC代码传送到旋压机床进行加工生产。自动编程系统模块结构图见图1。

图1 自动编程系统模块结构图

绘制零件的二维图形。AutoCAD二维图形包括零件轮廓和中心线、尺寸标注等非零件轮廓的实体。为了能够准确提取图形实体，需要给描述零件轮廓的实体下列特定的相关联的性质:按1∶1的比例绘制零件二维轮廓图;轮廓线首尾相连接形成一条多段线;描述零件轮廓的图形实体放在同一图层，设置成同一种颜色，将中心线、标注尺寸放在另一层。

图形几何信息的获取。基于AutoCAD平台，可以通过以下方式来获取零件图形几何信息:(1)对于比较复杂的图形，需要通过刀具中心数据文件(DXF文件)来获取，其中的二维数组会记录零件图中的线性信息，包括直线的起点坐标、终点坐标，圆弧的圆心坐标、半径、起点坐标、终点坐标;(2)对于轮廓简单的图形，将各轮廓线首尾相连成多段线(PLINE)，确定相应的起点和终点，便于确定刀具的运动方向。多段线可以用直线和圆弧逼近任意形状，符合旋压机床所具备的直线插补和圆弧插补算法;(3)通过人机交互来直接拾取零件实体轮廓，将轮廓细分成微小的直线和圆弧，只要获取直线和圆的关键点坐标。这里采用第二种获取方式。

工艺参数输入。主轴转速、进给速度、切削余量等必要的加工参数，需要在NC代码生成前，通过人机交互方式输入系统。此系统通过DCL文件和Visual LISP语言，开发人机交互式的菜单及相应的对话框，输入必要的工艺参数，并且用户可以根据所加工零件的尺寸进行修改。相应的工艺参数需要根据毛坯材料、刀具材料、机床的性能等因素来确定，或者从工序卡中获取。

NC代码生成。该模块是自动编程系统的核心。NC代码是根据零件的几何图形信息和加工工艺信息进行处理所形成的。图形几何信息主要是关键点坐标;工艺信息主要包括刀具半径补偿、机床工艺参数、插补算法。主程序在调用图形处理模块处理数据时，结合工艺参数生成刀位数据文件;然后进入系统进行数控编程系统初始化，生成所需的NC代码格式，保存为TXT格式。

数控程序输出。将生成的NC代码编辑修改为机床所能识别的代码文件，直接或间接地输入到旋压机床。

4 自动编程系统的实现

Visual LISP在AutoLISP基础上增加了对话框和窗口界面的库，提供了一套完整的集成开发环境(IDE)，具有代码编辑、程序调试、独立应用程序发布等功能。旋压机床编程系统的实现方案如下:

(1)系统菜单设计

菜单样式包括下拉菜单、屏幕菜单、图像菜单等，这里用到的是下拉菜单。菜单的定制是通过编写并加载菜单文件*．mnu来实现的。在文本格式下编辑文本文件，存盘时文件扩展名为．mnu。菜单文件的加载方式有两种:①通过键入MNEU命令，弹出加载对话框来编译加载，加载完成后会生成*．mnc、*．mnr、*．mns文件;②通过工具→自定义→菜单来完成程序加载，将生成的菜单名插入到菜单栏的合适位置。加载完成后形成图2所示的界面。

图2 旋压下拉菜单加载

(2)交互对话框的设计

相关工艺参数通过人机交互对话框输入，如图3所示。对话框的外观和格式的制定由编写的DCL文件来实现，而对话框的应用则是由编程语言来控制的。AutoCAD系统提供了两个重要 DCL文件:ACAD．DCL，存放 AutoCAD系统定义的对话框;BASE．DCL，为用户提供常用的对话框标准控件。定义对话框时，可以直接使用AutoCAD预定义的25种控件类型以及8个最常用的控件，但是在编写驱动程序时，必须注意控件的关键字。

图3 工艺参数输入对话框

这部分的核心问题是设计编写、调用实现相关功能的函数，并把对话框中的控件与函数中的变量相匹配，实现系统对数据输入的记忆。

(3)从图形到NC代码的实现

文中的加工实例轮廓比较简单，仅含有直线或圆弧。进入系统拾取各实体线编辑成多段线PLINE。在AutoCAD中，主要用顶点坐标和凸度来描述PLINE，通过凸度来判别下面的轮廓是直线或圆弧，来确定G代码的格式。取轮廓实体后，一般通过OFFSET指令，结合旋轮的半径值，可以直接得到刀具中心轨迹线。把刀具轨迹各点的坐标等数据存储到相应的数据文件中。这里需要用到Visual LISP实体处理函数:

(SETQ＊＊1(SSGET"Select a Ployline"));

(SETQ＊＊2(ENTGET＊＊1));表面处理函数得到各节点坐标和圆弧的凸度;

(SETQ＊＊3(CDR(ASSOC 10＊＊4)));从*＊4中取第一个节点坐标给变量＊＊3;

(SETQ＊＊5(CDR(ASSOC 42＊＊4)));

采用增量坐标编程，获取了刀具中心轨迹各节点坐标或圆弧半径后，通过后置处理模块，根据ISO数控代码格式便可将图形几何信息和工艺干预信息转换成数控加工程序代码，同时以“*．NC”形式文件名保存。

(4)强力旋压机床的NC程序应用

通过自动编程系统生成的原始NC代码，仅仅是其中机床一个旋轮的走刀程序，由于3D65CNC机床轴布局的特殊性，NC代码需要经简单编辑后，才能符合旋压机床的轴系统功能，才能应用于实际加工。如何通过数控程序实现主轴和三旋轮同时向主轴A插补，是数控编程的难点一;旋压机床的3个旋轮均存在轴向和径向的错距，致使各旋轮加工时的起始坐标不相同，是数控编程的难点二。考虑到以上两个难点，结合所加工的零件是回转体，所以3个旋轮的转速、径向进给速度和径向进给量是一致的，这里应用Sinumerik840D的机床坐标系耦合功能，实现四轴联动，并且只能采用增量坐标编程。例如:

…

N40 G01 X15 Y15 Z15 F4500

//三旋轮前进到起始位置

N50 A0 F4500

//A轴到零点

N60 G01 X9．5 Y8．5 Z7．5 F2000

//三旋轮前进到旋压位置

N70 CC-COPON(X Y Z)

//将X、Y、Z轴耦合

N80 G91 G01 X-1 F500

//耦合状态下，三旋轮进给增量-1

N90 CC-COPOFF(X Y Z)

//将X、Y、Z轴去耦合

…

5 总结与展望

基于AutoCAD平台进行二次开发，实现了从零件二维轮廓图到NC数控加工代码的转换。应用Sinumerik840D的机床坐标系耦合功能，采用增量坐标编程的方式，获得了3D65CNC强力旋压机床加工复杂母线回转体零件的加工程序。经工厂的实际生产证明，明显提高了各类零件旋压的编程效率和加工精度。希望文中的研究能够为我国早期进口旋压机床的升级换代提供理论和实践上的参考，促进我国旋压机床技术水平的发展。

【1】於时才．AutoCAD二维图形生成数控加工代码的方法［J］．机械制造，1999(5):20-22．

【2】张欢，余丽．基于 AutoCAD的数控自动编程系统［J］．机械研究与应用，2009(6):76-81．

【3】SINUMERIK840D编程指南［M］，2001．

【4】贾春雷，刘佳佳．基于西门子机床耦合功能的双旋轮旋压机床设计［J］．制造技术与机床，2010(11):59-61．

【5】阎群，孙昌国，林文兴，等．Windows环境下数控旋压机床图形编程系统［J］．北京科技大学学报，2001，23(3):281-283．

【6】谭红．用西门子840D数控系统改造4．5×17m龙门铣镗床［D］．重庆:重庆大学，2007:38-40．

【7】李学志．AutoCAD2000定制与 Visual LISP开发技术［M］．北京:清华大学出版社，2001．