基于宏程序的非圆曲线最短加工路线设计

冯大鹏，黄耀威

( 佛山科学技术学院，广东佛山528000)

在非圆曲线轮廓的轴类的数控加工编程中，宏程序具有独特的优势。手工常规编程无法编制出非圆曲线加工程序，而应用宏程序，可通过变量赋值、运算等变化，形成插补的更新，用细段直线逼近轮廓线，并自动完成下一接点的计算及插补运动，从而完成非圆曲线加工。粗加工时，宏程序所形成的切削路线为轮廓等距线，按同一轨迹重复切削，每次切削刀具向前移动一次，直至加工完成。这种循环进给路线是由于宏程序的特点而形成的，它与常用的复合车削循环指令G70、G71 的刀具路线相差较大，而与仿形复合粗车循环指令G73 所形成的刀具路线相仿。从刀具路线优化角度来看，这种走刀方式的加工效率有待提高。

1 沿坐标轴平行切削是实现最短进给路线的有效方法

使加工程序具有最短的走刀路线是优化加工程序的主要目标之一。走刀路线是指切削加工过程中刀具相对于被加工零件的运动轨迹，它包括参与切削和不参与切削两大部分，其中不参与切削部分指空程走刀路线。对于如何减少走刀空程，特别是减少进给走刀空程的研究，已经有较多的论述。但对于参与切削部分的刀具路线，如何实现优化设计，其研究还有待深入，其目的在于使切削进给路线最短，减少切削加工时间。

在切削过程中，切削进给路线长短与切削方式有关。对工件某切削区域的粗加工，一般有两种切削进给路线选择:(1)平行轮廓的等距路线;(2)平行坐标轴的“矩形”走刀路线。这两种切削路线的长短是不同的，下面可通过实例对比进行分析。

图1 所示斜线a'为粗加工完成后的轮廓线，而a为a'的等距线。加工a 以下区域有两个方案: (1)平行a 进行切削，其刀路如图1 虚线所示，分n 次走刀完成，背吃刀量为b/n;(2)走平行坐标轴的矩形循环进给路线，其刀路如图1 实线所示。粗加工最后一刀轨迹相同。

图1 两种切削进给路线

由图1 可得:

则方案一的切削路线长度总和:

同理可得出方案二切削路线长度总和:

因为a ＞c，即Σ1＞Σ2，故方案二的平行坐标轴的切削路线较短。

以上仅以斜线作为加工对象进行对比，对于由多段斜线和直线组成的轮廓线，当其直径呈递增变化时，上述两种加工方案的对比结果同样适用。对于各种非圆曲线及圆弧，其刀具路线长度的计算复杂，难以直接进行比较，不过，如果曲线的斜率没有出现急剧的变化，可设想由多个台阶内接这些曲线，如图2所示。

图2 曲线斜率变化不大时刀路设计

加工这些台阶可采用方案二的平行坐标轴切削方法，其效率显然比平行轮廓的切削方法要高，而且对粗加工的精度影响不大，因为之后还要沿曲线的等距线完成粗加工的最后一刀。

以上分析说明:沿坐标轴平行切削是实现最短进给路线的有效方法。为了实现平行切削，数控系统都提供一些复合循环指令如G71、G72 等，但这些指令一般只能加工由直线、圆弧组成的轮廓曲线，对于非圆曲线零件的粗加工无能为力。因此，在应用宏程序加工非圆曲线时，如果设计出一种类似于复合循环指令的沿坐标轴平行切削方法，将使切削进给路线最短，加工效率高。

2 非圆曲线零件的矩形循环路线的设计方法

设计分为两部分:第一部分是沿z 轴平行切削循环，第二部分加工非圆曲线的最后形状。

设计流程图见图3。

图3 设计流程图

3 实例及结果对比

例1 对图4 所示的A － B 段曲线进行粗加工，毛坯直径为94 mm，留精加工余量1.0 mm。z 向零点在小端“O”处。应用FAUNC 宏功能编程。

图4 示例零件

零件分别采用如下方案加工: (1)沿坐标轴平行切削方法; (2)平行轮廓切削方法。两种切削方法的刀具路线分别用虚线和细实线表示，见图5。

A1－B1为粗加工结束前最后一刀，两个方案的最后一刀路线相同，A2－B2为粗加工结束前倒数第二刀。

图5 两种切削方法的刀路

(1)沿坐标轴平行切削方法。

设:#1 为Z 变量，#2 为Z截止变量，#3 为X 变量。

O0001

S400M3

T0101

G0X94Z-11.25

#3 =48//X 变量赋初值

N2 G0U2//退刀

G0X94Z-11.25

#3 =#3-2.0//X 变量递减

IF ［#3 LE 18.0］GOTO 5//判断X 变量

#1 = －11.25//Z 变量赋初值

#2 =SQRT ［225* ［［#3 －3］ * ［#3 －3］ /144 －

1］］ //计算Z 截止值

N4#1 =#1 －0.5//Z 值递减

G01X ［2* #3］Z#1F100//直线插补

IF ［［#1］LT #2］GOTO 2//判断Z 值是否到截止值

GOTO 4

N5 G0X94Z－11.25//准备加工A1 －B1 段

#1 = －11.25//Z 赋初值

N6 #3 =SQRT ［144* ［1 +#1* #1/225］］ +1//计算

X

G01X ［2* #3］Z#1F80//插补运动

#1 =#1 －0.2//Z 递减

IF ［#1 GT－55.5］GOTO 6//判断Z 值是否到终点

G0X94Z－11.25

M30

(2)平行轮廓切削方法。

设:#1 为Z 变量，#2 为X 变量，#3 为切削余量变量，#6 为中间变量。

O0002

S400M3

T0101

G0X94Z－11.25

#3 =32//切削余量变量赋值

N2 G0X94Z－11.25

#3 =#3 －2.0//切削余量递减

IF ［#3 LE 0］GOTO 5//判断切削余量

#1 = －11.25//Z 变量赋值

N4 #2 =SQRT ［144* ［1 +#1* #1/225］］ +1//计算

X

G01X ［2* ［#2 +#3］］Z#1F120//直线插补

#1 =#1 －0.5//Z 值递减

#6 =2* ［#2 +#3］

IF ［#6 LT 94］GOTO 4//刀是否超出毛坯

GOTO 2

N5 G0X94Z－11.25

M30

两种方案的刀具路线长度总和(A2－B2以下部位)见表1。

表1 两种方案的刀具路线长度总和

从表1 可知:采用方案一切削路线明显缩短，这对于提高加工效率有较大帮助。

4 结束语

通过设计一种近似于矩形的循环进给路线，实现粗加工垂直进刀→水平切削→退刀→再进刀的加工循环，使加工路线较短，效率提高。这种加工方法对于单调变化的非圆曲线，如双曲线、对数曲线等的加工非常有效，而对于非单调变化的非圆曲线加工，单一的矩形循环进给路线并不适用，此时需要采用平行轮廓的等距路线，其优点是节省了换刀时间，一次加工完成。但由于零件外圆含有凹弧，为避免刀具副切削刃与工件发生干涉现象，刀具副偏角一般较大，而副偏角加大不利于刀具强度的提高和加工散热，影响刀具寿命，同时限制了切削用量，不利于加工效率的提高。从优化加工路线角度综合衡量，需寻找更加合理的加工方案的配对组合。

【1】王娟平.回转体类零件的数控加工工艺路线及工序进给路线的设计［J］.新技术新工艺，2011(6):56 －58.

【2】陈光明.数控加工中工艺路线设计原则及方法［J］. 组合机床与自动化加工技术，2005(11):69 －72