轧辊月牙槽数控加工宏程序的开发

丁锦宏

(南通纺织职业技术学院机电系，江苏南通 226000)

1 带肋钢筋轧制原理

带肋钢筋是必不可少的建筑材料，其是由一对轧辊挤压而成的。轧辊上有若干道环槽，环槽的直径等于带肋钢筋的直径(即带肋钢筋的规格)，如图1所示。每道环槽内有若干个象月牙一样的槽，俗称月牙槽，使钢筋的外表面在被挤压后产生凸起的肋［1］。月牙槽的轮廓是一段圆弧，如图2所示。月牙槽与轧辊轴心线成一定角度，即为月牙槽升角。月牙槽的轮廓直径、月牙槽升角、切深等参数参照国标(GB1499．2－2007)，如图3所示。

图1 轧辊示意图

图2 月牙槽示意图

2 机床工作原理

图3 月牙槽几何参数

加工轧辊的专用数控机床采用四轴伺服驱动，通过指形铣刀进行切削。机床主要由摆头、头架、拖板、床鞍和床身等组成。摆头带动铣刀做左右摆动(回转运动)，头架使轧辊做回转运动，拖板带动铣刀做切深运动(直线运动)，床鞍带动拖板沿导轨做左右移动，如图4所示。这种方法，既可以铣削月牙槽，也可以刻出环槽内带肋钢筋规格参数和产品商标，不必使用其他机床进行加工［2］。

图4 月牙槽专机原理

通过CNC系统控制X轴(铣头摆动)、Y轴(工件回转)、Z轴(深度进给)的运动，实现了空间螺旋槽的展成运动。通过铣削方法，加工出带肋钢筋轧辊月牙槽。X轴由右向左的摆动与Y轴的回转相匹配，形成月牙槽的升角;Z轴与X轴的联动，使刀尖沿着月牙槽的轮廓轨迹运动。当一个环槽内的月牙槽都切削结束后，移动A轴，使刀具移到下一个环槽的正前方。月牙槽的加工原理如图5所示。铣刀主轴由三相异步电动机带动，保持高速旋转，在轧辊环槽内沿着月牙槽的圆弧曲线进行切削，形成月牙槽。

图5 月牙槽加工原理

3 插补方法

圆弧曲线轮廓的加工，通常采用直线段逼近和圆弧段逼近2种方法［3］。这里采用直线段逼近。在确定插补方式的同时，需要确定插补步长。将月牙槽的圆弧AB分成180等份，每等份对应的中心角为 λ1，λ1= ω0/180，其中 ω0为圆弧 AB 的中心角。经计算，λ1＜1°，加工误差较小，符合产品加工要求。切削加工1个月牙槽时，共运行180步，每步对应的中心角步长为λ1。操作时，通过CNC点动A轴，使摆头回转中心在月牙槽的对称线上，移动Z轴，调整刀具伸出长度，使刀杆在摆动时，机床与轧辊不发生干涉。点动X轴和Z轴，使刀尖移到月牙槽切削起点A。测量刀尖到摆头回转中心的距离L，如图6所示。

图6 月牙槽加工参数

如此，切削1个月牙槽，X轴共运行180步，每步的转动角度大小不一，需要计算，但每步切削的圆弧段对应的中心角均为λ1，以角度α为运行参数，当X轴回转α角时，Y轴回转角度为η、Z轴移动δ。

图7 月牙槽工作角

4 数学模型

轧辊月牙槽的几何参数为环槽半径R、月牙槽半径r、月牙槽中心切深h和升角β。图6、图7中h，R，r，β均为轧辊图纸规定的尺寸。另外，轧辊直径D为已知条件，e为两圆的偏心距，可以计算出来。

a．月牙槽轴向长度l的计算。

通过平面几何计算，月牙槽轴向长度l为:

式中:e=R－r+h。

b．工作角θ的计算。

已知月牙槽的螺旋升角为β，则月牙槽在圆周上占有的长度近似为H，如图7所示:

相应的圆心角(即工作角)为θ:

c．坐标数学模型建立。

编程时，X轴为回转轴，其参数为刀具与水平方向的夹角α。Y轴绕轧辊中心线转动(工件回转)，其参数为工件转过的角度，其中θ为工作角，n为运行步数，如图7所示。Z轴为线性轴，其参数为刀具回转中心相对于初始位置的移动量δ。如此，编程时，每步刀尖运行终点的坐标值为(α，η，δ)。

当切削运行到第n步时(n=1～180)，X轴的角度α、Y轴的转角η和Z轴的移动量δ分别为:

5 宏程序编制

数控编程流程图是数学模型和加工工艺的反映，是指导编制宏程序的有效手段［4］。图8为加工一个月牙槽的宏程序编制流程。

图8 宏程序流程图

程序编制时，需要考虑结构与层次，使程序简短、可读性强。以下是螺纹钢直径为30mm、轧辊直径为400mm的月牙槽加工宏程序［5］。

00001

N10#101=15

//环槽半径R(规格参数)

N15#102=12

//月牙槽半径r

N20#103=3

//月牙槽切深h

N25#104=35

//月牙槽升角β

N30#105=400

//轧辊直径D

N35#106=320

//摆头回转中心到刀尖距离L

N40#110=#101－#102+#103

//e值计算

N45#111=2*SQR(#101*#101－#110/#110)/2)

//弦长l值计算

N50#112=ARCSIN(#111/#106/2) //ψ0值计算

N55#113=ARCSIN(#106*SIN(#112/#102)

//λ0值计算

N60#114=ARCSIN(#111/#102/2)

//ω0值计算

N65#115==#114/180

//λ1长计算

N70#116=114．59*#111*TAN(#104)/#105

//θ值计算

N75#120=1

//第一步(共180步)

N80#121=ARCSIN(#102*SIN(#113/#106+#120*#115/#106)

//ψ值计算

N85#122=#106*SIN(180－#113－#112)/SIN(#113)

N90#123=#102*SIN(180－#121－#113－#120*#115)/SIN(#121)

N95#124=#122－#123

//δ值计算

N100 G91 G54 G01 X［90－#121］Y［#120*#115］Z［#124］F0．3

//运行一个步长

N105#120=#120+1

//X增加一个角度步长

N110 IF［#120LQ#180］GOTO 80

//条件判断是否运行了180步，不满足则返回

N115 G00 Z0

N120 M05

N125 M30

6 结束语

宏程序编程是数控加工中必不可少的编程方法，掌握宏程序的编程原理，应用宏程序编程，可以方便地解决许多实际加工问题。该宏程序的开发，使较为复杂的轧辊月牙槽程序编写方便、易懂，已经在实际中得到了广泛的应用，具有比较高的实用价值。

［1］ 姜有胜．浅谈棒线轧辊的设计与制造［J］．甘肃冶金，2011，33(2):15－17．

［2］ 丁锦宏．数控技术在钢铁行业中的应用——KX9350数控月牙槽铣床［J］．中国制造业信息化，2006，35(7):60－61．

［3］ 许为民．数控加工中宏程序的应用［J］．机械制造与自动化，2007，36(5):56 －59．

［4］ 韩全立．宏程序在数控编程中的应用技巧及编程实例［J］．机床与液压，2010，38(12):29－32．

［5］ 顾京．数控机床加工程序编制［M］．北京:机械工业出版社，2006．