数控床车的几种椭圆加工方法

蔡康强

(佛山市三水区理工学校广东佛山528137)

在实际应用中，常会遇到各种各样的曲线形加工零件，其中椭圆形零件就是常见的一种二维轮廓工件，也是比较难以加工的工件。目前椭圆形零件的加工方法主要有:在普通车床上进行近似加工、设计专用加工装置进行加工、数控车床加工、特种加工等。

对于在数控车床上加工椭圆，需要针对不同系统数控车床采用适当的加工方法。有的系统可以用宏程序加工(如华中数控系统、法兰克数控系统)，有的系统可以直接用椭圆指令加工(如广数TDA)，有的系统可通过修改相关参数来配合椭圆加工(如广数980T)，多数系统都可以用比较方便的自动编程法加工。

下面以图1所示椭圆手柄为例，分别针对不同系统介绍宏程序法、椭圆指令法、参数修改法和自动编程法等数控车床的椭圆加工方法。

图1 椭圆手柄

1 宏程序法

用宏程序加工椭圆是较常用的方法，宏程序是提高数控机床性能的一种特殊功能。用宏程序的最大特点是可以对变量进行运算，使程序应用更加灵活、方便。虽然子程序对编制相同加工操作的程序非常有用，但用宏程序由于允许使用变量运算和逻辑运算及条件转移，使得编制相同加工操作的程序更方便、更容易。

由于轮廓表面为非圆曲线，无法采用常规的直线和圆弧指令进行编程。因此，可引入宏程序编程的方式进行曲线拟合编程。

该手柄椭圆段可用宏程序如下:

……

G01X0Z0 ；加工椭圆的起点

#1=0 ；设Z=#1为自变量，开始时要赋椭圆起点z值

WHILE#1GE［-30］；执行判断椭圆终点z值

#2=25/12.5*SQRT(12.5*12.5-#1*#1)；根据椭圆数学公式求X的值

G01X［2*#2］ Z［—25+#1］ ；转化为工件坐标并执行直线插补

#1=#1— 0.2 ；变量z自减

ENDW；返回WHILE语句

G01X13.871 Z—45.799 ；加工椭圆的终点坐标

……

该宏程序的原理是利用微直线插补轨迹逐渐逼近椭圆轮廓，每段直线插补的终点以z为自变量，根据椭圆数学公式求出x的值确定，自变量z每次自减量要根据情况设置适当，如果设置太大则走刀轨迹不够光滑逼真，如果设置太小则插补运算时间过长使加工太慢。

由宏程序的原理及特点可知，只要知道曲线的数学方程式，不但椭圆，理论上其他曲线都可以用宏程序的方法利用微直线插补轨迹逐渐逼近曲线的原理来加工。

2 指令法

该方法是指对于一些高性能数控机床，其本身自带椭圆插补指令，比如广州数控GSK-TDA等，这样加工椭圆就很方便了。

1)指令格式

G6.2 X(U)__Z(W)__A__B__Q__

G6.3 X(U)__Z(W)__A__B__Q__

2)指令说明

G6.2指令运动轨迹为从起点到终点的顺时针(后刀座坐标系)/逆时针(前刀座坐标系)椭圆；

G6.3指令运动轨迹为从起点到终点的逆时针(后刀座坐标系)/顺时针(前刀座坐标系)椭圆；

X(U)、Z(W):椭圆弧终点坐标；

A:椭圆长半轴长(0＜A＜=9 999.999mm，无符号)；

B:椭圆短半轴长(0＜B＜=9 999.999mm，无符号)；

Q:椭圆的长轴与坐标系的z轴的夹角(逆时针方向)，(单位:0.001度)；在右手直角笛卡尔坐标系中，从y轴的正方向俯视xz平面，z轴正方向绕顺时针方向旋转到与椭圆长轴重合时所经过的角度。

用椭圆指令编程如下:

……

G6.3X13.871Z—45.799A25B12.5Q0；或

G6.3U13.871W—45.799A25B12.5；

……

可见，用椭圆指令是非常方便的。

3 参数修改法

有的数控机床既没办法用宏程序加工椭圆，又没有椭圆插补指令，比如GSK—980T数控车床就属于这一类型车床。为了解决这个问题，可以用圆弧插补指令与修改机床系统相关参数的方法来达到加工椭圆。

在数学上，椭圆曲线与圆弧曲线之间有这样的关系:如果圆的一个轴向距离保持不变，而另一个轴向距离不管是增大还是缩小，此圆都会变成椭圆。另外，机械传动链节的有关参数如齿轮比、丝杠导程及脉冲当量等均以机床数据的形式存储在数控系统的存储器中，对控制系统而言，改变某一进给轴机床数据的数值相当于改变了机床机械传动链节相应部分的结构。

由此，利用GSK—980T数控车床本身的圆弧插补指令，再修改系统中的相关参数，即可实现轴方向的放大或压缩，完成圆到椭圆的变换，实现椭圆形零件的数控加工。

设定GSK—980T数控车床系统参数如下:

1)参数号015=1 x轴坐标的指令倍乘比；

2)参数号016=2 z轴坐标的指令倍乘比；

3)参数号022=3 800 x轴坐标快速移动速度，最大值为3 800；

4)参数号023=3 800 z轴坐标快速移动速度，最大值为7 600(此参数设定值缩小一倍主要原因是避免在加工的过程中出现快速移动速度超出最大范围)。

编写GSK—980T数控车床加工椭圆段程序如下:

……

N10G00X100Z100

N20M03S600

N30T0101

N40G00X50Z2；加工起点

N50G71U1R0.5

N60G71P70Q90U0.2W0F130

N70G00X0 ；粗车循环起点

N80G01Z0F100

N90G03X13.871Z—45.799R12.5；由于参数号016=2，所以在z轴方向上的进给量、进给速度增为编程值的2倍

N100M03S1500

N110G71P70Q90；椭圆精加工

……

应该说，参数修改法只能是加工椭圆段，加工不够连贯，效率较低，使用并不方便。

4 自动编程加工法

使用CAXA数控车XP软件对图1进行自动编程操作，具体步骤如下:

1)根据零件图进行二维造型，确定毛坯尺寸。

2)选择加工方法，设置参数，选择刀具。

3)根据加工方法确定零件轮廓及起刀点、退刀点。

4)生成刀轨，并进行验证和编辑。

5)根据所使用的数控系统，进行后置处理，即可生成数控加工程序。

6)把生成程序下载到数控车系统运行加工。

随着微电子、计算机软硬件技术、自动控制、机电一体化等技术的飞速发展，现代机械设计制造技术向着集成化、柔性化、一体化、网络化、智能化方向发展，计算机辅助设计制造技术日益强大，自动编程方法的功能越来越强大，应用越来越方便，特别是复杂零件的设计加工，将会更多的采用自动化技术。

5 结语

本文介绍的几种数控车椭圆编程加工方法各有特点，宏程序法通用性强、功能灵活，椭圆插补指令法使用方便但只有特殊机床才拥有椭圆指令，参数修改法可扩展功能，针对原来不具备椭圆加工的机床(如GSK-980T)进行适当扩展，但需改动部分机床数据，要求操作者具有相关专业知识。随着相关技术的发展进步，还会有更方便的曲线加工指令和方法，而且不但有椭圆加工指令，还有抛物线、双曲线等曲线加工指令，当然，最方便、综合功能最强的还是自动编程加工方法，自动编程越来越得到广泛应用，这使得数控车床的功能越来越强。

［1］华中数控机床使用手册.

［2］广州数控GSK-TDA使用手册.

［3］广州数控GSK-980T使用手册.

［4］刘晓初.一种在机床上加工椭圆零件的近似方法［J］.机械制造，1998.