圆柱表面二次曲线轮廓型腔四轴数控宏程序编程及VERICUT仿真加工

耿晓明，张德山

(1.安徽电子信息职业技术学院 机电工程学院，安徽 蚌埠 233030；2.蚌埠凯盛工程技术有限公司 机电设备厂，安徽 蚌埠 233000)

当前，CAD/CAM软件虽已广泛使用[1]，但程序只能由基本加工指令构成，程序冗长，占机床内存较大，加工调用往往需在线传输，存在传输指令滞后影响加工的风险.宏程序采用变量编程，是程序编制的高级形式[2]，可应用各种编程技巧，通过建立数学模型，利用数学关系的参数表达，设计走刀方式等，所得加工程序短小，程序占机床内存较小、调试方便、空刀较少，加工效率高.经生产反馈，对于中等难度的零件，使用宏程序加工速度要比CAD/CAM软件自动编程效率高[3].数控多轴加工时，因涉及数学计算，编程逻辑关系要求严谨，人工编程时对生产操作人员要求高，对宏程序运用的较少[4]，但宏程序编程因其编写程序的灵活性，在数控多轴加工中可发挥其优点，方便生产，可逐步推广使用.本文以圆柱表面二次曲线椭圆轮廓模腔四轴加工为例，采用宏程序编程进行多轴加工，并利用VERICUT软件，在虚拟状态下完成数控仿真加工验证程序，为多轴数控加工宏程序编程提供借鉴，对类似二次曲线及曲面均可采用，方便生产，提高实效.

1 圆柱表面椭圆曲线模腔零件

生产中，经常会在圆柱表面形成型腔结构，如型腔结构为二次曲线轮廓，为确保加工精度，则轮廓型腔将成为加工的难点.如图1所示，零件表面有一曲线型腔，该曲线为平面椭圆曲线缠绕在圆柱表面的空间曲线，曲线长轴与圆柱轴线方向一致，曲线轮廓沿圆柱表面法线方向内凹形成一模腔.零件具体参数：圆柱直径为80 mm，长200 mm，型腔轮廓曲线展开呈椭圆曲线，其长半轴长为45 mm，短半轴长为20 mm，型腔深度为5 mm，型腔侧壁走向沿圆柱表面法线方向.

图1 圆柱表面椭圆曲线模腔零件

2 数控宏程序编程分析

编程时，针对加工零件模腔结构特点，使用四轴联动的加工中心进行数控加工，可发挥多轴数控加工优势，提高加工精度和效率[5].为便于计算分析，可将该零件外表面展开至平面状态，零件表面轮廓曲线展开后为椭圆曲线，如图2所示，圆柱轴线方向可设置为水平方向并定义为X轴，纵向轴线设置为第4轴，即A轴，同时，纵向也是圆柱展开后其曲线上的点沿圆周方向所对应的弧长L.

图2 零件表面展开图

针对展开后的椭圆曲线型腔加工，利用变量进行数控宏程序编程，使编程高效、准确，椭圆型腔宏程序走刀轨迹如图3所示.

图3 零件表面展开型腔加工刀路轨迹

零件表面型腔加工编程时，采用四轴数控铣削模式.将零件轴线与机床X方向一致，加工时Y向数值不变，A轴与X轴联动，Z向采用分层铣削的方式进行编程加工.为方便计算，本例采用椭圆参数方程进行宏程序编程，参数方程为：

(1)

式中x为椭圆轮廓横向坐标；l为沿零件端面圆周方向对应弧长.

机床第4轴转角A与l之间满足如下关系式：

(2)

式中A为加工时第4轴回转角度.

利用(1)式及(2)式，将椭圆曲线上的点对应弧长l与第4轴A转角坐标建立关联，并利用变量转换进行宏程序编程.

3 数控宏程序编程

针对零件模腔，选用直径为6 mm的平底刀进行铣削加工，机床为凯恩帝数控系统，程序采用子程序的方式来完成编写.针对模腔轮廓结构，程序采用3次嵌套完成，编程逻辑思路如图4所示.

图4 程序编写逻辑图

机床加工时，可调整宏程序变量的初始值及变量的增幅大小，机动调整加工参数.本例只完成轮廓模腔粗加工部分的程序编写，精加工可参考粗加工程序适当调整，程序主要内容见表1.

表1 零件数控加工宏程序

4 基于VERICUT软件数控加工仿真

为验证程序，确保机床实际加工的安全，一般会采用软件仿真或机床空切来验证编程轨迹的正确性[6].VERICUT软件具有强大的仿真能力，仿真效果如同真实机床一般，对错误程序能精确定位，方便修改和编辑[7].利用VERICUT软件可根据实际机床结构在虚拟环境下构建出仿真机床，也可利用其他CAD软件进行建模导入[8].在VERICUT仿真环境下，可进行多轴、多工位更换机床的零件仿真加工，实现零件的虚拟切削NC程序验证、程序路径优化及接口模块等多种功能，为实际加工提供保障[9].

加工零件所用虚拟机床如图5所示，该机床是VERICUT软件中建立的四轴机床模型[10],为立式四轴数控机床，选用凯恩蒂K2000MC4i数控系统.

图5 四轴仿真机床

加工时，零件毛坯采用四轴回转卡盘装夹.虚拟机床及夹具完全按实际结构及尺寸构建，刀具选用φ6 mm×80 mm的立铣刀，零件毛坯为φ80 mm×200 mm，利用刀尖对刀，程序原点采用G54设置，将主程序及子程序分别导入软件机床程序位置.程序运行仿真切削结果如图6所示，加工过程刀具空切程序少，用时较短，效果良好.

图6 仿真加工结果

5 结 论

本文介绍了圆柱形零件表面椭圆轮廓型腔采用数控四轴机床，利用变量进行宏程序编程，并用VERICUT软件进行仿真加工的方法，通过本次宏程序编程与加工，得到如下结论：

(1)多轴宏程序编程的关键是针对加工部位的结构特点进行数理分析，可利用参数方程进行数控宏程序编程.圆柱表面模腔轮廓曲线展开后为二次曲线，生产中根据实际轮廓采用宏程序进行数控编程，通过对程序变量参数调整可获得粗、精加工程序，利用四轴数控机床完成加工.

(2)四轴数控加工宏程序编程思路为：首先将空间曲线展开成平面曲线，在展开图中分析旋转轴与曲线对应坐标轴之间的关联性；再进行编程，利用X轴及A轴联动，采用参数变量，将模腔加工转换为两轴定轴加工的宏程序编程，作为程序最内部嵌套；接着利用曲线自身各轴间的关联性完成宏程序编程的第2层嵌套编程；最后利用Z向分层铣削完成宏程序编程的第3层嵌套，实现宏程序的编程及零件加工.