宏程序在非圆曲线轮廓车削加工中的应用

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数控车床主要用于加工各种轴类、盘套类等回转体类零件 。对于圆柱面、圆锥面、圆弧 面、球面等的加工 ，均可利用直线插补或 圆弧插补指令完成 ，而对于椭圆、抛物线、双曲线等-些非圆曲线类零件加工，目前大多数数控系统不具备非圆曲线的插补功能 ，无法直接实现插补 ，手工编程和加工起来具有很大的难度。对于上述各种复杂成形 面，利用 CAM 软件自动编程相对简单，但工作量大、程序庞大、加工参数不易修改。运用宏程序强大的参数化(变量)编程功能，可使传统加工中难以加工的非圆曲线类曲面零件的问题将得到很好的解决。

1 宏程序功能特点宏程序具有强大的参数编程功能 ，同时具有计算 、赋值、选择 、跳转及循环等功能。在编制 程序 过程中，可以用参数代替具体的数值，通过宏程序的转移和循环指令实现变量之间的数值计算。使用不同的函数关系，可以使程序适应多种典型方程曲线轮廓。宏程序适合数控系统没有相应插补指令的曲线编程，如抛物线、椭圆、双曲线等；还适合于形状类似 ，只是尺寸不同的系列零件的编程 ；同样适合于工艺路径-样，只是位置数据不同的系列零件的编程。

在加工此类型零件时 ，只需将实 际的值赋予变量 即可 ，而不需对 每个零件 都编- 个程序 ，从而 简化编程 ，提高通用性。宏程序编程应用灵 活、形式 自由、程序简单易懂，通用性好，加工效率高，是手工编程的重要补充，能够扩展数控机床的使用范围，在实际生产实践中有着广泛的应用。

2 非圆曲线轮廓车削加工编程思路2.1 车削非圆曲线的走刀路线设计作为常见的数控系统只具备直线插补和圆弧插补算法，而对于非圆曲线类特殊轮廓零件的加工，需要通过-定的数学处理。数学处理 的方法是编程前根据容差要求采用拟合法 ，即用若 干个微小直线段或圆弧段进行分段拟合非圆曲线。拟合线段与被加工的轮廓曲线的交点称为节点，各几何要素之间的连接点称为基点。如图 1所示。

采用直线段或 圆弧段去拟合非 圆曲线 ，关键点是求出各节点的坐标≮点的坐标手工计算要借助方程组求解，比较繁琐，若借助宏程序的运算、转移和循环指令处理，节点的坐标计算工作交由数控系收稿日期：2012-11-11；修回日期：2013-01-05作者简介：王西建(1979-)男，陕西汉中人，河南质量工程职业学院机电工程系讲师，工学硕士，主要从事数控加工方面的研究及教学丁作(E-mail)happywangx ian###126.eora。

2013年7月 王西建，等：宏程序在非圆曲线轮廓车削加工中的应用 ·111·统来完成，求得各节点坐标后就可按照相邻两节点间的直线段或圆弧段来编写加工程序进行拟合。如果分段足够小 ，则这个拟合 的近似 曲线 就能够较好地满足加工精度的要求。

图 1 实际加工轨迹拟合理论非 圆曲线轮 廓2.2 车削非圆曲线轮廓宏程序编制过程(1)选择自变量，建立非圆曲线坐标点表达式分析待加工零件的曲线轮廓特征，建立曲线相应的数学模型表达式，根据工件坐标系做适当的参数变换 ，必要 时进行 坐标变换。然后 选择合适 的 自变量 ，来表示 曲线上各 关键点 的坐标表达式 。这-点在宏程序编制过程中尤为重要。-般根据非 圆曲线坐标表达式 ，确定 z(或 )作 为 自变量 ， (或 z)作为 z(或 X)的函数。也可以利用非圆曲线 的参数方程的坐标表达式 ，以参数作为 自变量 ， 和 z作为参数的函数 。

(2)选择拟合方式和确定自变量步距选择拟合方式，即选择采用直线段还是圆弧段去拟合非圆 曲线。确定 自变量步距时 ，-般 根据所用机床性能和工艺装 备 ，确定满足加 工精度 的要求的关键点坐标 ，从而计 算 出 自变量 的步距 。步距取值大，轮廓表面的拟合误差也大 。步距取值小 ，拟合误差小，但是加工效率低。-般情况下在 z向或向分段 ，步距 取 0.05～0.2mm，以参数 角度分段 时，步距角取 0.1。～O.5。。

(3)变量赋值和终点判别给定(或计算)自变量的初值与加工终点值，机床每移动-个步距后 ，自变量递变 ，根据终点判别条件 ，与加工终点值做 比较判别 ，当条件不满足 即未加工到非 圆曲线终点 时 ，执行新步距 。当条件满足即到达加 工终点 时，非 圆曲线轮廓段加工完成。

(4)设计非 圆曲线轮廓数控加工流程图数控加工流程图是加工工艺 的反 映 ，是编 制宏程序不可缺少的步骤，拟定时根据加工工艺应尽量反复推敲、优化合并。图2是非 圆曲线轮廓数控加工流程 图。

图 2 非圆曲线轮廓数控加 工流程图3 非圆曲线轮廓的宏程序应用实例下面以FANUCOi系统数控车床为例，具体分析如何应用宏程序来加工非圆曲线轮廓。如图 3所示零件轮廓含抛物线 、椭 圆、正弦 曲线 。工件原点设在工件右端面与轴线的交点处。对于抛物线段，以 z作为自变量，变化范围为(0--10)，步长取 0.Imm；对于椭圆曲线段 ，以其参 数方程起始角 0为 自变量 ，变化范围为(0～-180。)，步距角取 0.1。；对于正弦曲线段 ，变化总角度为 720。(-90。--630。)，Z方向长40mm，将其分成 1000条线段 ，以正弦曲线起始角 和z坐标为自变量 ，步距角取 0.72。，步长取 0.04。

- l： 正弦曲线 牛 Ⅱ口15.o 610.0 ，(、/，)图 3 非圆曲线零件 图根据粗车复合循环指令 的特点 ，把宏程序 与粗车复合循环 指令结 合起来 ，从 右至左、从近 至远加工。先用粗车固定循环指令粗车抛物线、椭圆、圆柱面、正弦曲线轮廓后 ，再进行精加工。用车削复合循环指令编写宏程 序时 ，是在精车程序段 中给变 量赋值、进行数学运算和执行循环语句的，采用直线拟合法，使得编程更直观、快捷、简便且精简了程序内容，提高了编程效率。加工程序和说明如下。数控仿真加工验证结果见 图4。

图 4 机床加工结果O1111；/程序号T0101M03S500；/调用 l号刀 l号刀补 ，主轴起动 ；G00X45.0Z2.0M08；/快速点定位，切削液开；G71U1.0R2.0；/调用粗车复合循环；G71PlOQ2OOUO.25woF0.3；/留精加工余量0.25；N1OG00G42xOz2.0；/快速定位到起刀点，建立刀尖圆弧半径补偿 ；#101：0；/取抛物线 z坐标为自变量 ，赋初值0；#102-10.0；/抛物线 z坐标终点 值；WHILE[#101GE#102]DO1；/如果#101≥#102循环 1继续 ；G01x[SQRT[-40.0$#101]]z[#i01]F100；/直线拟合抛物线段 ；#101#101-0.O1；/自变量递减 ：END1；/循环 1结束，抛物线段加工完毕；#l03-90.0；/取椭圆参数方程起始角0为自变量，赋初值；#104-180.0；/椭圆参数方程终止角；WHILE[#103GE#104]DO2；/如果#103≥#104循环 2继续；GO1X[40.02.0 10.0 SIN[#103]]z15.0 COSf#103]-10.0]；/直线拟合椭圆曲线段 ：#103#103-0.5；/自变量递减；END2；/循环 2结束，椭圆曲线段加工完毕：G01W -5.0；/加工 qb40圆柱段至正弦 曲线右起点 ；#10590.0；/取正弦曲线起始角 B为自变量，赋初值；#106-30.0；/取正弦曲线 z坐标为 自变量，赋初值 ；#107-630.0；/正弦曲线终止始角：WHILE[#105GE#107]DO3；/如果#105≥#107，循环 3继续； (下转第 114页)· l 14· 组合机床与自动化加工技术 第 7期整个实验过程 中出现 的现象分析 比较 ，抛 光盘转速为 60rpm时 ，抛 光表面质 量较好 、材 料去 除效率较大 ，综合抛光效果好。

2.4 晶片表面初始状况工件不同的初始表面状况对抛光效果有着不可忽视的影响。-般情况下 ，初始表面缺 陷和表 面粗糙度较大时，抛光时材料去除率会有所提高 ，但工件最终抛光表面粗糙度相应会较大，如图5。因此，良好的预加工对成品的质量有重要影响。

不同工件表面状态(a)表面粗糙度Rn(压力7.25kPa；平绒布(含毛40%)新抛光垫 ； 60rpm；T20%。)图 5 表面初始状态与抛光表 面粗糙度和去 除率的关 系3 结论通过对 LiTaO 晶片 CMP过程晶片表面粗糙度和材料去除率的实验研究，得出以下结论。要想获得 LiTaO 晶片超精密表面，可首先采用沥青和平绒布抛光垫对其进行粗抛和精抛，由较大的材料去除率获得较快的加工效率 ，抛光时间以 60分钟左右为宜 ，为终抛做好准备 ；然后采用无纺布 (抛光垫 )进行终抛 ，从而获得 良好的综合抛光效果。新抛光垫去除率较低 ；使用-定时间的旧抛光垫加工效率较高 ，抛光表面也较光滑。在浙江工业大学研制的修正环型超精密抛光机上 ，对 LiTaO 晶片进行化学机械抛光得到了理想工艺参数：抛光压力为 7.25kPa，抛光盘转速为 60rpm时，此参数下材料去除率、表面粗糙度综合效果较好。