不均勻毛坯數(shù)控車削工步規(guī)劃與數(shù)據(jù)存儲

      工藝規(guī)劃是數(shù)控車削編程中的重要環(huán)節(jié)。合理的規(guī)劃可以有效提高生產(chǎn)效率，提高零件表面質(zhì)量。目前，常規(guī)零件的數(shù)控車削工藝規(guī)劃方法已經(jīng)研究得較多日較成熟，并且開發(fā)了相應(yīng)的CAM軟件系統(tǒng)，為數(shù)控自動(dòng)編程提供了有力的工具。
但是，在車削編程中存在一類零件，其特點(diǎn)是斷面輪廓復(fù)雜，日毛坯尺寸大小不一。這是由于我國的機(jī)械加工設(shè)備相對落后，軋制的毛坯精度較低造成的。此時(shí)，通常按照最大毛坯尺寸編程，其結(jié)果是出現(xiàn)空切，加工效率降低。數(shù)控車削工藝規(guī)劃的目標(biāo)是追求單件工時(shí)-最短(高生產(chǎn)率)或加工成木最低，邊界約束條件是無幾何干涉和工藝干涉.
因此，在具有切削力檢測功能的數(shù)控系統(tǒng)中，對于毛坯制造誤差大的工件的數(shù)控加工，可以采用切削力傳感器在線測量毛坯的加工余量，根據(jù)加工余量來確定何個(gè)車輪不同部位的切削工藝參數(shù)(切削厚度、走刀次數(shù)等)，這樣可以針對不同的毛坯加工時(shí)采用不同的走刀方法，從而節(jié)約加工時(shí)間。本文擬以火車車輪的數(shù)控車削為例，述大散差回轉(zhuǎn)體零件車削加工時(shí)加工余量在線測量的原理、測量方法以及刀具軌跡生成方法，并討論進(jìn)給量和切削速度的確定方法。
1毛坯加工余量在線測量
       圖1為某規(guī)格火車輪的半剖圖，由于毛坯是采用熱軋方法制作，毛坯尺寸大小不均，故加工余量不均勻，可采用毛坯加工余量在線測量的方法確定走刀次數(shù)和何刀的切削深度。

1.1 測量原理
        加工余量在線測量需要利用數(shù)控系統(tǒng)的切削力檢測功能。力檢測系統(tǒng)安裝在刀架上，其核心是測力傳感器，可把力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并通過串口通信協(xié)議傳輸?shù)紺NC中。在該傳感器中可以預(yù)設(shè)一門檻值(通常設(shè)置為車輪材料鉻錳鋼的屈服極限值σs)。當(dāng)?shù)毒吆凸ぜ�接觸并開始切削時(shí)，切削力突然增加，當(dāng)切削力達(dá)到設(shè)定的門檻值時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)將自動(dòng)結(jié)束當(dāng)前測量程序段的切削，并記下刀具當(dāng)前位置的X和Z坐標(biāo)值，經(jīng)過計(jì)算得到某一位的余量，存入數(shù)控系統(tǒng)。從表象上看，刀具一接觸到工件即退刀，即在一個(gè)測量點(diǎn)測量時(shí)僅切一刀。
1.2 測量的方法
由加工余量測量原理可知，測量時(shí)刀具沿工件加工ICI的法向切入。圖2是加工余量在線測量不怠圖。圖中，A(x,y)點(diǎn)為規(guī)劃的測量點(diǎn)，刀具半徑為 R，測量切入時(shí)刀具沿工件表ICI的法向切入，可以不算出圖中所T的切削余量的單位法矢量n,其方向與圖中測量切入段矢量EA方向相反。設(shè)θ為進(jìn)刀方向與水平線的夾角，則n= (cos, sinθ ) 。

設(shè)刀尖和工件接觸時(shí)刀具中心X向半徑坐標(biāo)為R601，則精加工輪廓上的點(diǎn)A與刀心O的距離AO=(R601-X)/cosθ

總切削余量ttotal = A0- R = (R601-x ) / cosθ -R，設(shè)精加工余量為t,，則由總余量可計(jì)算得粗加工余量t = ttotal – tr =(R601-x)/cosθ-R-tr。
已知加工余量為ttotal，進(jìn)刀軌跡為D→E→0，退刀軌跡為O→F→G。設(shè)允許最大切深為tmax，則粗加工循環(huán)次數(shù)N為

式中的符號“[]”表不向上取整。實(shí)際編程時(shí)何刀的切削深度為treal,=t/N。將成品輪廓沿法向先平移t r距離，再平移N次，何次平移距離為treal，可以獲得刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。
1.3余量測量走刀規(guī)劃
測量過程工藝規(guī)劃包括測量點(diǎn)的確定、測量切入段規(guī)劃和測量切出段規(guī)劃。為了保證加工余量測量的正確性，在測量切入段時(shí)，必須保證刀具沿零件表面的法線方向切入工件。
2 加工過程規(guī)劃
2.1 切入段和切出段規(guī)劃
加工不同工件時(shí)，刀具切入切出方式可能不同，常見的切入切出方向有法向、切向和斜向，可以根據(jù)待加工表面的起始位置、終止位置和相鄰表面的幾何形狀確定。合理地規(guī)劃切入切出方向，可以防止或減輕刀具切入、切出工件時(shí)一的沖擊。
2.2 切削段規(guī)劃
毛坯制造精度低(例如，加工余量大，偏心大，曲率大或余量不均勻等)的工件當(dāng)數(shù)控加工時(shí)，若按常規(guī)方法加工可能會(huì)損壞刀具甚至無法加工。這種情況下，可采用幾種特殊類型的加工方法。
(1)變進(jìn)給量切削:當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)入切入段后，逐漸提高進(jìn)給量。當(dāng)毛坯偏心較大時(shí)一采用該方法。
(2)工步交叉切削:當(dāng)前工步走完某一刀后，轉(zhuǎn)而跳到下一工步進(jìn)行切削，走完下一工步的一刀后，再繼續(xù)完成當(dāng)前工步未完成的走刀，如此反復(fù)。該方法卞要用十工件輪廓曲率較大而日加工余量不均勻處的加工。
(3)多次走刀切削:多次走刀時(shí)一，刀具切入點(diǎn)、切出點(diǎn)位置可變，以防止刀具在切入點(diǎn)或在切出點(diǎn)處刀具包容量過大而發(fā)生過切現(xiàn)象。當(dāng)某一部位加工余量特別大時(shí)一采用該方法。
(4)恒線速度切削:例如切削輻板時(shí)一，若卞軸轉(zhuǎn)速不變，則在整個(gè)刀具路徑行程中，切削速度變化很大。采用恒線速度切削是理想的方案。
圖3是采用上述工步規(guī)劃原則和規(guī)劃方法對K860B型車輪進(jìn)行規(guī)劃的結(jié)果。圖中，虛線為進(jìn)退刀軌跡。"1010"等數(shù)據(jù)為當(dāng)前工步標(biāo)識碼。


2.3進(jìn)給量的選擇和切削速度的確定
進(jìn)給量通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。粗加工時(shí)，根據(jù)加工材料、車刀刀桿尺寸、工件直徑和何刀切深來選擇進(jìn)給量。半精加工和精加工時(shí)，按粗糙度要求，根據(jù)工件材料、刀尖圓弧半徑和切削速度等選擇進(jìn)給量。切削速度通常也根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。粗車時(shí)常選擇較低的切削速度，精車時(shí)可選擇較高的切削速度。此外，還要綜合考慮材料的加工性能、刀具的切削性能、工況等因素確定合理的切削速度。
3 加工規(guī)劃數(shù)據(jù)存儲
工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)存儲分為三個(gè)步驟:單個(gè)工步數(shù)據(jù)的存儲、工步間的數(shù)據(jù)存儲、工步數(shù)據(jù)的集成存儲。
3.1 單個(gè)工步數(shù)據(jù)的存儲
工藝規(guī)劃過程是以人機(jī)圖形交互方式進(jìn)行的，工步是加工規(guī)劃和數(shù)據(jù)存取的基木單兒，何個(gè)工步數(shù)據(jù)由刀具數(shù)據(jù)和切削工藝數(shù)據(jù)兩個(gè)部分構(gòu)成。刀具數(shù)據(jù)包括刀號、刀具補(bǔ)償方式等;切削工藝數(shù)據(jù)包括切削參數(shù)、切入段、切削段、切出段、工步交叉等信息。何個(gè)工步的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:

由于工步數(shù)據(jù)量大，采用結(jié)構(gòu)來記錄這些信息可以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系。
3.2 工步間的數(shù)據(jù)存儲
每個(gè)工序是由若干個(gè)工步組成，規(guī)劃后的工步數(shù)據(jù)隨時(shí)可能修改，這就要求這些數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)能夠方便地實(shí)現(xiàn)工步的添加、修改、刪除、左右刀架工步的對調(diào)等任務(wù)。利用雙向鏈表存儲這些數(shù)據(jù)，可以確保加工規(guī)劃過程有足夠的靈活性。
在雙向鏈表的結(jié)點(diǎn)中有兩個(gè)指針域，其一指向直接后繼，另一個(gè)指向直接前趨。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下:

3.3 工步數(shù)據(jù)的集成存儲
擴(kuò)展數(shù)據(jù)段是CAD平臺提供的自定義數(shù)據(jù)格式，借助它可以很方便地在實(shí)體中按不同的需求分門別類地存取不同的數(shù)據(jù)(包括圖形數(shù)據(jù)和非圖形數(shù)據(jù))。集成產(chǎn)品模型中的任何兒素均可追加輔助數(shù)據(jù)，作為屬性數(shù)據(jù)或?qū)傩赃B接數(shù)據(jù)加以引用。

例如，線串、多邊形和曲線在設(shè)計(jì)時(shí)表現(xiàn)形式是相似的，頭信息后面是頂點(diǎn)的數(shù)目，再后面是何個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)。這些類型在單個(gè)兒素中出現(xiàn)次數(shù)是有限的。多邊形與線串的不同點(diǎn)在十多邊形的第一個(gè)頂點(diǎn)與最后一個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)必須相同。對于曲線，頂點(diǎn)集合的開始與末尾處有兩個(gè)“額外”的點(diǎn)，用十確定端點(diǎn)的曲率。擴(kuò)展實(shí)體數(shù)據(jù)是在常規(guī)的圖形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上增加按一系列分類代碼組合而成的數(shù)據(jù)塊，已與常規(guī)數(shù)據(jù)一起構(gòu)成內(nèi)容更加一泛的實(shí)體數(shù)據(jù)。由十不同的應(yīng)用場合要求存取不同的數(shù)據(jù)，因此擴(kuò)展實(shí)體數(shù)據(jù)按應(yīng)用類型分組，形式如下:

4 結(jié)論
本文闡述了尺寸不均勻的毛坯在車削工藝規(guī)劃中加工余量的在線測量方法、工藝規(guī)劃方法及規(guī)劃數(shù)據(jù)的存儲方法，其實(shí)質(zhì)是改變毛坯單一固定切削用量的加工方法，而采用變切削次數(shù)和變切削用量的方法，實(shí)現(xiàn)對不同的毛坯采用不同的走刀方法，從而有效提高加工效率。使用的雙鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲各工步數(shù)據(jù)，并使用擴(kuò)展數(shù)據(jù)段將雙鏈表結(jié)構(gòu)的工步數(shù)據(jù)表追加到數(shù)控加工模型中，有利十提高數(shù)控編程后處理中代碼的簡潔性和高效性。