數(shù)控宏程序在二次曲面零件成形中的應(yīng)用*

李啟璘, 楊鈺彬

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引言

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，目前零件的加工多數(shù)由數(shù)控機(jī)床來完成，而數(shù)控機(jī)床需由對應(yīng)的數(shù)控編程代碼來控制。編程可以采用手工編程也可以采用自動(dòng)編程，由于手工編程自身的局限性，現(xiàn)代制造業(yè)中較少使用，而多數(shù)依賴于軟件自動(dòng)編程。在軟件自動(dòng)編程中，對于某些簡單曲線曲面類零件的加工，所生成的程序會非常冗長，造成實(shí)際加工效率的降低，若通過宏程序編程，可以有效地避免這一現(xiàn)象，從而提高生產(chǎn)效率。而且宏程序可以通過對變量賦值來進(jìn)行變量運(yùn)算，程序可以通過語句跳轉(zhuǎn)。編制完的宏程序可以固化到數(shù)控系統(tǒng)中，可以使用固定的G代碼、M代碼和T代碼來調(diào)用固定的宏程序，因此宏程序功能是用戶提高數(shù)控機(jī)床加工性能的一種特殊功能，特別適合于二次曲線曲面類零件、相似類零件、特殊結(jié)構(gòu)及孔系類零件的編程加工，且有事半功倍的效果。不少數(shù)控機(jī)床(如德瑪吉)，其操作面板上就有宏程序模塊，用以實(shí)現(xiàn)對特定形狀零件的編程與切削加工，方便工人修改參數(shù)，以簡化編程與提高生產(chǎn)效率，有些編程人員則根據(jù)零件的特殊結(jié)構(gòu)編制系列零件的宏程序，存入機(jī)床中，隨需調(diào)用，方便與簡化了編程工作。

1 數(shù)控宏程序編程及適用的零件

1.1 數(shù)控宏程序編程的基本特征

普通編程中使用常量，常量之間無法運(yùn)算，程序按順序執(zhí)行無法實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，宏程序編程與普通編程相比具有如下特征：

(1) 使用變量。在宏程序編程中可以使用變量，使程序段具有通用性，只改變變量即可對同類型不同尺寸的零件編程，同時(shí)可對變量賦值，而不用改動(dòng)程序結(jié)構(gòu)。

(2) 變量之間進(jìn)行運(yùn)算。宏程序中的變量可進(jìn)行四則運(yùn)算和算術(shù)邏輯運(yùn)算，從而可以加工非圓曲線和曲面。

(3) 宏程序可執(zhí)行跳轉(zhuǎn)。宏程序中可運(yùn)用跳轉(zhuǎn)語句控制程序執(zhí)行順序，其子程序的編制方式與C程序類似。

1.2 數(shù)控宏程序的優(yōu)點(diǎn)

(1) 簡潔性。自動(dòng)編程自動(dòng)生成的程序一般由基本指令構(gòu)成，大多帶有小數(shù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，程序段長度相對較長，占用空間大且難以判斷和查找錯(cuò)誤，而宏程序編制的程序大多短小精悍，而且容易糾正錯(cuò)誤。

(2) 多樣性。對于同一類型不同尺寸的零件，只需改變變量，可以用同一個(gè)宏程序加工，對于橢圓雙曲線等非圓外形的加工，通過宏程序可以用微小的線段進(jìn)行擬合加工，從而得到滿足精度要求的非圓曲線或曲面，通過輸入已知條件，利用數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算曲線各點(diǎn)坐標(biāo)并進(jìn)行擬合加工，可以減少人為失誤，提高數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算能力，降低了編程難度。

1.3 適合用數(shù)控宏程序編程與加工的零件

實(shí)際中的零件多種多樣，既有簡單的平面、孔系類零件，又有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的曲線曲面類零件，還有一類是二次曲線曲面類零件。對于不太復(fù)雜的平面類、孔系類零件在實(shí)際編程與加工中，可以通過手寫程序的方式方便快捷地對零件進(jìn)行編程與加工，對于復(fù)雜曲線曲面類零件的數(shù)控加工往往使用CAD/CAM軟件進(jìn)行仿真與編程。而實(shí)際生活中常見的一些二次曲線曲面類零件加工，用簡單的手工編程比較難實(shí)現(xiàn)，用CAD/CAM軟件則顯得有些復(fù)雜。雖然軟件編程對于二次曲面類的零件來說是很容易實(shí)現(xiàn)的事，但是軟件編程所產(chǎn)生的程序程序段太多，太過冗長，造成加工時(shí)間及效率的降低。數(shù)控宏程序則可以兼顧兩個(gè)方面的不足，既可以與手工編程結(jié)合，又可以根據(jù)二次曲線曲面零件的方程特點(diǎn)，編寫出既簡單又適用于曲線曲面零件的數(shù)控加工程序，所以對于二次曲線曲面類零件的數(shù)控編程與加工使用數(shù)控宏程序編程是非常行之有效的方式之一。

2 二次曲線曲面類零件介紹

二次曲面類零件既有回轉(zhuǎn)體零件，也有非回轉(zhuǎn)體零件?；剞D(zhuǎn)體零件大多是由規(guī)則二次曲線形成的母線繞著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而成的零件，這類零件大多都可以通過數(shù)控車床加工成形。非回轉(zhuǎn)體零件是在平面或者空間內(nèi)由二次曲線或者曲面形成的零件。不管那一類零件，只要知道了構(gòu)成零件的曲線方程，用數(shù)控宏程序編寫數(shù)控加工代碼，就可以形成簡單又快捷的數(shù)控加工程序。

2.1 二次曲面類零件

二次曲面類零件最常見的是回轉(zhuǎn)類零件，是由二次曲線繞回轉(zhuǎn)軸形成的，此類零件通常用標(biāo)準(zhǔn)方程或者參數(shù)方程進(jìn)行描述，以橢圓類零件為例，有正橢圓與斜橢圓之分。

正橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程為：

其中：a、b分別為橢圓的長半軸和短半軸。

正橢圓參數(shù)方程為：

其中：t為圓心角。

當(dāng)正橢圓方程繞中心旋轉(zhuǎn)φ角度，經(jīng)過推導(dǎo)轉(zhuǎn)換得到機(jī)床坐標(biāo)系下的斜橢圓參數(shù)方程：

由參數(shù)方程可推導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)方程，因此旋轉(zhuǎn)橢圓曲線也可用標(biāo)準(zhǔn)方程表示。

與橢圓方程一樣，橢圓類零件的宏程序編程方法也有兩種，分別為標(biāo)準(zhǔn)方程編程和參數(shù)方程編程。

非回轉(zhuǎn)體橢圓類零件方程與上述方程類似，只是坐標(biāo)軸換成了X與Y軸，編程與加工是按照銑削進(jìn)行的。

雙曲類及拋物類零件方程與橢圓類類似，通常也用標(biāo)準(zhǔn)方程與參數(shù)方程來描述零件形狀。宏程序編程也與橢圓相似，主要是判斷雙曲線或者拋物線在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置。

圖1為日常生活中常見到的二次曲面類零件。這些零件中，對于實(shí)體類的旋轉(zhuǎn)件(如圖1(a)所示)，通過數(shù)控車床精密車削加工便可獲得最終的加工結(jié)果；對于薄壁類的旋轉(zhuǎn)件，大多是需要旋壓成型(如圖1(b)所示)或者液壓脹形(如圖1(c)所示)來實(shí)現(xiàn)。對于旋壓成型或者脹形零件需要在旋壓機(jī)或者脹形機(jī)上實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)旋壓或脹形的關(guān)鍵部分是與零件形狀相一致的芯模，這些芯模制造是通過數(shù)控加工來實(shí)現(xiàn)的。所以這些二次曲面類零件的模具加工可以通過編制數(shù)控宏程序在數(shù)控車床或者數(shù)控銑床上進(jìn)行加工實(shí)現(xiàn)，而宏程序的使用不但能大大縮短程序，更能極大地提高加工效率。

2.2 復(fù)合類零件

在實(shí)際中，除了完整二次曲線構(gòu)成的零件外，還有不少是含有二次曲線段的零件，或者是由不同二次曲線段組成的零件，如圖2所示的噴嘴零件，是由雙曲線、拋物線、直線、橢圓等不同曲線構(gòu)成。

圖1 二次曲面類零件

圖2 噴嘴零件

當(dāng)加工這類零件時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)方程編程與完整二次標(biāo)準(zhǔn)方程編程方法一樣，利用參數(shù)方程編程時(shí)，應(yīng)注意加工起點(diǎn)及終點(diǎn)的離心角。

3 二次曲面零件數(shù)控宏程序編制與加工實(shí)例

圖1中所示二次曲面類零件在日常生活中很常見，這類零件的成形或者加工具有一定的代表性，成形過程常采用車削、脹形或者旋壓方式。下面以燈罩(如圖1(b)所示)為例介紹這類零件的成形過程。

一般情況下，燈罩采用旋壓方式成形，所謂旋壓也就是借助旋壓棒或旋輪、壓頭對隨旋壓模轉(zhuǎn)動(dòng)的板料或空心毛坯做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)并旋壓的過程，其成型原理如圖3所示。旋壓模4和毛坯1接觸使其直徑尺寸改變，逐漸成形為薄壁空心回轉(zhuǎn)件(由頂桿2定壓在旋壓模4上)隨著卡盤5一起旋轉(zhuǎn)，旋壓棒3沿徑向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，對毛坯或者板料1進(jìn)行施力旋壓，最后形成與旋壓模4外形一致的旋轉(zhuǎn)薄壁件燈罩。燈罩零件的形狀主要依賴于旋壓模的形狀，該旋壓模采用車削加工而成。

旋壓模車削程序的編制依據(jù)燈罩零件形狀及其構(gòu)成的二次曲線，燈罩零件圖如圖4所示，其中的母線為部分橢圓與拋物線相切所得，母線繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)生成二次曲面。旋壓模數(shù)控加工部分宏程序編制如下：

……

#1=30//橢圓長半軸a賦值

#2=20//橢圓短半軸b賦值

#3=20//起點(diǎn)與橢圓中心z向距離賦值

#4=0//終點(diǎn)與橢圓中心z向距離賦值

#5=0.1//增量

#6=0//拋物線起點(diǎn)賦值

#7=-64.8//拋物線終點(diǎn)賦值

#8=20//拋物線頂點(diǎn)距原點(diǎn)z向距離

#9=30//拋物線頂點(diǎn)距原點(diǎn)x值

WHILE[#3GE#4]DO1//加工條件判定

#10=#2*SQRT[1-[#3*#3]/[#1*#1]]// 計(jì)算x值

G01X[2*#10]Z[#3-6]// 直線插補(bǔ)逼近曲線

#3=#3-#5// 增量循環(huán)，z值遞減

......

WHILE[#6GE#7]DO2//循環(huán)判定

#11=13*#6*#6-6//計(jì)算拋物線x值

G01X[2*[#11+#9]]Z[#6-#8]// 直線插補(bǔ)逼近曲線

#6=#6-#8// z值遞減

END2//循環(huán)結(jié)束

……

圖3 燈罩旋壓成型原理

宏程序驗(yàn)證試切加工結(jié)果如圖5所示。

4 總結(jié)

本文通過對數(shù)控宏程序及其特點(diǎn)的研究、適合用數(shù)控宏程序加工零件的介紹、二次曲線曲面類零件的特殊性及應(yīng)用和加工成形現(xiàn)狀分析，找到該類零件的成形及宏程序編程規(guī)律，并利用宏程序?qū)Χ吻骖惲慵M(jìn)行了編程與模擬加工，證明了利用宏程序編程能大大縮減程序長度，提高編程及加工效率以及宏程序在特定零件編程與加工中的重要性。然而宏程序在

實(shí)際應(yīng)用中還有更大的應(yīng)用空間，對于更加復(fù)雜的零件，只要找到相應(yīng)的編程加工規(guī)律，宏程序的優(yōu)勢會更好地體現(xiàn)出來。

圖4燈罩零件圖圖5燈罩旋壓模試切結(jié)果