刘刚 谭伟
航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司 辽宁 沈阳
摘要：针对数控系统手工编程加工非圆曲线的不足，采用解析归纳的方法，开发了FANUC系统数控车削中基于椭圆曲线加工非圆曲线的通用宏程序。文中还给出了椭圆和抛物线加工的实际应用，说明了通用宏程序的灵活性和方便性。在加工其它非圆曲线工件时，有效地提高了编程效率和编程质量。
关键词：宏程序指令 非圆曲线 数控加工
非圆曲线数控加工宏程序
引言
当工件的加工精度和磨削表面粗糙度要求不高时，固定角速度磨削是一种广泛使用的非圆轮廓零件磨削方法[1]。近年来，线速磨削加工技术取得了长足的进步，并广泛应用于非圆轮廓磨削[1]。采用固定角速度磨削加工时，由于各点曲率的非圆曲线不断变化，磨削零件表面的金属去除率会发生很大的变化，从而导致磨削力波动。这往往是不可避免的，工艺系统产生非线性弹性变形，从而影响零件的表面质量和轮廓精度加工。CLV磨削加工过程中，金属去除率变化平稳，磨削力变化大。此外，在恒线速度加工条件下，磨削进给速度各点对工件表面的影响是相同的，因此在正常情况下，可以保证被磨削的工件表面粗糙度在各处基本相同，有助于提高工件表面的质量[2]。
一．非圆曲线数控加工概述
在实际生产中发现，按照绝对恒线速度处理，在非圆等高线附近的敏感点往往有较大的正误差。磨削不够，还应减少工件的转速。而圆顶附近容易出现波纹，说明速度过快。造成这种现象的原因，一是CLV磨削，工件主轴角加速度很大，而伺服系统和机械传动装置本身固有的惯性限制了工件主轴加速度。二是在整个系统中加工的结果，砂轮架质量最好，如果工件速度过快，会造成头部跟踪不到位而出现过切或咬边现象。所以强调恒线速度，势必造成某一部分跟踪误差较大[2]。随着平均加工速度的提高，磨削法向可能无法实现，因此需要寻找磨削速度的快速优化及其应用方法，以解决实际问题。
宏程序与普通程序的区别在于变量的使用。在宏程序中允许变量赋值、变量操作和程序跳转等操作。普通程序只有常数的赋值，一个程序只能描述一个零件的几何形状。当零件的形状或尺寸发生变化时，一般的程序是不适用的。由于程序缺乏灵活性和可用性，必须进行重新编程。在这种情况下，使用变量函数的宏程序将非常方便。它不是重新编程，而是在零件形状或尺寸发生变化时改变变量赋值的值。变量是通过使用“ #”的符号和下面的数字定义的，例如 # 5或 # 100。这些变量包括三种类型: 普通变量、局部变量和系统变量。常见的变量，如 # 100 ~ # 149或 # 500 ~ # 509，可以在主程序和宏程序中应用。局部变量，如 # 1 ~ # 33，仅限于在宏程序中使用。系统变量，如 # 1000 ~ # 1015，是决定系统状态的特定目的变量。
本文在前人研究成果的基础上，提出了三次样条函数插值的速度优化算法。该方法简便、快速。计算得到的曲线完整、连续性好、逼近性好。在该算法的基础上，开发了交互式拾取点操作模式，可以直接得到最优速度曲线。为了有效地应用于实际生产，本文采用软件的方法实现了无圆弧数控磨削加工数控自动编程功能。它为实际应用带来方便。
二．非圆轮廓等线速处理理论模型建立
非圆轮廓等线速加工是指在磨削过程中，线速度和磨削力对磨削点的作用相对稳定。工件的整体轮廓是由砂轮运动(X轴)和工件主轴旋转(C轴)这两个运动同步联动形成的。通过恒线速度处理的数学模型，计算出X轴和C轴的运动规律。非圆截面磨削运动的数学模型是加工过程中连杆轴的空间数学关系。通过控制C轴和X轴的运动，可以实现对工件轮廓曲线的理论研究。
三．工件转速的优化设计
在实际生产中发现，磨床刀具通过X轴和C轴联动磨削非圆轮廓时，加工误差主要来自砂轮架的跟踪误差[1]。直线电机或伺服电机通过螺杆传动带动砂轮架水平运动。由于砂轮架的质量和惯性较大，而主轴转速过大，砂轮架相应的进给速度和加速度就会增加，并可能超过机床的最大响应[2]。因此在生产中，工件的转速往往是根据砂轮齿条的转速和加速度来优化的。提出了三次样条函数插补法对主轴转速进行优化调整。数值计算方法简单、快速，交互运算效果好。最优曲线是一条完整的二阶连续光滑曲线。根据控制点选取的不同，可以立即得到不同的优化曲线。拟合函数一致逼近原曲线，能保证所有点的值都是连续的一阶或二阶导数，具有良好的极值性、收敛性和逼近性。
椭圆零件图如图1 所示。毛坯直径为 φ70mm。在四分之一椭圆的初始点上设置程序零 w。其编程过程如下: 首先，利用数控车削的联合循环功能加工多直径零件。其次，去除椭圆面上的金属余量边缘。最后，通过调用微程序实现了椭圆曲线的加工。前两步的常规编程被忽略。所以这里只给出了椭圆型宏程序：
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图 1 椭圆零件图
G00 X0 Z2;
G01 G42 X0 Z0 F0.02;
#100 = 40;
#102 = 0;
WHILE [#102 GE -40]DO1;
?#101 ??2×?21×?SQRT 1#100×#100 / 40 ;
#103 ??ABS?#101???0 ;
G01 X[#103] Z[#102];
#100 = #100-0.1:
四．非圆轮廓磨削数控编程的实现
为了方便使用，本文提出的磨削速度调整优化方法开发了相应的交互功能模块。通过使用速度优化方法的人机交互点选择，可以大大提高操作效率和优化精度。优化过程速度较快，优化后的曲线光滑度得到提高。根据磨削零件的具体工艺参数，求出磨削参数的数值解。粗磨、精磨、精加工等各个加工阶段的控制参数可直接用于NC程序设计。凸轮是典型的非圆轮廓零件。本文以某型号轴类零件的进排气凸轮为研究对象，进行了试验研究。在CNC8312高速数控磨床上进行了磨削试验。为了验证所提出的优化工艺的实际效果，本文首先进行了无优化的对比工艺试验。实验结果显示波动和跳跃的曲线非常剧烈。加工后目测无烧伤现象，但部分敏感轮廓有明显波纹。
五．小结
在等线速加工模型的基础上，采用三次样条函数拟合插值方法，得到了工件转速优化调整的数值计算模型。对非圆轮廓磨削数控编程模块进行了研究和开发，对应磨削速度的优化和调整，该模块可以直接将优化速度数据切换为实际生产的数控程序代码。实验结果表明，该优化速度曲线可以应用于实际加工，能够满足生产的精度要求。借助于该软件，用户可以直接获得优化的数控磨削。大大简化了操作过程，提高了操作效率。
参考文献：
[1]曹阳,刘心宇.宏程序指令在非圆曲线数控加工中的应用[J].机械工程师,2021,(01):85-87.
[2]刘春兰,钟睿.宏程序在非圆曲线数控车削加工中的应用[J].科技创新与应用,2015,(14):100-101.
[3]岳秋琴.宏程序在非圆曲线数控车削加工中的应用[J].煤矿机械,2013,34(07):131-133.