CN103645677B - 一种高精度圆柱套内壁闭合异形曲线槽的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度圆柱套内壁闭合曲线槽的加工方法，尤其适用于宽深比较大的圆柱套内壁闭合异形曲线槽的高精度铣削及磨削加工。提出了圆柱套内壁闭合异形曲线槽数控编程的数学模型建立方法、采取自适应筛选法确定走刀步长的计算方法、利用VC++生成程序代码的方法、联合数控系统进行参数配置以及程序指令编程方法；克服了数控铣削时加工刀具变形和刀具振动控制、磨削时砂轮磨损与修正等问题，实现了大缠角、变缠角圆柱套内壁闭合异形曲线槽的精密加工。实际加工结果表明，该方法提高了圆柱套内壁闭合异形曲线槽加工精度和效率。

Description

一种高精度圆柱套内壁闭合异形曲线槽的加工方法

所属技术领域

本发明涉及一种高精度圆柱套内壁曲线槽的加工方法，尤其适用于宽深比较大的圆柱套内壁闭合异形曲线槽的高精度铣削及磨削加工。

背景技术

在航天、兵器、化工等行业使用具有圆柱套内壁闭合曲线槽的零件，曲线槽要保证曲线角、深度和宽度的要求，该类零件在以往加工中通常采用专用设备进行加工，制造精度差，生产周期长，且成本昂贵。随着数控加工技术的发展，采用数控加工方法可满足各种不同种类曲线槽的加工要求，而这类零件的造型和数控编程仅仅凭借通用CAD/CAM软件系统是很难完成的。

在圆柱套内壁曲线槽加工过程中，各个曲线段在合成速度一定的情况下，各个轴的分速度是随时发生变化的，以准确到达曲线拟合交点处。尤其在加工宽深比较大的内壁曲线槽时，由于加工时机械振动严重，为保证加工精度，对工件的装夹方式和加工时的重复定位精度提出了很高的要求，因而给内壁曲线槽加工带来了很大难度。

走刀步长是影响刀具轨迹生成的一个重要因素。走刀步长过小，意味着刀具轨迹线上刀位数据的密度大，零件加工程序膨胀，编程效率下降，更重要的是在一般加工方式下，小步长零件加工程序的执行会产生进给速度波动和平均速度下降，从而影响工件表面加工质量和加工效率。走刀步长过大，意味着刀具轨迹线上刀位数据的密度小，加工效率高，但轮廓逼近精度低，表面质量恶化，因此合理步长的确定是非常重要的。

目前查阅的文献表明：关于高精度圆柱套内壁闭合异形曲线槽的加工方法及工艺，在公开发表的文献中未见报道或提及。

发明内容

为了克服现有的数控圆柱套内壁曲线槽加工方法加工精度差，加工效率低，不能满足生产实际需求的技术不足和缺陷，，本发明提供一种高精度圆柱套内壁闭合异形曲线槽的加工方法。提出了圆柱套内壁闭合异形曲线槽数控编程的数学模型建立方法、轨迹路径方向采取自适应筛选法确定走刀步长的计算方法、利用VC++生成程序代码的方法、联合数控系统进行参数配置、程序指令编程方法以及铣削和磨削的程序区别。实际加工结果表明，该方法提高了圆柱套内壁闭合异形曲线槽加工精度和效率。

本发明实现其技术内容所采用的技术方案为：一种高精度圆柱套内壁闭合异形曲线槽的加工方法，硬件包括数控系统、刀具主轴变频调速电机及其变频器、回转轴A伺服电机及其伺服驱动器、轴向进给轴Z伺服电机及其伺服驱动器、深度进给轴X伺服电机及其伺服驱动器、回转轴A的绝对编码器；软件包括代码生成软件VC++、数控系统G代码编程、数控仿真软件CIMCO，其特征是：

(1)、工件长500mm，外径240mm，内径190mm，壁厚25mm，槽宽35mm，内壁槽深15mm；

(2)、建立内壁闭合异形曲线槽数学模型，曲线槽是由六条曲线拟合成的闭合曲线槽；建立三条等距线数学模型，这里，等距线的数学表达式为

C₀(t)＝C(t)±(d·N(t))

式中t为曲线参数，N(t)为曲线在t处的单位主法矢量，其方向指向曲线凹的一侧；式中的正号或负号取决于等距线的偏离方向；当等距线偏离方向与主法矢量同向时取正号，反之取负号；在曲线拐点处，法矢量为不确定，须作特殊处理；若C(t)＝{x(t)，y(t)}，即C(t)为平面参数曲线，则

N(t)＝{-y′(t)/sqrt((x′(t))²+(y′(t))2)，x′(t)/sqrt((x′(t))²+y′(t))²)}

等距线节点与原始线节点(x，y)对应的等距线节点的坐标(x₀，y₀)为：

x₀＝x±d×cosB

y₀＝y±d×sinB

角B为曲线上任意一点与X轴的夹角，如果在曲线左侧作等距线，式中d前的符号应取正号，反之取负号；

当等距线与原始线的间距d大于该处原始曲线的曲率半径时，或者原始线迂回形成的自身间隔小于d的两倍时，计算得到的等距线可能产生自交形成“自交圈”、不协调弯曲异常现象；根据以上计算等距线数学模型和所提供的数学方程，算出各个点的等距点；

(3)、在刀具轨迹路径方向采用自适应筛选法；

1)在刀具轨迹上采一系列密集点，其中x坐标为等差数列，点P₁、P₂、P₃、P₄、…P_s；

2)确定第一个走刀步长的起点为p₀，终点为p_s；

3)计算pi点坐标(x_pi，y _pi)，E为预设间隔，t₀初始值为1；

t₁＝t₀++；

δ＝sqrt((y_ps-y_p0)*(y_ps-y_p0)+(x_ps-x_p0)/t₁*(x_ps-x_p0)/t₁)；；

x_p1＝(x_ps–x_p0)/t₁+x _p0；

4)如果δ>E，则按照步骤(3)(4)重新计算，如果δ<E，则替换下一个点P₂点；

(4)、根据所建立数学模型及自适应筛选算法，利用VC++软件产生G代码，点坐标为double类型，坐标准确，精度高，步长0.01mm，生成97000多点，避免A轴、Z轴方向步长阶跃；

(5)、数控系统采用西门子802D数控系统实现A轴、Z轴、X轴三轴数控轴，A轴、Z轴两伺服轴两轴联动；

(6)、回转轴A上安装绝对编码器实现了闭环位置控制，多层进给，φ12mm的立铣刀具加工出φ30mm的曲线槽，为了考虑加工时车削力均横，等距线间距D＝9mm，每层需要三次加工，每次加工均回参考点，避免误差积累；

(7)、计算三条等距线编程轨迹,铣削程序编制在连续轨迹路径上有多段减速段，磨削程序编制无论是在大缠角，变缠角处都无减速段；将完善后程序输入数控仿真软件CIMCO进行速度与轨迹路径仿真；

(8)、联合调整数控参数配置加速度、加加速度、Z轴反向间隙补偿，设定FFWON、SOFT、ACC、G64、G601、ACP关键指令；

1)FFWON，FFWOF

通过先导控制功能可以把轨迹运行时速度相关的随动距离减少为零，利用先导控制功能，可以使轨迹运行精度更准确，从而使加工结果更令人满意；

FFWON；先导控制功能接通

FFWOF；先导控制功能关闭

2)SOFT

SOFT

机床坐标轴按上升的加速度轨迹运行，直至达到所要求的进给率；SOFT加速度性能避免了加速度的突变，从而使产生的轨迹精度更高，并减轻对机床的负担；

3)ACC比例加速度补偿

在这种情况下，轴就以这种比例加速度进行插补；

ACC[A]＝50％；用于回转轴

ACC[Z]＝50％；用于进给轴

4)G64/G601连续路径加工/准确定位

连续路径加工方式的目的就是在一个程序段到下一个程序段转换过程中避免进给停顿，并使其尽可能以相同的轨迹速度转换到下一个程序段，并以可预见性的速度执行下一个程序段的功能；

在铣削时，大缠角的轨迹过渡时有时必须减低速度，从而保证程序段转换时不发生速度的突然变化，或者加速度的改变受到限制；

5)回转轴中使用的特殊指令ACP

回转轴A：

A＝ACP(0)；绝对数据输入，在正方向逼近0度位置。

本发明的有益效果是：可以通过高精度圆柱套内壁闭合异形曲线槽的加工方法，解决数控铣削时加工刀具变形和刀具振动控制、磨削时砂轮磨损与修正等关键技术问题，实际加工结果表明，该方法提高了圆柱套内壁闭合异形曲线槽加工精度和效率。实现了大缠角、变缠角圆柱套内壁闭合异形曲线槽精密加工。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是凸轮沿178mm直径展开六段曲线方程。

图2是闭合曲线槽的展开图。

图3是计算等距线的节点坐标。

图4是曲线槽Φ12mm刀具步长的确定方法部分展开图。

图5是VC++生成数控程序流程图。

图6 CIMCO数控软件仿真三条刀具编程轨迹等距线平面展开示意图。

图7外壁切开后的内壁曲线槽的实体图。

图8曲线槽数控部分程序文件。

图9是加工后曲线槽局部效果图。

图10是加工后工件表面图。

具体实施方式

在图1中，该六段曲线方程是将给定的弧度方程转换成周长实现等距线的仿真。

在图2中，闭合曲线槽的展开图。

在图3中，是计算等距线的节点坐标。

在图4中，轨迹路径上采取自适应筛选法确定步长：

1)在刀具轨迹上采一系列密集点，其中x坐标为等差数列，点P₁、P₂、P₃、P₄、…P_s；

2)确定第一个走刀步长的起点为p₀，终点为p_s；

3)计算pi点坐标(x_pi，y _pi)，E为预设间隔，t₀初始值为1；

t₁＝t₀++；

δ＝sqrt((y_ps-y_p0)*(y_ps-y_p0)+(x_ps-x_p0)/t₁*(x_ps-x_p0)/t₁)；；

x_p1＝(x_ps–x_p0)/t₁+x _p0；

4)如果δ>E，则按照步骤(3)(4)重新计算，如果δ<E，则替换下一个点P₂点；

在图4中，根据加工轨迹的的需要，建立这三条等距线数学模型，通过算法分析计算出三个条编程轨迹。根据图2所给定的轨迹路径上自适应筛选法算法模型利用VC++生成三条等距线的数控程序，点坐标为double类型，坐标准确，精度高。刀具轨迹路径上步长均匀，不会出现步长的突然阶跃，直接影响到加工效果。试验表明，这种方法在工件的加工过程中，引起的工件和刀具的振动会小一些。

在图5中，VC++生成数控程序流程。

在图6中，根据这六段方程编写程序生成G命令代码。将图3中VC++产生的程序代码，完善后输入数控仿真软件CIMCO，三条刀具编程轨迹等距线平面展开示意图。

在图7中，外壁切开后的内壁曲线槽的实体图。

在图8中，曲线槽数控部分程序文件。

在图9中，是加工后曲线槽局部效果图。

在图10中，是粗糙度仪检测加工后工件抛开表面粗糙度图。加工表面粗糙度Ra≤0.8μm。

Claims (1)

1.一种高精度圆柱套内壁闭合异形曲线槽的加工方法，硬件包括数控系统、刀具主轴变频调速电机及其变频器、回转轴A伺服电机及其伺服驱动器、轴向进给轴Z伺服电机及其伺服驱动器、深度进给轴X伺服电机及其伺服驱动器、回转轴A的绝对编码器；软件包括代码生成软件VC++、数控系统G代码编程、数控仿真软件CIMCO，其特征是：

(1)、工件长500mm，外径240mm，内径190mm，壁厚25mm，槽宽35mm，内壁槽深15mm；

(2)、建立内壁闭合异形曲线槽数学模型，曲线槽是由六条曲线拟合成的闭合曲线槽；建立三条等距线数学模型，这里，等距线的数学表达式为

C₀(t)＝C(t)±(d·N(t))

式中t为曲线参数，N(t)为曲线在t处的单位主法矢量，其方向指向曲线凹的一侧；式中的正号或负号取决于等距线的偏离方向；当等距线偏离方向与主法矢量同向时取正号，反之取负号；在曲线拐点处，法矢量为不确定，须作特殊处理；若C(t)＝{x(t)，y(t)}，即C(t)为平面参数曲线，则

N(t)＝{-y′(t)/sqrt((x′(t))²+(y′(t))²)，x′(t)/sqrt((x′(t))²+y′(t))²)}

等距线节点与原始线节点(x，y)对应的等距线节点的坐标(x₀，y₀)为：

x₀＝x±d×cosB

y₀＝y±d×sinB

角B为曲线上任意一点与X轴的夹角，如果在曲线左侧作等距线，式中d前的符号应取正号，反之取负号；

当等距线与原始线的间距d大于该处原始曲线的曲率半径时，或者原始线迂回形成的自身间隔小于d的两倍时，计算得到的等距线可能产生自交形成“自交圈”、不协调弯曲异常现象；根据以上计算等距线数学模型和所提供的数学方程，算出各个点的等距点；

(3)、在刀具轨迹路径方向采用自适应筛选法；

1)在刀具轨迹上采一系列密集点，其中x坐标为等差数列，点P₁、P₂、P₃、P₄、…P_s；

2)确定第一个走刀步长的起点为p₀，终点为p_s；

3)计算pi点坐标(x_pi，y_pi)，E为预设间隔，t₀初始值为1；

t₁＝t₀++；

δ＝sqrt((y_ps-y_p0)*(y_ps-y_p0)+(x_ps-x_p0)/t₁*(x_ps-x_p0)/t₁)；；

x_p1＝(x_ps–x_p0)/t₁+x_p0；

4)如果δ>E，则按照步骤(3)(4)重新计算，如果δ<E，则替换下一个点P₂点；

(4)、根据所建立数学模型及自适应筛选算法，利用VC++软件产生G代码，点坐标为double类型，坐标准确，精度高，步长0.01mm，生成97000多点，避免A轴、Z轴方向步长阶跃；

(5)、数控系统采用西门子802D数控系统实现A轴、Z轴、X轴三轴数控轴，A轴、Z轴两伺服轴两轴联动；

(6)、回转轴A上安装绝对编码器实现了闭环位置控制，多层进给，φ12mm的立铣刀具加工出φ30mm的曲线槽，为了考虑加工时车削力均横，等距线间距D＝9mm，每层需要三次加工，每次加工均回参考点，避免误差积累；

(7)、计算三条等距线编程轨迹,铣削程序编制在连续轨迹路径上有多段减速段，磨削程序编制无论是在大缠角，变缠角处都无减速段；将完善后程序输入数控仿真软件CIMCO进行速度与轨迹路径仿真；

(8)、联合调整数控参数配置加速度、加加速度、Z轴反向间隙补偿，设定FFWON、SOFT、ACC、G64、G601、ACP关键指令；

1)FFWON，FFWOF

通过先导控制功能可以把轨迹运行时速度相关的随动距离减少为零，利用先导控制功能，可以使轨迹运行精度更准确，从而使加工结果更令人满意；

FFWON；先导控制功能接通

FFWOF；先导控制功能关闭

2)SOFT

SOFT

机床坐标轴按上升的加速度轨迹运行，直至达到所要求的进给率；SOFT加速度性能避免了加速度的突变，从而使产生的轨迹精度更高，并减轻对机床的负担；

3)ACC比例加速度补偿

在这种情况下，轴就以这种比例加速度进行插补；

ACC[A]＝50％；用于回转轴

ACC[Z]＝50％；用于进给轴

4)G64/G601连续路径加工/准确定位

连续路径加工方式的目的就是在一个程序段到下一个程序段转换过程中避免进给停顿，并使其尽可能以相同的轨迹速度转换到下一个程序段，并以可预见性的速度执行下一个程序段的功能；

在铣削时，大缠角的轨迹过渡时有时必须减低速度，从而保证程序段转换时不发生速度的突然变化，或者加速度的改变受到限制；

5)回转轴中使用的特殊指令ACP

回转轴A：

A＝ACP(0)；绝对数据输入，在正方向逼近0度位置。