参数化编程在曲轴偏心圆弧铣削加工中的应用

参数化编程在曲轴偏心圆弧铣削加工中的 应用作者：暂无来源：智能制造2015年第7期撰文/南车资阳机车有限公司王佳伟赵素荣本文通过分析曲轴曲柄圆、连杆颈圆弧，画图建模分析寻找结构外形相似性的曲轴，通过 参数化编程编制适合加工多种同类型曲轴部位的通用程序。一、弓丨言传统的曲轴曲柄圆、连杆颈圆弧加工是采用偏心夹具把工件调整到机床回转中心，以加工 曲柄圆中心或连杆颈圆弧中心作为机床回转中心，通过车削加工的方式来完成加工，此加工方 式加工效率低，偏心夹具调整时间长，工人找正工件误差大且工件找正时对操作者操作技能要 求较高。为实现曲轴产业的高效加工，引入了新的加工方式，目前我们引入大型卧式车铳加工 中心，可实现三轴以上联动铳削加工，该方式利用车铳加工中心三轴联动的方式，以曲轴主轴 颈中心作为回转中心，加工刀具跟随曲轴曲柄圆和连杆颈做空间圆弧插补运动，以铳削的方式 完成加工。当机床C轴（或A轴）做旋转运动，刀具在X轴和Y轴平面内以圆弧运动跟随机 床旋转轴C轴运动时，编制程序时不容易找到编程所需的坐标点。要实现三轴以上加工程序的 编制，目前主流的编程方法是采用编程软件编程，而编程软件编出来的程序会相当长，缺乏可 读性，且不容易修改；如果手工编程，编程时间长，且需要每次作图才能确定其复杂的坐标点, 如果绘制的图形不准确或坐标点精度不够，在程序运行时则容易出错及出现报警而导致程序的 调试时间增长，影响加工效率及产品开发周期。二、曲轴连杆颈、曲柄图样分析本公司近年先后开发了多种船用、机车曲轴，而这些曲轴的曲柄外形轮廓80%都相似（如 图1所示），就是尺寸大小不一样。针对目前批量小，交货周期短的特点，为缩短程序编制及 调试周期，对各种曲轴的曲柄外形进行建模分析，寻求相似性，通过图1看以看出曲轴连杆颈 是由一个与主轴颈中心相距一定距离的圆柱面，曲轴曲柄外形则是由与主轴颈中心有一定偏心 距离的圆弧组成，由此我们可以把曲柄圆、连杆颈看成是以主轴颈作为回转中心加工由一定角 度组成的偏心圆弧。因此需要开发一种能加工偏心圆弧的通用铳削子程序，以满足不同品种曲 轴曲柄圆及连杆颈外圆加工。这样可以大大节省程序的编制及调试时间，减少程序出错几率。I沖为林主杠範s対冑轴说郴时P33曲曲祜淫.杆烦4为宫抽逢41琴幵帖陛1三、程序编制以图1中曲轴外形为例，机床操作系统：西门子840D；机床：车铣复合加工中心。我们要写通用程序，就要使用参数化编程，参数化编程也称为零件类编程，就是对于同一 类相似零件，通过使用变量而不是特定的尺寸数据和加工数据来进行编程，程序最大特点就是 将有规律的形状或尺寸用最短且通用的程序段表示出来。目前数控机床不管是做何种复杂的轨迹运动，其本质都是由无数细分的直线段组成，加工 的任何复杂轮廓都是刀具走过无数个很小的直线段拼接而成。也就是说铣削曲轴偏心圆弧时需 要写出C轴转b度X和Y的坐标点位置，C轴转b*2度X和Y的坐标点位置这种程序 编制方法也就是编程软件编程的原理，编制程序如下(参数坐标只是为了举例，没有实际意 义)。N10 G1 X10 Y20 C=DC (1+b*1) F800N20 X11 Y22 C=DC (1+b*2)N30 X14 Y23 C=DC (1+b*3)为了保证铣削表面的圆度，机床主轴C轴每次增加的角度b要非常小，才能满足图样要求, 如果机床主轴C在每个程序段增加的角度b较大则铣削出的圆会是一个明显的多边形，当铣 削直径越大铣削出的多边形越明显。因此需要C轴每次转过很小的角度，而这样编制出的程序 会很长；而每一个坐标点X、Y都需要CAD作图才能写出正确的坐标点，程序编制时间会非常 长，程序读写和修改很不方便。为了方便读写及修改，程序编制简单，我们通过建立数学模型 来寻找各坐标参数点之间的相互关系。由图2和图3可以看出：刀具切削点始终与曲轴上加工 的部位保持相切状态，当C轴旋转角度b时，坐标点X、Y和增加角度b之间存在一定的三角 函数关系，这样程序中X、Y坐标点的赋值，可通过一个变量角度b,利用三角函数关系表示出 来；C轴每次增加的角度b可以控制铣削圆形的圆度；通过C轴累计增加的角度b的总角度 再结合if判断语句、goto跳转指令就可以完成一定角度偏心圆弧的循环铣削。曲柄圆上任一铣削点坐标如下。X=R+AC=R+R8*cos(a)Y=AB=R8*sin(a)当角度a增大b度时(机床C轴旋转b度)，其坐标如下。Xl=R+AC=R+R8*cos(a+b)Yl=AB=R8*sin(a+b)RS 3-吩z -Wt 旧连杆颈上任一铣削点坐标如下。X=R+AB=R+R8*cos(a)Y=AC=R8*sin(a)当角度a增大b度时(机床C轴旋转b度)，其坐标如下。X1=R+AB=R+R8*cos(a+b)Y1=AC=R8*sin(a+b)当机床C轴，铣刀到达合适起始点X、Y、Z时以下程序段即可以完成一定角度圆弧的铣削。ruu-冋* 任R aft-1賈十啊.杆1庄W HU Ji . ItfS Jiifc I#H I flLfin rr Htm . 叶杯包府杆師h畀 讣-力!?您！pUi椚 u_旨iu E料朗TT-HrfPH W hi J.A frl-JUffi幵妁砂刚dE. =1|白灯fih KTUW Tk 中F -i-f qi rifffi 沖卩.-fr. At 臼匕临 rtl M l LI. S%B EO-M! qMn IP- Ft! I - CRA-i-K2JWKm巧R .、1 R A 丄 + R i、Z&竹 CJ Cr I X i. R?- K IV C ttiM -r4J.BLU 1弋齐4 |l1 I )+ I-! I 貞、*亠罰I和标巧* ffu jit *u Ht ftiji f J5EI + li*AJ rtfL-1A.IK-hlV 利、检灯力s1 虐fct. 1J TX kflT -* 士尺垃A-s1A = - W *L卄甲中=就舉at打JEE；牝即勢.文-R*帕1*片仙心| ! * 屮 心ES.绘曲JS 1 4述2蛙.观址峪土.J? !OUae -:fiT BC? M * *:幷观M .E-J JH. 4 JF.圧冉通过以上分析，偏心圆弧的铣削可以通过由带有R参数的程序来实现，具体程序如下。R. L R I 7* 4 不弓冉 SLFl J-tf JS- I.Pftp Jffl. 1ft Batf R. I 1 1十氏耳MioEFLtLE于钾叶鼻用T-Z-irE-T. 1_JZ 聲川艮匚如 H 壬啊.吓， 叭 丹仪口FCJJj-ii ：!:*Zb 3CJ.3 L IT h：4 I J. 11L i al i：1说 3CH ITlo R.-J5eoTtJ.4?5r r|- W： * 站需訂曲何赁1 处 QEEH 败 3F Ki rr-r 151 3K(Ri=-匝竝ftKIEiffli*1 渔4T 斗业 “ i-.O-lX.BP _EZT3 DMK41 EM DIE1ST*1 CJPE4.EAHI.1 M3M13C R. 1 3 -i-1 R. k II - R 1 3TJ- I lJ XR.I3r i ? i r i i = + + + + 4 4 -1-XliXLJJ -TOb-I I i bT JI LLJJ.JW I Hfa .t3 + *-! fr K.4+-s .1 I c - ) -s -!CH 1 7*R. IOJ- SI J-i. E I片丹一IE 鮎 EE I+Jtjji-s- 1ST I -13 -i-Eft 1Jri l*r-H- MK3r I * I 2i E .J WU PH -r*Gz. W1 1 13 i * ba L-H 郁叭，丐伯純p*FPFf 啊中fjtw.ite 耳t 丁 占冲 f：.卍： -iii iij flSl1=l 1*1 . 3C _ V 匚 啊q=F*鈕科訂MTILLWEBFL .3-I|l73 IF* (R：T|-i34| hfn3 民 1 =14、电十览1 平 KI 沁i CtJ Xi：R_a*g 11-iCtR.-f-K. 3 1 *FL I 席D十K.-JI R.-fc-r K. 1 I KI fJ-s-CRI T*FLI rb3 D .： XE-rS-i- EZ 2 J. Ji -hFL J e ：i .(M2(K3 tTtTltliB -MTLLWEBKTJ2I.O Er-TIFbT扌#n CT-r-Ui 2 R | -hI=L i i+ ft i 3 r fe H= 1SH T H -miF-l 3U3 .- m 1 -FVf r Kt T= IA. PT-IM JC.-ii 1 UV.J X fC _rlII_F-ll-円 -*hl I IK rsai %3 w* + - nsUJ WWfllb 44，+亠+-!-+XW T-3q-3ri i . Jm fiq TKT I FUhT-： 3 1 43IM- 3 V t!4 T 2q T TV C R HH. L3 t It y K. 3 I-F IrC I Fr 3 上一4 , I T -i- J-C B n I- 3 S -13 U U CZ i I 3-t T X 3 fc -i- H-C. I 刑 R FL A 3 MJkJJM.1 I 4 -rE3 X Itx t . J-.I 4 R. 7 R - I A： I nil 十JS.Tf I I Fr-J ifJii 3| V H I I- 3JI H mu I !. l-l-HtB 4S - I Vr： I A*C H-i-nL id i*K H/f-WE I 件 A 卜十4 Kr HL I El ) CZ : FM.K I ri 1i BT K I i3WR 口匸r-i I I I E lr= M R I - IIX F-i- K:wxa讥 r.h i =i *ra i r3 4 4 11 V C-TSiKH4.JT-lH. 3-1: S-* W. L ；! i 4 口 i T*1R dl口心 d-f n.审一口 * i b * R, I o r|M JIHI-IJ 丄弋1 .1 I L-9sl IF-J -R K.IJI33 vrr-i 他11 i 1 H. i. -j： a W.IVli B F1 1112和T-C 4Mi I ZSRTM I 以上子程序的编制，在编制第一个程序时需要花费较长的时间做参数逻辑计算，但在以后 编制新程序时，只需要按照图4和图5给指定R参数和切削参数赋值就可以完成偏心圆弧的 铣削加工程序编制，编制方法简单且不易出错。在此程序编制时也同时考虑了高效加工在每次 刀具定位时都采用4个轴同时运动，以节省辅助时间，此程序有效的解决了如图1所示所有轮 廓相似的连杆颈外圆及曲柄圆的铣削加工，而且此方法在车铣加工中心中已得到很好的应用。N410 GO X-Rl+50 M9皿：N42IJ Ml?目前曲轴外形的设计多种多样，之前分析的某曲轴曲柄外形为一段椭圆，现有要加工一段 椭圆，就可通过以上参数化编程方法编制来铣削完成。如以后遇到抛物线或其他有方程函数规 则的外形，都可以通过以上方法完成程序编制。四、结语参数化编程是手工编程的一种高级编程方法，具有程序逻辑性强，程序简单，修改方便等 优点。利用参数间的计算功能，可以节省大量的刀位点计算时间和调试时间，提高加工精度， 减少编程错误。对于同系列相似的产品，只需编写一个通用的程序，加工时修改相应的 R 参数 即可完成程序编制，这样可以避免重复编程，实现柔性化生产，提高生产效率。