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车床/数控车床 |
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数控车床微机GNC系统研究 |
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作者：武汉汽车工业大学 郭顺生 张鸿华 杨明忠 |
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1 前言
数控机床最主要的优点是高效与柔性的高度结合，其主要表现在数控机床能完成对不同零件的加工仅需改变的是机床的控制介质——数控代码，这正是数控加工区别于其它传统加工之处。目前国内企业的数控机床利用率普遍较低，造成这一情况的原因是数控编程技术跟不上，很多企业还停留在手工编程阶段，因此迫切需要改变数控编程的现状。
经历了手工编程和计算机辅助编程之后，数控加工自动编程技术进入了图形编程时代。图形数控编程已成为CAD/CAM必不可少的一部分，是数控编程的最佳途径。目前国内该方面的软件还很少，而国外的软件多处于工作站方面，微机运用上也不多，并且软件系统费用很高，不适合国内企业的实际情况，操作界面为外文，不便于工程人员操作，需花费大量的人力和物力来培训。因而迫切地需要一套适合国内运用的数控编程软件。
本系统是基于微机、面向国内企业而开发的图形数控编程软件，用户输入零件的几何信息(或打开相关的数据文件)后，系统自动生成零件图形，结合输入的加工信息(毛坯尺寸、切削参数等)，系统能进行动态模拟加工，并自动生成数控车床的G/M代码。本系统是利用VB5.0开发出来的，采用纯中文操作，界面通俗易懂、形象直观，适合于普通工程技术人员使用。系统采用了下拉式菜单、弹出式菜单和工具条相结合的方式进行操作，极大地方便了用户的使用。
2 GNC系统的硬件组成
一个完整的GNC系统包括完成从信息的获取到加工指令的全过程。手工输入(MDI)NC代码程序单内容，既麻烦，又枯燥，出错率高。将计算机系统与机床数控装置联机，可以省去人工操作这一环节，还可以同时对多台机床进行实时或分时控制，所以可以配上用于通讯的串行口和DNC接口。GNC系统硬件结构如图1所示，系统结构如图2所示。
图1 GNC系统硬件组成
图2 GNC系统结构
3 零件几何信息的输入和图形生成
零件几何信息的输入包括确定零件的线条总数、各段的参数及相互间的连接特性。零件几何图形的生成是指系统根据用户输入的相关信息自动在屏幕上生成零件的几何图形。
1) 零件几何信息的输入
用户自左至右依次输入零件各段的参数并确定其连接特性后，系统能准确地求出相互间的交点坐标，并“记住”相关几何信息(如各段的线型特征、圆弧的顺逆、各段间是否相切等)。在零件中若有非圆曲线(抛物线、椭圆)，系统则采用“变间距直线逼近法”求出其节点坐标值，并将该值放入一数组中储存起来。几何信息输入完毕后，系统会将所得的数据放在一用户指定的文件中，以便后置处理时使用。
非圆曲线的处理方法(以椭圆为例)：
本系统采用“变间距直线逼近法”，该方法与传统的“等间距法”相比具有明显的优越性。传统的“等间距法”是将非圆曲线所在的区间平均细分为n份，即将曲率半径较大的地方也依曲率半径较小的地方分成同样大小的子区间。这样反应到数控机床上就是不必要的多走刀，效率很低。而变间距法则能较好地处理这一问题。具体方法如图3所示。
图3 变间距直线逼近法
根据已知的参数方程求出Y＝F(X)的表达式：(X-Xc)2/R12+(Y-Yc)2/R22=1，将指定区间se分成n份，根据求得的间距DX求出Xi，将所得的Xi代入Y＝F(X)即可求出一系列的(Xi，Yi)，即为每个线段终点坐标，并以该坐标值或对应的刀心坐标值编制直线程序段。算至p点，若发现不满足精度要求，则将pe区间分得更细，依次进行，直到全部满足精度要求为止。
误差检验方法如图3所示。MN为试算后的某一段逼近线段，M'N'平行于MN且到MN的距离为D(用户给定)，可得MN及M'N'的方程：
M N：AX+BY+C＝0
M'N'：AX+BY=C±d[(A2+B2)]½
求解联立方程，当M'N'和(X-Xc)2/R12+(Y-Yc)2/R22=1两者有交点时，说明需再次细分区间，以减小DX的值(即增加所分的区间数n)，直到两者无交点为止。
D的允许值，一般取零件公差的1/5或1/10，本系统推荐D的允许值在0.001mm以内。
2) 零件几何图形的生成
VB(Visual Basic)提供了较为丰富的画图指令，因而在知道相关参数的情况下，能较为轻松地生成零件的图形。直线和圆弧直接利用“Line”和“Circle”命令。遇到非圆曲线时，将采用变间距直线逼近法求出非圆曲线的节点，依次用直线连接起来，即可近似地得到非圆曲线。
4 数控加工模拟
模拟加工时，用户需按系统提示依次输入毛坯尺寸、机床起刀点、刀补值及丝杠间隙补偿值、切削参数(切削深度、切削速度、进给量)、数控代码在机床存储单元的位置等信息。
考虑到车床的加工工艺较复杂，且车削的零件千变万化，很难以每一固定方式编程，而尽可能多地包括各种情况。系统将车床零件分成两类：阶梯轴和典型零件(基本上能解决常见形状零件的加工)。
阶梯轴是指严格意义上的从左至右依次递减的类型，系统根据输入的加工信息，结合零件的几何信息，自动制定加工路线进行模拟加工，并自动生成相应的G/M代码。
典型零件是指需去除的金属形状如图4所示的5种类型。若是典型零件，则加工路线需要自定义，选择粗加工的特性类型，按要求输入相应点(图中已标出)的坐标值。坐标值的输入应综合考虑毛坯尺寸、零件尺寸、精加工余量，系统会提供零件中交点坐标的信息。系统依据用户的选择顺序进行模拟加工，并生成相应的G/M代码。
图4 需去除的金属形状5种类型
为了便于观察，动态模拟过程中用一与刀具外形相类似的二维图形来代替刀具，毛坯轮廓与已切削的部分被赋予不同的颜色，这样就好象真的用刀子在切削一样，形象逼真，如图5所示。
图5 动态模拟图
5 数控代码的生成
将模拟加工过程中数控轨迹生成的直线或圆弧数据，按照加工路线和所用机床控制输入格式要求，生成加工圆弧或直线程序段。具体步骤如下：首先判断是加工直线段还是圆弧段，此信息在零件几何信息输入时已获得，当加工直线段或者非圆曲线段(用直线逼近)时，输出G01代码；若加工圆弧，则需判断圆弧是顺时针还是逆时针，分别输出G02、G03代码。然后结合刀位点的信息(X，Z的坐标值)和切削参数，将这些信息结合起来依次放入一用户指定的文件中，则得到数控代码。
6 结论
本系统符合数控自动编程的发展趋势，能在微机上处理数控车床的编程问题，自动生成G/M代码，且操作简单，界面形象直观，适合普通工程技术人员使用。目前该系统已在数控车床上使用，具有良好的经济效益和实际推广应用前景。(end)
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(10/19/2006) |
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