陳 鵬

（廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510530）

0 引言

隨著先進(jìn)制造、自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展。近年來(lái)，在工藝品、機(jī)械、電子、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域扁方體、三面體、四面體、六面體、八面體甚至任意面體等類(lèi)似多面體類(lèi)零件應(yīng)用越來(lái)越多，加工這樣的零件通常的加工方法是沖床沖壓成型、車(chē)床或銑床上通過(guò)多道工序加工完成。這些方式都各有優(yōu)缺點(diǎn)：如沖床沖壓成型加工一次成型雖加工效率高，但缺點(diǎn)是精度低、產(chǎn)品單一、更換模具成本高；車(chē)床加工需使用極坐標(biāo)插補(bǔ)功能進(jìn)行加工，雖加工精度高，但加工效率較低；銑床加工雖精度高，但工序多、效率低、綜合成本高。

而在普通數(shù)控車(chē)床上通過(guò)增加刀盤(pán)軸和伺服主軸，控制系統(tǒng)增加多邊形加工控制算法可以實(shí)現(xiàn)高效率的任意多邊形的加工，并通過(guò)軸向移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)多面體的加工。以下以廣州數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的980TC3總線式車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)為例來(lái)講述如何實(shí)現(xiàn)多邊形加工。

1 多邊形加工原理

多邊形加工是指通過(guò)使工件與刀具按一定的比率旋轉(zhuǎn)，將工件的形狀加工成多邊形的加工，如圖1所示。

通過(guò)改變工件和刀具的旋轉(zhuǎn)速度比或刀具的安裝數(shù)量，可以把工件加工成三邊形、四邊形、六邊形甚至任意多邊形。

圖1 多邊形加工示意圖Fig.1 Polygon turning diagram

把工件及刀具的半徑分別設(shè)為A、B，把工件和刀具的旋轉(zhuǎn)角速度分別設(shè)為α、β。把XY笛卡爾坐標(biāo)系的原點(diǎn)設(shè)定為工件的中心。為了使說(shuō)明簡(jiǎn)單易懂，如圖2，假設(shè)刀具軸旋轉(zhuǎn)中心在工件圓周位置P0（A，0）上，從刀尖在Pt0的位置（A-B，0）出發(fā)。

這時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)間 t后如圖 3 所示，刀尖位置 Pt（Xt，Yt）可以用式（1）和式（2）來(lái)表示：

圖2 工件與刀具旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.2 Work piece and tool rotation diagram

圖3 多邊形加工刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.3 Tool tip trajectory diagram

因工件和刀具的旋轉(zhuǎn)速度比 1：2，即：β=2α，所以式（1）和式（2）可以變換為下式：

式（3）和式（4）表示刀具的刀尖是長(zhǎng)徑為 A+B，短徑為A-B的橢圓。

這樣，如果在180°的對(duì)稱(chēng)位置各安裝1把刀具，則可以加工如圖4所示的四邊形；如果每隔120°的位置各安裝1把刀具，則可以加工如圖5所示的六邊形。

圖4 四邊形加工示意圖Fig.4 Square turning diagram

圖5 六邊形加工示意圖Fig.5 Hexagonal turning diagram

2 功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 多邊形加工的指令格式

G250：多邊形加工取消；

G251 P_Q_：多邊形加工開(kāi)始。

指令范圍：

表1 多邊形加工功能參數(shù)表Tab.1 Parameter table of polygon turning

|P|：1.0～999.0， 其中 P 為正時(shí)，工件軸的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较?；P為負(fù)時(shí)，工件軸的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樨?fù)向。

|Q|：1.0～999.0，其中 Q 為正時(shí)，刀具軸的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较?；Q為負(fù)時(shí)，刀具軸的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樨?fù)向。

2.2 多邊形加工參數(shù)定義

在使用多邊形加工功能時(shí)，由于不同的機(jī)床廠商選擇的主軸電機(jī)及刀具軸電機(jī)的性能參數(shù)各不相同，為了適配各型主軸及刀具軸電機(jī)，需要定義一些參數(shù)來(lái)設(shè)定電機(jī)數(shù)據(jù)。具體定義如表1所示。

2.3 多邊形加工數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在執(zhí)行多邊形加工插補(bǔ)過(guò)程中需定義一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)集中存儲(chǔ)多邊形加工的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，以便在插補(bǔ)時(shí)直接使用這些數(shù)據(jù)而不用重復(fù)去判斷數(shù)據(jù)是否合法，以此簡(jiǎn)化插補(bǔ)流程、提高運(yùn)行效率。結(jié)構(gòu)定義如下：

2.4 多邊形加工數(shù)據(jù)初始化

多邊形加工啟動(dòng)前需對(duì)多邊形加工數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，如下所示：

2.5 多邊形加工算法及實(shí)現(xiàn)

假設(shè)多邊形加工指令中工件軸旋轉(zhuǎn)速度為S（r/min），工件軸與刀具軸的旋轉(zhuǎn)速度比為1：4，數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期為T(mén)（ms），各軸旋轉(zhuǎn)一圈為360°則在多邊形加工時(shí)：

工件軸的旋轉(zhuǎn)速度：Vwork=S（r/min）；

刀具軸的旋轉(zhuǎn)速度：VTool=Vwork×4=4S（r/min）；

每周期的移動(dòng)系數(shù)：DT=（T×1×360）/（60/1000）（度·min/r）。

由此可得出：

工件軸每周期的移動(dòng)量：Deltawork=S×DT（度）；

刀具軸每周期的移動(dòng)量：DeltaTool=4S×DT（度）。

2.6 多邊形加工示例

使用1把刀具加工四邊形示例程序，如表2所示。

表2 多邊形加工示例程序Tab.2 Program of polygon turning

圖6所示為使用多邊形指令加工的幾種零件。

3 結(jié)論

以上簡(jiǎn)述了多邊形加工的原理和軟件實(shí)現(xiàn)方法。從實(shí)際使用情況看，具有多邊形加工功能的數(shù)控車(chē)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、設(shè)備成本低；可加工多種正多邊形零件，且速度快、效率高且操作方便的優(yōu)點(diǎn)。尤其是在生產(chǎn)非標(biāo)螺栓、螺母、帶方零件、多邊形工藝品、螺旋多邊形工藝品等類(lèi)型的零部件應(yīng)用上優(yōu)勢(shì)明顯。

圖6 多邊形加工樣品Fig.6 Sample of polygon turning