黃佳琪，胡曉軍，徐云杰，盧辰杰

(湖州師范學(xué)院 工學(xué)院，浙江 湖州 313000)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化產(chǎn)品對制孔直徑、制孔質(zhì)量和制孔效率要求的不斷提高，傳統(tǒng)孔加工方法由于受刀具尺寸或加工原理的限制，已無法完全滿足制孔要求.螺旋銑孔刀具的運動軌跡為螺旋線，其加工孔徑不受刀具尺寸的限制，且按維度可以分為二維螺旋銑孔和三維螺旋銑孔.二維螺旋銑孔常用于大直徑的深孔分層銑削粗加工，運用該加工方式，刀具受力均勻、工件毛刺較少、加工效率較高；三維螺旋銑孔是刀具做切鉆復(fù)合運動的切削過程(自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、軸向進給復(fù)合運動)[1]，具有刀具切削力小、磨損小、加工表面光滑等優(yōu)點，常用于孔的粗加工和半精加工[2].相對鉆孔加工，采用螺旋銑孔進行加工，其刀具所受的切削力和刀具磨損度更小，加工質(zhì)量和加工效率更高.

目前,國內(nèi)主流的數(shù)控操作系統(tǒng)有西門子、法蘭克、三菱等，但其并未提供螺旋銑孔人機操作界面及循環(huán)指令.國內(nèi)外學(xué)者主要借助專用的CAM軟件(該類軟件需花費大量的時間學(xué)習(xí)，且對編程人員的技能水平要求較高)生成螺旋刀具路徑，然后對刀具路徑下游處理生成G代碼，最后傳輸至機床進行螺旋銑孔加工.其研究重點為螺旋銑孔的切削力分析、表面質(zhì)量優(yōu)化等[2-3]，對數(shù)控系統(tǒng)的螺旋銑孔二次開發(fā)研究較少.

SinuTrain是由西門子公司開發(fā)的數(shù)控機床模擬軟件，具有與真實數(shù)控機床一致的操作界面和系統(tǒng)內(nèi)核，并能提供靈活的二次開發(fā)方法和工具[4-6].本文以SinuTrain為軟件平臺，對螺旋銑孔HMI和螺旋銑孔循環(huán)指令進行二次開發(fā)，并利用該循環(huán)指令編制程序進行仿真實驗.該編程方法的編程效率和程序加工精度較高，對編程人員的技術(shù)水平要求較低，不易出現(xiàn)人為失誤.

1 SinuTrain數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)

西門子公司為用戶提供擴展用戶接口編程、HMI 編程包編程和WinCC Flexible 編程3種人機界面開發(fā)方法[6]，每種方法的特點如表1所示.為兼顧編程效率和二次開發(fā)的經(jīng)濟性，本研究采用擴展用戶接口方式完成二次開發(fā)任務(wù).

表1 3種界面開發(fā)方法的特點比較

2 螺旋銑孔HMI設(shè)計

SinuTrain相關(guān)界面系統(tǒng)配置文件主要存儲在軟件安裝目錄user、oem、siemens 3個文件夾下，且三者的優(yōu)先級依次降低.螺旋銑孔HMI開發(fā)主要通過命令、變量、函數(shù)運算等，實現(xiàn)人機交互、參數(shù)輸入、圖形顯示、代碼編譯等功能[7].

定義程序界面水平第5個軟鍵為“Helical milling”按鈕，點擊該按鈕觸發(fā)螺旋銑孔界面加載，加載程序代碼為：LM("LXXK").在界面加載時，需定義界面名稱和界面實例圖片，代碼為：//M{LXXK, hd = "螺旋銑孔", hlp="pmlx.png"}.

螺旋銑孔編程需向系統(tǒng)提供參考高度、安全高度、刀具進給速度、加工類型、銑削方式、制孔中心坐標(biāo)、制孔起始高度、制孔直徑、制孔深度、刀具XY向步距、刀具Z向步距、粗加工側(cè)壁余量、粗加工底部余量、刀具直徑、螺距等參數(shù).以上參數(shù)需使用“DEF”語句定義，部分代碼為：DEF VARA2={TYP="r3",wr=2,st="SC",TXT_x=370,TXT_w=30,x=400,w=90}.此外，定義輸入框下拉菜單、鼠標(biāo)停放提示、數(shù)據(jù)單位等，還需對“TGL”“TT”“LINK_TGL”等參數(shù)進行相應(yīng)設(shè)置.

編程時，在完成螺旋銑孔參數(shù)設(shè)置后，為將對應(yīng)界面的軟鍵控制參數(shù)輸入數(shù)控系統(tǒng)并返回主界面，還需定義“確定”和“退出”兩個軟鍵，部分代碼為：VS7=(SOFTKEY_OK,ac7,se1).

螺旋銑孔依據(jù)其走刀路徑的不同，可分為二維螺旋銑孔和三維螺旋銑孔.不同的加工方式需輸入的參數(shù)和示例圖片存在差異.為減輕編程工作量，避免出現(xiàn)人為失誤，當(dāng)采用二維螺旋銑孔時，界面需自動隱藏與其無關(guān)的變量，當(dāng)采用三維螺旋銑孔時亦是如此.為實現(xiàn)上述功能，當(dāng)改變銑削類型時，需使用“change”指令改變對應(yīng)變量的“WR”屬性，以實現(xiàn)變量的隱藏和顯示，部分代碼為：

change(VARA24)

IF VARA24.VAL==1

VARA10.WR=4

....

ELSE

VARA10.WR=2

....

ENDIF

end_change

在完成參數(shù)設(shè)置后，需用“OUTPUT”指令完成NC程序變量的輸出，并通過“確認(rèn)”軟鍵觸發(fā)NC代碼自動編譯，并加載至銑削主程序，代碼為：GC("CODE1").

通過上述流程，完成螺旋銑孔HMI的二次開發(fā)，結(jié)果見圖1.

圖1 螺旋銑孔HMI

3 螺旋銑孔固定循環(huán)指令的二次開發(fā)

3.1 螺旋銑孔固定循環(huán)指令程序框架設(shè)計

螺旋銑孔固定循環(huán)指令的二次開發(fā)需在“系統(tǒng)數(shù)據(jù)”的“用戶循環(huán)”界面進行.根據(jù)加工工藝要求，編制參數(shù)化子程序.螺旋銑孔固定循環(huán)指令程序框架代碼為：

PROC CYCLE996(REAL YL_RP,...)SAVE SBLOF DISPLOF ；指令聲明

DEF REAL DDXY,...；變量定義

G90 G17

G0 Z100

IF YL_XL==0

.... ；二維螺旋銑孔代碼

ELSE

.... ；三維螺旋銑孔代碼

ENDIF

M17 ；子程序結(jié)束返回主程序

3.2 二維螺旋銑孔參數(shù)化程序設(shè)計

二維螺旋銑孔是指刀具按用戶需求在XY平面進行平面螺旋運動.為降低編程復(fù)雜度，提高運算效率，平面螺旋刀具路徑需由多個相切的半圓組成.刀具路徑規(guī)劃如圖2所示.外側(cè)圓環(huán)為孔的輪廓特征，圓環(huán)中心與工件坐標(biāo)系在XY平面的原點重合；內(nèi)部螺旋線為平面螺旋銑削刀具路徑.

圖2 二維螺旋銑孔刀具路徑規(guī)劃

在進行平面螺旋粗加工時，直徑方向所需去除的毛坯量為：

D1=D-2Uxy-?0，

(1)

其中，D1為粗加工直徑方向毛坯去除總量，D為待加工孔標(biāo)注直徑，Uxy為側(cè)壁精加工余量，?0為刀具直徑.

粗加工螺旋線所需半圓數(shù)量為：

(2)

其中，N為粗加工螺旋線所需半圓數(shù)量，Dxy為用戶設(shè)置XY方向加工步距；Roundup代表上取整運算.

實際加工步距為：

(3)

由圖2可知，螺旋線第一段圓弧起點和終點均與Y軸重合，該圓弧Y方向起點坐標(biāo)YS1、終點坐標(biāo)YZ1和圓弧半徑R1分別為：

(4)

(5)

(6)

通過以上公式類推，可得第N段圓弧Y方向的起點坐標(biāo)YSn、終點坐標(biāo)和YZn圓弧半徑Rn分別為：

(7)

(8)

(9)

通過上述計算，可確定螺旋線各關(guān)鍵點坐標(biāo)和各圓弧半徑.通過“FOR”循環(huán)語句配合G02/G03插補指令，即可完成二維螺旋銑孔參數(shù)化程序開發(fā).部分程序代碼為：

FOR YK_NXY= 0 TO IINXY1-2

XHJS1=-XHJS1

G2

Y=YL_Y0+XHJS1*(YK_YX1+2*YK_YX1*(YK_NXY+1))I=AC(YL_X0)J=AC(XHJS1*YK_YX1+YL_Y0) F=YL_F

ENDFOR

如圖2所示，當(dāng)?shù)毒哐芈菪€加工至終點時，孔壁精加工余量不均勻.為解決上述問題，刀具需要以平面螺旋線的終點為起始點，以工件坐標(biāo)系為圓心，沿刀具運動方向走一個整圓軌跡.

3.3 三維螺旋銑孔參數(shù)化程序設(shè)計

三維螺旋銑孔不僅要求刀具沿著XY平面銑圓，還要沿著Z方向做進給運動，刀具中心的運動軌跡呈空間螺旋線分布[8].首先沿Z方向?qū)⒙菪€拆分成多個單螺距螺旋線，然后將單螺距螺旋線在XY方向拆分成360段短直線，最后通過三角函數(shù)計算各線段的空間坐標(biāo)值，并通過直線插補方式完成切削.其具體開發(fā)流程與二維螺旋銑孔開發(fā)過程類似，部分開發(fā)代碼為：

FOR NLXDZ=0 TO NLXDZ1-1

FOR LXJD= 0 TO 360

G1 X=YL_X0+LXRR*COS(LXJD) Y=YL_Y0-LXRR*SIN(LXJD)

Z=YL_Z0-(NLXDZ+LXJD/360)*YL_25

ENDFOR

ENDFOR

4 螺旋銑孔仿真實驗

4.1 二維螺旋銑孔仿真

利用二維螺旋銑削固定循環(huán)，在長為100 mm、寬為100 mm、高為100 mm的方塊中心，銑削直徑為60 mm、深度為5 mm的孔.在程序編輯界面，點擊“Helical milling”進入?yún)?shù)編輯界面，設(shè)置的銑削方式為“平面式”，圓心坐標(biāo)為(0,0,0)，XY方向步距為刀具直徑的40%，每刀切削深度為1 mm，側(cè)壁精加工余量為0.2 mm，Z向精加工余量為0，刀具直徑為10 mm.在程序編寫完畢后，點擊“模擬”按鈕進行仿真驗證，結(jié)果如圖3所示.刀具按照平面螺旋方式分5層完成孔的切削.在粗加工完成后，刀具Y坐標(biāo)顯示為 24.80 mm(模擬時，在設(shè)置輪廓加工結(jié)束后，XY方向停留在加工結(jié)束位置，Z方向直接抬刀).因刀具直徑為10 mm，此時在Y軸正方向，刀具輪廓距孔中心最遠處的坐標(biāo)值應(yīng)為29.80 mm，與設(shè)置的側(cè)壁精加工余量一致.

圖3 二維螺旋銑孔仿真

4.2 三維螺旋銑孔仿真

利用三維螺旋銑孔固定循環(huán)，在長為40 mm、寬為40 mm、高為30 mm的方塊中心，銑削直徑為 16 mm、深度為4 mm的孔.設(shè)置圓心坐標(biāo)為(0,0,0)，側(cè)壁精加工余量為0.2 mm，Z向精加工余量為0，刀具直徑為10 mm，并進行仿真驗證，結(jié)果如圖4所示.刀具中心按照空間螺旋線方式完成孔的切削，且在粗加工完成后刀具X坐標(biāo)值為2.80 mm.在X軸方向，刀具輪廓距孔中心最遠處坐標(biāo)值應(yīng)為7.80 mm，與設(shè)置的側(cè)壁精加工余量一致.

圖4 三維螺旋銑孔仿真

5 結(jié) 語

本文以SinuTrain軟件為平臺，在建立的數(shù)控銑床虛擬樣機中分別完成螺旋銑孔HMI的設(shè)計和螺旋銑孔固定循環(huán)指令的二次開發(fā)，并運用螺旋銑孔固定循環(huán)指令編程進行孔加工仿真實驗.在螺旋銑孔界面輸入的實驗參數(shù)可正確傳遞至螺旋銑孔參數(shù)化程序中，數(shù)控系統(tǒng)可穩(wěn)定運行螺旋銑孔參數(shù)化程序，完成孔的粗、精加工，并達到預(yù)期的精度要求.通過對螺旋銑孔的二次開發(fā)，無須借助專用的CAM軟件，即可完成螺旋銑孔復(fù)雜路徑的手工編程[9]，從而減少加工過程中的誤操作,降低編程人員的勞動強度.