1概述

以數控機床為核心設備的各種現代化制造系統在機床 行業和非機床行業中已得到普遍應用。被加工零件的圖紙，給出了數控加工的幾何數據和工 藝數據，是NC機床工作的原始依據。使用 數控機床加工零件時，必須事先編制好零件加工程序單，零件加工程序單中規定了零件加工 工藝路線、走刀軌跡、位移量、切削參數(主軸轉數、進給量、切深 )以及輔助機能(換刀、變速、冷卻液開停等 )。數控機床按編制好的程序自 動地工作，加工出合格的零件。數控編程的主要內容包括：分析零件圖紙，確定加工工藝過 程；計算走刀軌跡，得到刀位數據；編寫零件加工程序，校對程序及首件試切。根據有關統 計，一個零件的編程時間與機床加工時間之比，平均約為30:1。使用計算機來實現加工程序 的自動編制稱作自動編程，本文介紹基于Microstation圖形平臺的在線 測量切削參數的數控車削測量過程的自動編程。Microstatioin為美國 Intergraph公司將其工作站上 的交互式圖形設計系統(IGDS)完整地移植到微機上的 CAD圖形系統，該圖形系統的用 戶界面非常友好(和WINDOWS 95應用程序類似 )，該圖形平臺具有良好的開放 性，并提供了功能強大的32位編程的Microstation開發語言—— MDL語言(類似標準C語言)。

對于毛坯制造精度低的工件的數控加工，若按傳統的編程方式，就必須按照最大毛坯尺 寸編程。由于按最大尺寸編程，一則加工效率較低，再則會在某種情況下造成空切，而在另 外一種情況可能會造成過切。過切的后果，輕則影響刀具耐用度，重則造成崩刀甚至損壞刀 桿。所以，毛坯制造誤差大的工件的數控加工必須根據每個工件的具體情況，來確定該工件 的切削參數(如切削余量、走刀次數等 )。本編程系統借助 SINUMERIK-810T數控系統的刀 具監控功能，在輪廓加工前用測量過程來獲得零件上的一些關鍵點的余量分布情況，進而為 加工程序提供當前工件的切削參數。

2切削參數測量過程CAPP

1) 具有測量功能的車削測量圖形自動編程系統的架構

車削測量圖形自動編程系統由兩大模塊組成：測量規劃模塊和測量程序后置模塊。其中 測量規劃模塊以交互式CAPP的方式完成測量過程的規 劃，系統提供了功能強大的修改功能，用戶可以對已規劃的測量點進行刪除、改變測量次序 和修改測量過程工藝參數等操作；測量程序后置模塊則以測量規劃數據為輸入，經后置處理 自動生成測量過程的NC程序。

圖1 系統主控對話框

測量規劃CAPP以CAD方式建立起來的零件圖為輸 入，用戶以人機交互方式規劃每個測量點，同時在左/右刀架測量對話框中輸入測量 過程工藝參數，生成測量過程刀位及工藝數據文件。測量程序后置以測量規劃CAPP過程產生的刀位及工藝數 據文件為輸入，經過后置處理生成測量規劃過程的NC程序。圖1是測量主控對話框，圖 2為左刀架測量參數設置對話框。

圖2 測量工藝參數設置框

本系統以配備SINUMERIK-810T數控系統的雙刀架數控車床的測量過程的 數控編程作為研究對象，系統同時涵蓋了單刀架數控車床的測量過程的數控編程。系統以雙 向鏈表為基本數據結構，鏈表中的一個節點對應著一個測量點的刀具刀位數據和相應的工藝 數據，雙向鏈的使用節省了數據存儲空間，并且提高了系統的修改功能的執行效率。為了方 便用戶的測量過程規劃，系統提供了規劃刀具切入和切出工件段運動軌跡的刀具動態顯示， 使規劃過程更加直觀，現場感更強。圖3為系統的結構圖。

圖3 車削測量圖形自動編程系統架構

2) 切削參數在線測量的原理

如前所述，在使用SINUMERIK- 810T數控系統的數控車床中，利用數控系統提供的刀具監控功能，即通過適當調整某個 刀具監控號(如下述的H8230)對應的切削力增益值， 使刀具和工件接觸并開始切削時，切削力就已達到設定的切削力極限值，由此系統將自動停 止當前程序段的執行，并將此時的X、Z坐標存放在系統R參數R94和R95中。

在某些大型結構件(如火車車輪)的數控切削實踐中，要保證刀具耐用度，一般所使用的車刀的刀具半徑較大 (R10～R20)。為了保證加工余量測量 的正確性，刀具必須沿切削面的法向切入工件。此外，測量切入時應在無刀具半徑補償的情 況下進行，即測量切入段應使用G40。下列NC程序即為測量過程的數控代 碼。

……
G0 G40 X963.75 Z93.967
G1 X915.189 Z93.814 F5 H8230
R94=0 R95
@714
G1 @720 R94 K1 X891.219 Z93.215 F1.2
@714
@360 R601 K1
…

R801=R601-445.609
R535=0.999
N20 R610=R801/R535

SINUMERIK-801T數控系統中，指令“@720 R94 K1 ”的作用為將切削力超過設定值時的刀具中心坐標X(直徑方向的坐標 )和Z分別送入R94和R95中保存；而指令 “@360 R601 K1”則是將存在 R94中的直徑方向坐標值轉換成 半徑方向的坐標值，并將之存入參數R601中。由此可知，系統 R參數R601中存放的就是當刀尖和工 件接觸時刀具中心X向半徑坐標值。

由圖4可知 ，B(x,y)點為規劃的測量點，刀具半徑為R，而測量切入時總是沿 工件表面的法向切入，所以我們可以計算出圖中所示的切削余量的單位法矢(亦即圖4中的測量切入段方向矢量)。


O--刀具中心 A--刀尖接觸點 B--測量規劃點 θ--切入方向矢量和X軸夾角 --測量切入段方向矢量
圖4 切削余量計算示意圖

=(cosθ， sinθ)

由圖4的幾 何關系則可計算出總切削余量t0的粗 加工余量t粗。

總切削余量t0=BO-R，BO=(R601-x)/cosθ，所以t0=(R601-x)/cosθ- R

若已知精加工余量為t精，由總余量則可計算出粗加工余量。

t粗=t0- t精= (R601- x)/cosθ- R-t精

根據計算出的粗加工余量和編程者參照切削工藝規范所設定的每刀最大切削量 Amax，就能夠算出走刀次數和 每刀切削量。

3) 測量過程的CAPP

測量過程CAPP由兩個步驟組成：測量切入段規劃和測量切出段規劃。進行測量過程CAPP時，在左/右刀架測量參數設置對話框中 輸入測量工藝參數。為了保證加工余量測量的正確性，在測量切入時，必須保證刀具沿零件 表面的法線方向切入工件。為方便用戶確定測量點的位置，系統提供了兩種方法，這兩種方 法分別為：法向到工件，法向從工件。其含義如下：

法向到工件 用戶首先用數據鈕選擇測量點所在的圖素，而測量點就是鼠標當前點到切 削段的法向投影點(如圖5a所示)。

A--測量點所在圖素的鼠標選擇點 B--鼠標當前點 C--切入段的終點
圖5 刀具切入工件的兩種方式

法向從工件 用戶首先用數據鈕確定測量點，系統過該點作測量點所在圖素的法線，而 切入段直線的另一個端點就是鼠標當前點到該法線的法向投影點(如圖5b所示)。

測量點確定后，根據需要可以在系統動態 (所選刀具和橡皮筋的動態顯示 )的幫助下來確定其它的切入段 。另外，為了方便用戶的操作，在規劃切入點時，系統對每個步驟都給出了詳盡的提示。切 入段規劃完成后，接著規劃測量過程的切出段，為了保證測量過程的正確性，系統規定切出 第一段和切入最后一段相同，系統同時亦提供了相應的切出動態，幫助用戶進行切出段規劃 。所有測量點均規劃完成后，用系統的存盤工具將規劃的測量數據存入測量刀位工藝數據文 件中。

3測量后置處理

完成測量過程CAPP后，調用系統的后置處理模塊來生成車削測量過程的 NC程序。眾所周知，用半徑 R不為0的刀具進行切削時，一般應在使用刀具半徑補償 (左刀補G41和右刀補G42)的方式下進行切削。但由 于測量時，刀具沿切削面的法向切入工件，所以刀具一定要在撤刀補G40下切入工件。

圖6 測量時的刀具運動軌跡
注：圖6中僅畫出了刀片圓，實心圓為刀具開始接觸工件時的狀態；虛線圓的圓心O1為測量NC程序中，測量切入段的目標點坐標。精切余量A精為 DE段的長度，測量規劃點E的坐標為(x,z)。

圖6所示的 是刀具測量切入時的刀具運動軌跡，其過程為：刀具從A點快速運動G00到B點，再以G01到C點，最后以一個更慢的進給速 度G01到O1點。 而實際上，由于刀具監控作用對切削力的正確設定(如前述NC程序中的H指令H8230)，所以當刀尖剛和工件 接觸時(如圖6中刀具中心處在 O點時)，就已達到設定的切削力監控 值而停止切削。后置程序需要解決的是O1 (x1， z1)點 的計算。O1的算 法如下所示。

計算出O1點坐標后，也就得到了測量切入段目標點的坐標，即：


“G1 @720 R94 K1 X891.219 Z93.215 F1.2”中的X和Z坐標值，由 “@360 R601 K1”得到圖 6中O點的X坐標(存在R601中)，又由“ R801=R601-455.609”計算出總余量在 X方向的投影，再由 “R535=0．999”將切削面的單位法矢的方 向余弦cosq存入R801，最后由“N20 R610=R801/R535”得到總切削余量 (存在R610中)。

4結束語

利用數控系統的刀具監控功能來實現切削余量自動測 量的數控加工的自動編程，為解決毛坯制造精度低的大型鑄、鍛件的數控加工找出了一條高 效途徑。該自動編程系統現已成功地用于馬鋼車輪輪箍廠，實現了不同國家不同型號的火車 車輪的車削數控編程。該編程系統的使用不僅大大提高了編程精度，而且數倍地提高編程效 率，用本系統生成的NC程序加工出的車輪經檢驗完 全符合圖紙要求。該系統對大型鑄、鍛件的自動數控編程具有很大的推廣價值。