數(shù)控四軸銑床上加工圓柱凸輪的四軸刀具路徑編程教學(xué)

畢長(zhǎng)波

（秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 秦皇島 066000）

秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院國(guó)家數(shù)控實(shí)訓(xùn)中心使用的是北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的XKA714B型數(shù)控銑床。該銑床所配的第4軸為旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，軸名為A，回轉(zhuǎn)軸運(yùn)行范圍為0～359.99°（取模特性）。這里第4軸作為線性軸和其它軸一起運(yùn)行。如果第4軸和其它軸出現(xiàn)同在一個(gè)程序段中，且含有G1或G2/G3指令，則該軸沒(méi)有一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)給率F，而是取決于其它軸（X、Y和Z軸）的進(jìn)給率，且與它們同時(shí)開(kāi)始和結(jié)束。但該速度值不能超過(guò)所規(guī)定的極限值。如果第4軸單獨(dú)出現(xiàn)在指令G1程序段中，它就以有效的進(jìn)給率F運(yùn)行。當(dāng)用G94時(shí)，單位是°/rin，當(dāng)用G95時(shí)，單位為°/rin。

圓柱凸輪機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的方向通常和凸輪軸線方向相一致，而且凸輪槽中的滾子軸線與凸輪軸線正交。因此，加工圓柱凸輪時(shí)，和滾子等徑銑刀的軸線也要與凸輪的軸線正交。對(duì)于立式銑床，當(dāng)凸輪軸線沿X軸方向安裝時(shí)，Y軸方向在加工過(guò)程中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)，刀具始終在X-Z平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。我們使用的這臺(tái)數(shù)控銑床，配備了直徑為315mm的立、臥兩用數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)。刀具路徑通過(guò)Master CAM軟件來(lái)生成。我們使用數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，帶領(lǐng)學(xué)生已加工了幾種凸輪。其中一種是直徑200mm，長(zhǎng)200mm的凸輪（材質(zhì)為黑色含油尼龍），在圓柱面上銑削出寬30mm，深24mm的曲線槽；另一種是直徑177mm、長(zhǎng)80mm帶有螺旋槽的圓柱形凸輪（材料為45號(hào)鋼）。在加工過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題最終得到解決，但不一定是最佳方案。筆者從機(jī)床四軸功能的應(yīng)用到生成四軸刀具路徑和軟件的后處理等環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié)，供大家借鑒和研究。

使用Master CAM軟件實(shí)現(xiàn)四軸加工有兩種方法，一種是使用多軸銑削加工程序中的“回轉(zhuǎn)四軸”(Toolpaths/Multiaxis/Rotary4ax)功能，另一種是使用二維銑削加工程序中的“挖槽”(Tool paths/pocket)功能或“銑輪廓”(Tool paths/contour)的轉(zhuǎn)軸（rotary axis）功能。我們感覺(jué)后者更加簡(jiǎn)便、實(shí)用，尤其適和圓柱凸輪的加工。二維銑削加工只需繪制出凸輪槽展開(kāi)后的平面曲線，這也正是凸輪工作圖中給出的曲線。為達(dá)到優(yōu)化刀具路徑的目的，就需要在不影響最終加工結(jié)果的前提下適當(dāng)修改曲線。

盡管有些圓柱凸輪給出了輪廓曲線參數(shù)表，但這并不是原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，而是用戶通過(guò)測(cè)繪獲得的尺寸和角度，誤差較大。根據(jù)圖紙數(shù)據(jù)，通過(guò)Master CAM軟件做出的曲線不夠光滑，需認(rèn)真修改。在應(yīng)用創(chuàng)建曲線功能（Creat/Spline）下，通過(guò)手工選點(diǎn)來(lái)連接成曲線時(shí)，選取的控制點(diǎn)越多，得到的曲線反而越不光滑；而選取的控制點(diǎn)越少，得到的曲線卻越光滑。但是，可以只偏離個(gè)別有誤差的點(diǎn)，但不能偏離大多數(shù)點(diǎn)，否則導(dǎo)致凸輪輪廓失真，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)。

由于Sinumerik802D系統(tǒng)僅能識(shí)別0～359.99°范圍內(nèi)，因此刀具不允許越過(guò)0°界限而連續(xù)回轉(zhuǎn)。當(dāng)繪制凸輪輪廓的平面圖時(shí)，要考慮圖形在坐標(biāo)系內(nèi)所處的的位置，否則在程序中可能會(huì)出現(xiàn)大于360°或小于0°角度值。如果凸輪軸線方向沿銑床的X軸安裝，其輪廓曲線應(yīng)畫(huà)在TOP視圖的X軸上方或下放，圖形不可跨越X軸，起碼做到使刀具路徑不和X軸相交。當(dāng)平面圖形卷繞在圓柱面上時(shí)，要從大于0°開(kāi)始，而又不可超過(guò)360°，確保刀具在0～359.99°范圍內(nèi)來(lái)回切削。

為了方便觀察及判斷走刀的合理性，平面圖形的刀具路徑要先生成，待各種加工參數(shù)調(diào)整好后，再生成回轉(zhuǎn)4軸刀具路徑。編程是否得當(dāng)直接關(guān)系到銑床的運(yùn)行時(shí)間。編程者應(yīng)從加工效率，加工質(zhì)量等方面考慮，認(rèn)真審核粗、精加工路徑的合理性。

由平面刀具路徑轉(zhuǎn)化為四軸回轉(zhuǎn)刀具路徑的方法比較簡(jiǎn)單。具體步驟是首先打開(kāi)二維輪廓銑削加工對(duì)話框，在“刀具參數(shù)”選項(xiàng)卡中選擇（軟件顯示為otary axis，如圖1所示）。在Rotary type內(nèi)選擇Axis substituties，選擇替代Y軸（substitute Y axis），如圖2所示。“替代Y軸”的意思是將Y軸方向的移動(dòng)轉(zhuǎn)化為繞X軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是A軸的角度值；選擇順時(shí)針（CW），在回轉(zhuǎn)直徑（Rotary diameter）欄中填入凸輪直徑值。這樣，事先做好的平面圖形會(huì)繞X軸按順時(shí)針?lè)较蚓砝@在圓柱面上。經(jīng)過(guò)重新計(jì)算，就生成了四軸刀具路徑。

圖2

經(jīng)過(guò)模擬，確信生成了帶有回轉(zhuǎn)軸的刀具路徑以后，我們可執(zhí)行后處理。由于Master CAM軟件中沒(méi)有西門子SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)的專用后處理程序，這里我們可以應(yīng)用其默認(rèn)的FANUC后處理程序(mpfan.pst)，并作簡(jiǎn)單修改后即可處理文件中的有關(guān)參數(shù)。

圓柱凸輪曲線槽精加工所用刀具的直徑應(yīng)與滾子直徑相同、刀具路徑應(yīng)與滾子的運(yùn)動(dòng)軌跡相同。這樣不存在理論誤差，又具有可操作性，可使用較小直徑刀具多次經(jīng)多次走刀來(lái)完成粗加工。當(dāng)?shù)毒呗窂脚c滾子的運(yùn)動(dòng)軌跡平行時(shí)，留下很小的精加工余量便可，與凸輪軸線不相垂直的曲線槽出現(xiàn)的“喇叭口”，即槽底，留下了較大的余量。