CNC系統直紋面加工的復合插補方法研究

雷立群，韓菊

(吉林農業科技學院機械工程學院，吉林吉林 132101)

高速加工是數控技術發展方向的一個永恒不變的主題，提高數控加工速度除采用提高主軸轉速和進給速度的方法外，還可以考慮采用更為合理有效的插補方法。復合加工是近年提出的一種針對直紋面的新加工方法，通過適當的機床結構可以利用銑刀側刃一次走刀實現對整個直紋面的加工［1］。文中在分析直紋面復合加工的基本原理之上，介紹了復合插補的基本原理。復合插補可分為兩個過程:(1)刀具側刃在XY平面上的直線或圓弧插補;(2)刀具底端在Z方向和虛軸方向進行的插補。作者深入研究了直紋面加工的復合插補過程。

1 復合加工的基本原理［1］

在加工過程中，使刀具側刃與被加工工件表面輪廓的母線平行，加工中刀具除沿著與可展直紋面母線垂直的方向向前進給加工，同時還可沿著與母線平行的方向上下運動。由于加工中刀具可以同時在兩個不同的平面同時進行插補運動，所以說這種加工方法的控制系統采用的是一種復合插補方法。在加工過程中，可把插補分為底層插補和頂層插補兩個部分。所謂底層插補，是刀具底端沿著一定曲線進行的插補。頂層插補是刀具的側刃沿著一定曲線進行的插補。插補時，先要進行底層的插補，底層插補完成后，再進行頂層插補。

圖1(a)表示的是利用復合加工方法加工一個底邊是曲線的圓臺表面，該圖清楚地說明了利用銑刀側刃實現直紋面復合加工的過程。

圖1 復合插補原理圖

加工如圖1(a)所示的圓臺表面，具體分為兩個插補過程。在進行插補時，刀具側刃與圓柱體輪廓表面母線平行，在XY平面進行曲線插補，如圖1(b)所示，同時在刀具底端，又要在W方向 (即沿著刀具的方向)和L方向進行插補。其中L為虛軸(即在XY平面進行圓弧插補時刀具所走過的圓弧的弧長)，刀具在W方向和L方向進行插補時，先判斷刀具應朝W方向走還是L方向走，如果是向W方向走則刀具朝W方向進行插補運動，如果是向L方向走，則應在XY平面進行插補，產生新的弧長L，然后再重復上面的插補過程。

2 直線和圓弧的復合插補

直線和圓弧的復合插補即刀具側刃在XY平面上進行直線插補，同時刀具底端在W方向和L(L為在XY平面進行直線插補時刀具所走過的距離，這里稱其為虛軸L)方向進行圓弧插補。圖2是用復合插補方式加工一個直紋柱面的原理圖，其中圖2(a)是用復合插補方式加工直紋柱面的示意圖，圖2(b)表示銑刀側刃在XY平面進行的直線插補，圖2(c)表示銑刀側刃在W方向和L方向進行圓弧插補。

圖2 直線和圓弧復合插補原理圖

從圖2(a)可以看到要加工的柱面與XY平面成一定的角度，且柱面的底端是一曲線。在加工的過程中，首先要調整刀具的整體姿態，使其與柱面加工面的母線平行。這一過程是通過調整刀具坐標系的U軸和W軸來實現的。刀具坐標系調整完成后，才開始真正的復合插補過程。

在進行復合插補之前，首先要確定各坐標軸的插補速度，從圖2(b)可以看到銑刀側刃在XY平面進行的是直線插補，其X、Y坐標軸的速度vX、vY是合成速度v在坐標軸X和Y方向上的速度分解，可用公式 (1)計算得到:

θ為合成速度v與坐標軸形成的夾角。

由于虛軸L表示的是XY平面進行直線插補時刀具所走過的距離，所以其速度vs(vs表示虛軸L的進給速度)可用公式 (2)計算得到:

由此可以得到L方向的速度增量Δvs，如公式(4)所示:

圖3是直線和圓弧復合插補的流程。

圖3 直線與圓弧復合插補流程

在復合插補過程中，為使刀具側刃與刀具底端插補輸出脈沖均勻，作者在刀具側刃進行一次插補輸出脈沖前都進行了如下處理:

(1)計算脈沖個數。計算出當銑刀側刃插補輸出一個脈沖時，銑刀底端需要發出的脈沖個數n。

(2)均勻分配刀具底端應該輸出的脈沖個數。分別計算出 (n－1)/2和 (n－1)/2+1的值。

(3)脈沖輸出方式。先對刀具底端進行插補輸出 (n－1)/2個脈沖后，再進行一次刀具側刃插補，之后對刀具底端進行插補輸出 (n－1)/2+1個脈沖。

圖4和圖5分別為刀具側刃的直線插補流程和刀具底端的圓弧插補流程圖。

圖4 刀具側刃的直線插補流程

圖5 刀具底端的圓弧插補流程

從流程圖中可以看到刀具側刃的直線插補與刀具底端的圓弧插補采用的是DDA算法。

3 圓弧和圓弧的復合插補

圓弧和圓弧的復合插補即刀具側刃在XY平面上進行圓弧插補，同時刀具底端在Z方向和L(L為刀具側刃在XY平面進行圓弧插補時刀具所走過的弧長，這里稱其為虛軸L)方向進行插補。加工底端是曲線的原臺面時，其加工過程是一個典型的圓弧和圓弧的復合插補過程。圖6是圓弧和圓弧復合插補的原理圖。其中圖6(a)表示刀具側刃在XY平面進行圓弧插補，圖6(b)表示刀具底端在W方向和L方向進行圓弧插補。在進行圓弧和圓弧的復合插補之前，仍然需要先調整刀具的整體姿態，使銑刀側刃與圓臺表面的母線平行。這一過程是通過調整刀具坐標系的U軸和W軸來實現的。刀具坐標系調整完成后，才開始真正的復合插補過程。

圖6 圓弧和圓弧復合插補的原理

在進行復合插補之前，首先需要確定各坐標軸的速度，從圖6(a)可以看到，銑刀側刃在XY平面進行的是圓弧插補，其中X、Y坐標軸的速度vX、xY可利用公式 (1)計算得到。

由于虛軸L表示的是XY平面進行直線插補時刀具所走過圓弧的弧長，其長度可用公式 (5)計算得到:

其中:θ=Y/X，為圓弧插補所走過的角度。

由公式 (5)可以看到虛軸L的單位僅與銑刀側刃所走過圓弧半徑的單位有關，由此得到刀具底端在虛軸L方向的插補速度與刀具側刃在XY平面進行圓弧插補的合成速度是相同的，即有vL=v(vL表示虛軸L的進給速度)，即有圓弧的速度增量ΔvL為:

圖7是圓弧和圓弧復合插補的流程。其插補過程與直線和圓弧復合插補方式相似，在插補過程中采用了與直線和圓弧復合插補方式相同的脈沖輸出均勻化方法，刀具側刃的圓弧插補采用的是DDA圓弧插補方式，其插補流程與刀具底端的圓弧插補過程類似(如圖5)，這里不再詳細敘述。

圖7 圓弧與圓弧復合插補流程

4 實驗及結論分析

文中采用前后臺的方式設計了Windows操作系統下數控系統的軟件結構，其中前臺軟件用C++Bulider設計完成，后臺采用WDM設備驅動程序設計實現，數控系統軟件可實現對圓錐、圓臺等直紋面的走刀控制。

將應用程序數控文件編譯成功后存入PC機的非分葉內存中，插補中斷到來時，從內存中讀入指令，先判斷刀具底端的插補類型，然后再進入到相應的插補程序進行插補運算，插補流程如圖8所示。

圖8 數控系統插補總流程

數控系統的控制界面和加工運動控制過程中的位置顯示界面如圖9所示，實踐證明文中提出的設計結構和控制策略是可行性的。

圖9 數控系統控制界面

［1］WANG Kunqi，WANG Runxiao，YU Binggao，et al.Research on A Novel Approach to Multiaxis Line Contact Milling［C］//International Technology and Innovation Conference 2006，2006:1494－1498.

［2］朱利東，殷蘇民.基于嵌入式實時操作系統的開放式數控系統的研究［J］.機床與液壓，2004(1):92－95.

［3］楊恒宗，傅星，張師偉.基于DSP與單片機的激光加工數控系統的研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2005(12):35－37.

［4］雷立群，于振文.基于Windows的全軟件數控系統實現方法研究［J］.機床與液壓，2012，40(9):94 －97，20.

［5］何航.Windows開發式數控系統軟件設計與研究［D］.成都:電子科技大學，2004.

［6］LEI L Q，WANG K Q，HAN J.Implementation Study about the Software CNC System Based on Windows［J］.Advanced Materials Research，2011，411(9/10/11):264 －269.