宏程序在高速數(shù)控鉆削加工中的應用

邸現(xiàn)賓，陳汝陽，楊秀金

山東臨工工程機械有限公司 山東臨沂 276023

1 序言

挖掘機主架作為挖掘機上車架的核心零部件，與工作裝置和回轉機構具有裝配關聯(lián)關系，保證主架加工質量至關重要。為此，制定主架加工工藝規(guī)程時需要統(tǒng)籌考慮圖樣設計要求、設備效能、加工效率和質量保證等[1]。我公司生產(chǎn)挖掘機主架分為在加工中心和在高速數(shù)控鉆床上加工兩道工序。為釋放加工中心產(chǎn)能，我們將復雜、加工精度要求高的工步安排在加工中心，回轉支承螺紋聯(lián)接孔的加工安排在高速數(shù)控鉆床。在加工過程中，由于主架分工序加工，需要二次裝夾，所以存在加工基準不重合的問題，從而導致在高速數(shù)控鉆床鉆、攻回轉支承螺紋聯(lián)接孔時出現(xiàn)位置偏差。本文就如何解決該問題進行詳細闡述。

2 問題描述

主架首先在加工中心上立式裝夾（見圖1），進行銑面，以及鉆、鉸定位銷孔和鏜孔加工；然后轉序到高速數(shù)控鉆床水平裝夾（見圖2），加工回轉支承螺紋聯(lián)接孔，即圖1中回轉支承安裝面上除P1、P2、P3定位銷孔以外的孔。該工序以回轉馬達安裝面、側板頂面（加工中心已銑面作為工藝基準）及大底板側面為定位基準。工件裝夾完畢，用雷尼紹測頭測量回轉支承安裝面的平面度（要求平面度≤0.5mm），并測量回轉支承安裝面上3個定位銷孔P1、P2、P3的孔心坐標，得到3個定位銷孔所在的分度圓圓心并確定為回轉中心O，運行程序依次鉆、攻回轉支承各螺紋聯(lián)接孔。加工后經(jīng)三坐標測量儀檢測，發(fā)現(xiàn)數(shù)控鉆床加工的回轉支承螺紋聯(lián)接孔的位置存在不同程度的移位現(xiàn)象，會影響回轉支承的裝配。

圖1 主架立式裝夾示意

圖2 主架水平裝夾示意

3 孔移位原因分析及新程序開發(fā)

圖1中所示的回轉支承安裝面、回轉馬達安裝孔和3個定位銷孔均在加工中心以回轉中心O為加工基準建立工件坐標系完成加工。主架轉序到數(shù)控鉆床加工時，仍需要以回轉中心O作為加工基準，以確保需加工的回轉支承螺紋聯(lián)接孔與已加工的定位銷孔在同一圓上。針對上述回轉支承螺紋聯(lián)接孔在數(shù)控鉆床加工移位的問題，通過分析裝夾過程和加工程序，推測原因可能是主架二次裝夾存在的誤差導致主架圍繞著回轉中心O發(fā)生了一定角度的旋轉，于是在數(shù)控鉆床加工中開發(fā)了相關宏程序來驗證能否有效解決上述問題[2，3]。

3.1 自動測量、計算、判斷的宏程序開發(fā)

通過應用雷尼紹測頭在回轉支承安裝圓環(huán)面上自動采集不同位置的5點，并相互比較坐標Z值，得出最大值、最小值，從而自動計算出平面度。程序對平面度值自動判斷，若平面度≤0.5mm，機床自動執(zhí)行下一段程序；若平面度＞0.5mm，則機床報警。機床報警提示操作者對工件進行微調，再重復執(zhí)行自動測量、計算程序段，直到滿足加工要求。

1）自動測量程序段如下。

N10G65P9100 R1 X-608 Y-3 Z225

N20G65P9100 R2 X-60 Y620 Z225

N30G65P9100 R3 X577 Y187 Z225

N40G65P9100 R4 X563 Y-23 Z225

N50G65P9100 R5 X0 Y616 Z225

該程序測量5個點的坐標后，需要將坐標值賦予相應變量。測量點坐標值與變量的對應關系見表1。

表1 測量點坐標值與變量對應關系

2）自動計算程序如下。

N10 (#18:R;#19:S)；主程序宏調用時所用的字母與子程序宏局部變量對應關系

N20 WHILE[[#19GE1]AND[#19LE5]]DO1；當宏局部變量1≤#19≤5時執(zhí)行N10程序段

N30 G31；宏程序中的走直線指令代碼

N40 #513=#19；將子程序宏局部變量#19的值存儲至變量#513

N50 GOTO10

N60 END1；結束程序段N10

N70 #151=1(Calulator)；變量#151賦值1

N80 #152=1(MAX_No.)；變量#152賦值1

N90 #153=1(MIN_No.)；變量#153賦值1

N100 #154=#702(SUM)；將變量#154值存儲至變量#702

N110 WHILE[#151LT5]DO1；當變量#151≤5時，執(zhí)行N10程序段

N120 G31

N130 IF[#[699+#152*3]L T#[702+#151*3]]THEN#152=#151+1；如果變量#[699+#152*3]的值小于變量#[702+#151*3]的值，則變量#152等于變量#151進1

N140 G31

N150 IF[#[699+#153*3]G T#[702+#151*3]]THEN#153=#151+1；如果變量#[699+#153*3]的值大于變量#[702+#151*3]的值，則變量#153等于變量#151進1

N160 #154=#154+#[702+#151*3]；令變量#154的值等于自身與變量#[702+#151*3]的和

N170 #151=#151+1；變量#155值進1

N180 END1

N190 WHILE[[#[699+#152*3]-#[699+#153*3]]GT#609]DO1；當變量#[699+#152*3]與變量#[699+#153*3]值的差大于變量#699時，執(zhí)行N10程序段

N200 #155=0；將變量#155值清零

3）自動判斷程序如下。

N10 WHILE[#155LT5]DO2#[100+#155]=#[702+#155*3]；當變量#155＜5時，執(zhí)行N20程序段，令變量#[100+#155]與變量#[702+#155*3]值相等

N20 #155=#155+1

N30 END2

N40 #3000=6(Great difference in height measurement!)；變量#3000賦值6，機床執(zhí)行報警信息

N50 END1

N60 WHILE[#19LT1]DO1；當宏局部變量#19＜1時，執(zhí)行N10程序段

N70 #156=0

N80 WHILE[#156LT5]DO2#[160+#156]=#[702+#156*3]-#154/5；當變量#156的值＜5時，執(zhí)行程序段N20，令變量#[160+#156]的值等于變量#[702+#156*3]與變量#154/5的差

N90 #156=#156+1

N100 END2

N110 #517=1

N120 G31

N130 #513=1

N140 WHILE[#517LT5]DO2；當變量#517的值＜5時，執(zhí)行N20程序段

N150 G31

N160 IF[ABS[#[159+#513]]GT[ABS[#[160+#517]]]]THEN#513=#517+1；如果變量#[159+#513]的絕對值大于變量#[160+#517]的絕對值，則變量#513的值等于變量#517的值進1

N170 #517=#517+1

N180 END2

N190 GOTO10

N200 END1

N210 G31

N220 #513=#152

N230 WHILE[#18EQ0]DO1(#_WZCMN[4]---EXT)；當宏局部變量#18的值為0時，執(zhí)行N10程序段

N240 #5204=#[699+#513*3]-#[11000+#610]-#[516+#513*10]；變量#5204為機床Z軸機械坐標系變量

N250 GOTO20

N260 END1

N270 WHILE[[#18GE54]AND[#18L E59]]DO1(#_WZG54[4]---G54)；當宏局部變量54≤#18≤59時，執(zhí)行N10程序段

N280 #[5224+[#18-54]*20]=#[699+#513*3]-#[11000+#610]-#[513+#513*10]

N290 GOTO20

N300 END1

N310 WHILE[[#18GE1]AND[#18LE48]]DO1(#_WZP1[4]---G54.1P1)；當宏局部變量1＜#18＜48時，執(zhí)行N10程序段

N320 #[6984+#18*20]=#[699+#513*3]-#[11000+#610]-#[513+#513*10]

N330 GOTO20

N340 END1

N350 #3000=2(R value exceeds the specified range!)；變量#3000賦值2，機床執(zhí)行報警信息

N360 M99；子程序結束返回

3.2 工件坐標系中心的確定原理

利用雷尼紹測頭分別打點測量回轉支承安裝面上的3個定位銷孔（P1、P2、P3）內(nèi)壁上的4個點，確定各銷孔中心坐標。依據(jù)不在同一直線上的三點確定一個圓的原理，程序根據(jù)各銷孔中心坐標自動計算出主架回轉中心O的坐標值，并將其定為工件坐標系的中心，即工件加工基準（坐標系）。換算原理如下。

假設3個定位銷孔中心坐標分別為P1（x1，y1）、P2（x2，y2）、P3（x3，y3），求回轉中心O坐標（x，y），3個定位銷孔與回轉中心O的幾何關系如圖3所示。根據(jù)同一圓上的點到圓心距離相等，可得出（x－x1）2+（y－y1）2＝（x－x2）2+（y－y2）2＝（x－x3）2+（y－y3）2，從而可求得x、y的值。

圖3 定位銷孔與回轉中心幾何關系

3.3 修正補償宏程序的開發(fā)

實際加工中，主架二次裝夾后會存在一定誤差。根據(jù)前文所述的工件坐標系中心確定原理，利用雷尼紹測頭自動測量加工中心已加工的定位銷孔二次裝夾后的實際位置P11、P21、P31，確定出回轉中心O，如圖4所示。建立起定位銷孔P1（圖樣）與P11（實際）的數(shù)學關系，利用程序自動計算出OP1與OP11之間的角度α。

圖4 二次裝夾后定位銷孔與回轉中心幾何關系

修正補償宏程序如下。

N10 G65P9102D20R1 X-644.1 Y-0.5 Z205；調用9102子程序測已知銷孔圓心坐標

N20 G65P9102D20R2 X592.7 Y252.1 Z205；同上

N30 G65P9102D20R3 X616.1 Y-188 Z205；同上

N40 G65P9104A1B2C3；計算三點所在圓的圓心坐標

N50 G65P9105Q0R54U0V0；將圓心坐標送入到工件坐標系

N60 #709=#511；將X坐標提取到變量#709

N70 #710=#512；將Y坐標提取到變量#710

N80 G65P9103A1B4Q0；計算旋轉角度

N90 #920=#515；提取旋轉角度值

N100 T1M6(ZHONG-XIN-ZUAN)；換刀

N110 G54X0Y0

N120 G68X0Y0R#920；坐標系旋轉補償

N130 G00G90X0Y0

N140 G43Z100H1；建立刀具長度補償

N150 S1000M3

N160 Z15

N170 G16X-644Y0

N180 G98G81Z-5 R10 F80；開始鉆孔加工

3.4 效果驗證

為驗證在數(shù)控鉆床研究開發(fā)的宏程序能否滿足設計要求，選取5臺主架進行可行性加工試驗，經(jīng)三坐標測量儀檢測，回轉支承螺紋聯(lián)接孔全部符合設計和質量要求。通過加工過程改進，成功解決了我公司主架分工序加工中因二次裝夾誤差而造成的工件繞加工基準旋轉，導致孔移位的問題。

4 結束語

工程機械大型結構件大多為焊接構件，體積和質量大，為了保證加工精度和加工質量，對加工工藝有較高要求。通過本文介紹的改進方法，不但解決了我公司主架加工過程中出現(xiàn)的問題，而且同時實現(xiàn)了主架在數(shù)控鉆床自動測量、計算、判斷和修正補償?shù)娜虩o人化加工，對數(shù)控加工技術的提升以及發(fā)揮數(shù)控設備自動化加工優(yōu)勢有借鑒意義。