詳解擺線輪磨削軟件與數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)
2020-8-3 來源：北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院 作者：張躍明，楊申春，紀(jì)姝婷，冀永虎，趙飛
摘要: 對(duì)于具有復(fù)雜曲面輪廓的 ＲV 減速器擺線輪的制造，通過輔助制造軟件對(duì)齒廓進(jìn)行設(shè)計(jì)和修形并根據(jù)最終齒廓曲線自動(dòng)生成 G 代碼數(shù)控程序通過數(shù)控系統(tǒng)直接讀取加工，可以減輕工人的編程工作量，提高生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞: 擺線輪; 齒廓修形; 數(shù)控系統(tǒng)
隨著制造業(yè)快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的使用也越來越廣泛，自然而然地對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的功能要求也越來越高。因?yàn)殡S著機(jī)械設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，科研人員不斷更新改進(jìn)機(jī)械機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致機(jī)械加工中所需要加工的零部件越來越復(fù)雜，精度要求也越來越高。對(duì)于簡(jiǎn)單的零件，工作人員可以根據(jù)零件圖來手工編寫 G 代碼數(shù)控程序并手動(dòng)輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，因?yàn)槌绦蛳鄬?duì)比較簡(jiǎn)單。
而對(duì)于具有復(fù)雜曲面輪廓并且要求輪廓度誤差較小的零部件，完全憑手工編程就不可取了。眾所周知數(shù)控加工是走插補(bǔ)的，在編寫非圓曲面加工 G 代碼數(shù)控程序時(shí)，所取的點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離取決于所要求的輪廓度誤差值的大小，輪廓度要求越高，取點(diǎn)將越密集。
為了保證輪廓度誤差和表面粗糙度的質(zhì)量，通常會(huì)將一小段輪廓曲線分割為成百上千段，這將導(dǎo)致 G 代碼程序非常復(fù)雜，將不再適合手工編程，這就使得數(shù)控系統(tǒng)自帶的功能很難完全滿足生產(chǎn)需求。
為了生產(chǎn)加工方便，提高生產(chǎn)效率，通過對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)或者編寫相關(guān)的輔助加工軟件對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展，可以解決該難題，并在生產(chǎn)中也得到了驗(yàn)證，效果也非常顯著。
文中將以陸聯(lián)擺線齒輪磨床為例，詳細(xì)分析機(jī)床上的擺線輪磨削軟件與數(shù)控系統(tǒng)之間的聯(lián)系，探索為何該設(shè)備能高效率地加工出高精度的擺線輪。
1 、擺線輪軟件
陸 聯(lián) 擺 線 齒 輪 磨 床 是 一 臺(tái) 專 用 機(jī) 床，使 用FANUC32i 數(shù)控系統(tǒng)，主要以成形磨削的方式加工機(jī)器人關(guān)節(jié) ＲV 減速器中的核心零件擺線輪。擺線輪的齒廓曲線是非圓弧曲線，要求的輪廓度誤差在 0. 004mm 以內(nèi)，所以常規(guī)的圓弧插補(bǔ)指令 G02、G03 將不再適用。
想要加工出如此高精度的零件，就要求在編寫 G 代碼數(shù)控程序時(shí)，將齒輪曲線分割成多段走直線插補(bǔ)。插補(bǔ)段數(shù)越多，機(jī)床的加工軌跡將越接近理論齒廓，這對(duì)于手工編程人員是一個(gè)巨大的工作量。機(jī)床上的擺線輪磨削軟件可以直接設(shè)計(jì)擺線輪齒廓并可對(duì)齒廓曲線進(jìn)行分析處理，自動(dòng)生成 G 碼數(shù)控程序，減輕工人的勞動(dòng)量，顯著提高生產(chǎn)效率。
擺線輪磨削軟件是以 VB 語(yǔ)言編寫的，和數(shù)控系統(tǒng)軟件一起安裝在 PC 機(jī)上，軟件從功能上可以分成兩部分: 擺線輪齒形設(shè)計(jì)部分和 G 代碼數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)部分。
1. 1 擺線輪齒形設(shè)計(jì)部分
該部分主要包括齒輪設(shè)定模塊 ( 見圖 1) 和修砂路徑模塊 ( 見圖 2) 。齒輪設(shè)定模塊可對(duì)初步設(shè)定擺線輪參數(shù) ( 傳動(dòng)比、偏心距、中心圓直徑等) 和設(shè)備參數(shù) ( 金剛輪 Ｒ 角、砂輪厚度) ; 在修砂路徑模塊，可以根據(jù)需要再次對(duì)擺線輪齒廓進(jìn)一步修形，既可以使用自定齒形功能導(dǎo)入自己設(shè)計(jì)的輪廓曲線的數(shù)據(jù)，也可以通過拉動(dòng)左右兩邊的 14 個(gè)點(diǎn)手動(dòng)修形，或者兩者相結(jié)合。
齒輪設(shè)定模塊
修砂路徑模塊
1. 2 G 代碼數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)部分
該部分主要是加工參數(shù)模塊，該模塊又細(xì)分為加工設(shè)置、修砂設(shè)置、對(duì)刀設(shè)置以及研磨部分。加工設(shè)置中最重要的是要設(shè)置坐標(biāo) ( 見圖 3) ，該軟件中所使用的坐標(biāo)與數(shù)控系統(tǒng)的坐標(biāo)完全一致，以避免自動(dòng)編寫 G 代碼程序時(shí)坐標(biāo)系混亂。修砂設(shè)置和對(duì)刀設(shè)置分別執(zhí)行砂輪修整功能和對(duì)刀功能。在研磨設(shè)置模塊，可以設(shè)置數(shù)控加工的磨削用量，如圖 4 所示。
坐標(biāo)設(shè)定
研磨設(shè)置
2 、數(shù)控系統(tǒng)與磨削軟件的關(guān)聯(lián)
通過對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)和磨削軟件的仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)該軟件簡(jiǎn)單來說只是一個(gè)設(shè)計(jì)擺線輪齒形進(jìn)而根據(jù)齒形數(shù)據(jù)生成數(shù)控加工 G 代碼程序的工具。齒輪設(shè)定模塊、修砂路徑模塊以及加工參數(shù)模塊中的加工設(shè)置部分都是生成 G 代碼程序的前提準(zhǔn)備部分。當(dāng)前面的部分都依次設(shè)定好之后，才能逐步激活下面的模塊。其中修砂、對(duì)刀和研磨都需要生成 G 代碼程序以便于數(shù)控機(jī)床能夠啟動(dòng)運(yùn)行，所以在參數(shù)設(shè)定好之后，點(diǎn)擊右下角的傳送按鈕，軟件即可自動(dòng)生成與該功能部分相適應(yīng)的 G 代碼程序并自動(dòng)保存在電腦硬盤里面。
打開數(shù)控系統(tǒng)軟件的程序界面 ( 如圖 5 所示) ，發(fā)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)里面已經(jīng)為磨削軟件適配了一個(gè)主程序，磨削軟件中所有功能 ( 修砂、對(duì)刀、研磨) 的執(zhí)行都需要借助于該主程序，也就是說磨削軟件是通過主程序與數(shù)控系統(tǒng)相聯(lián)系的。
CNC 主程序
通過對(duì)主程序的層層閱讀和分析，發(fā)現(xiàn)主程序只是一個(gè)執(zhí)行子程序調(diào)用和機(jī)床停止功能的簡(jiǎn)單程序，修砂、對(duì)刀和研磨的具體執(zhí)行語(yǔ)句都在磨削軟件生成的子程序里面。也就是說，主程序只是執(zhí)行子程序調(diào)度功能，具體的功能執(zhí)行取決于子程序，而子程序的生成就與前面的修砂、對(duì)刀和研磨功能的選擇有關(guān)了，在哪個(gè)功能模塊中點(diǎn)擊傳送按鈕，軟件就會(huì)自動(dòng)生成該功能的執(zhí)行子程序，進(jìn)而通過主程序的調(diào)用使數(shù)控機(jī)床執(zhí)行。
3 、研磨功能的執(zhí)行過程
現(xiàn)在以研磨功能的執(zhí)行過程為例，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)和磨削軟件的運(yùn)行機(jī)制以及相互關(guān)聯(lián)進(jìn)行詳細(xì)分析。
( 1) 首先是準(zhǔn)備功能部分: 擺線輪齒形初步設(shè)計(jì)→通過修砂路徑模塊對(duì)擺線輪進(jìn)行再次修形→通過加工設(shè)置輸入機(jī)床坐標(biāo)以及其他相關(guān)參數(shù)。
( 2) 準(zhǔn)備工作做好后，就可以根據(jù)前面設(shè)計(jì)的擺線輪齒廓線數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的修砂輪的 G 代碼數(shù)控程序，執(zhí)行修砂輪程序直到完全修出所設(shè)計(jì)的形狀。對(duì)于成形磨削而言，擺線輪的齒形完全取決于砂輪的形狀，所以必須重視該步驟。
( 3) 然后是激活對(duì)刀設(shè)置模塊開始執(zhí)行對(duì)刀功能，此機(jī)床只是執(zhí)行最后的精加工工序，工件在加工之前就已經(jīng)進(jìn)行了粗加工，毛坯上已經(jīng)有大概的擺線齒形了，只留下了少部分余量以便于提高加工效率。但是值得注意的是，由于毛坯上的余量較少，對(duì)刀時(shí)必須盡量對(duì)正對(duì)準(zhǔn)確，以避免出現(xiàn)擺線輪外徑尺寸已經(jīng)到位了，還有部分齒面沒有完全磨到，這將給零件的齒形輪廓度和表面粗糙度帶來極大的損害。
因此，既要在對(duì)刀之前將砂輪形狀完全修整，也要保證對(duì)刀的準(zhǔn)確度。
(4) 當(dāng)前面所有的工作都確保無誤之后，就可以激活研磨模塊執(zhí)行擺線輪研磨功能了。首先在該界面上設(shè)置好磨削用量: 研磨趟數(shù)、切量、研磨轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度以及修砂頻率和修砂增量等參數(shù)。這些參數(shù)一定要合理設(shè)置，因?yàn)檫@些參數(shù)會(huì)直接在 G 代碼數(shù)控程序中使用。
換言之，當(dāng) G 代碼數(shù)控程序準(zhǔn)確無誤時(shí)，最終加工產(chǎn)品的質(zhì)量很大部分依賴于磨削用量的合理程度。因?yàn)槟ハ魈貏e是高精度磨削加工相對(duì)于刀具加工穩(wěn)定性和加工效率稍差，磨削時(shí)作為刀具的砂輪自身也在損耗，進(jìn)而導(dǎo)致砂輪輪廓發(fā)生變化，影響零件的輪廓度和加工效率。
所以參數(shù)設(shè)置得越合理，擺線輪的精度將會(huì)越高，反之亦然。當(dāng)參數(shù)設(shè)定好之后，點(diǎn)擊右下角的傳送按鈕，即可生成執(zhí)行該功能的 G 代碼數(shù)控程序。啟動(dòng)數(shù)控機(jī)床，首先將會(huì)執(zhí)行 O999 主程序，接著通過外部子程序調(diào)用磨削軟件生成的 O0006 號(hào)子程序和 O0002 號(hào)子程序?qū)ο到y(tǒng)中所用到的宏變量進(jìn)行初始化，其中對(duì)#101 賦值 2。接著執(zhí)行 O0007 號(hào)子程序，該程序具體內(nèi)容如下:
可以看到在 O0007 號(hào)子程序中再次進(jìn)行了外部子程序的調(diào)用。通過分析，O0003 號(hào)子程序和 O0004號(hào)子程序分別是執(zhí)行砂輪修整和對(duì)刀時(shí)所執(zhí)行的 G代碼，而現(xiàn)在是執(zhí)行研磨功能，所以這兩個(gè)子程序并沒有實(shí)質(zhì)性的執(zhí)行語(yǔ)句。接著執(zhí)行 O0005 號(hào)子程序，該程序才是執(zhí)行研磨功能的具體 G 代碼。
如下所示是研磨 4 號(hào)齒的程序段:
G90G01A#100F500．0 ( 擺線輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒的角度為磨削下一個(gè)齒做準(zhǔn)備)
4 、結(jié)束語(yǔ)
當(dāng)需要加工的零部件的 G 代碼程序特別復(fù)雜使得數(shù)控系統(tǒng)自帶功能無法滿足需求時(shí)，通過自己開發(fā)的輔助制造軟件，根據(jù)設(shè)計(jì)好的零件輪廓直接生成 G代碼程序并被數(shù)控系統(tǒng)直接讀取進(jìn)行生產(chǎn)加工，可以減輕工人的編程工作量，提高生產(chǎn)效率。因此編寫好的輔助制造軟件對(duì)于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量是非常重要的，特別是對(duì)于加工具有復(fù)雜曲面輪廓并且要求輪廓度誤差較小的零部件顯得尤為重要。
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