直线度中凹 (中凸)可控的数控磨削解决方法

林树海，宁秀月，王永明，吴海舰

( 沈机集团昆明机床股份有限公司，云南昆明650203)

某公司在用数控导轨磨床磨削工作台大面及床身、立柱、拖板的导轨面时，工艺及设计对这些零件均有一定的中凹或中凸要求，以便机床装配或使用时满足各项性能的要求。对于一些厚度相对较小的零件，可以采用传统的预变形方式磨削，即在加工时，预先把零件中部顶起或压下去，产生一定的预变形，然后磨削，磨削完工后，工件表面为一平面，当拆除外加的力时，工件即变形为所需的凹凸形状。这种方式能够解决一小部分零件的加工要求，而对于那些厚度较大、刚性好的零件，不易采用这种办法，而且采用预变形的方式严重依赖操作者的个人能力及经验，极难准确掌握和控制加工精度，所以零件质量不可控［1］。

由于数控磨床 (如数控平磨和数控导轨磨床(见图1))与一般镗铣类机床三轴以上的联动方式不一样，工作台前后运动是独立控制的，不能与砂轮联合控制，砂轮(磨头)只能两轴联动，即横向z 轴和高度方向y 轴联动(一般砂轮横向移动为z 轴，砂轮高度方向移动为y 轴，工作台前后移动为x 轴［2］)，而曲面磨削砂轮必须要与工作台联动，因此不能采用通常的数控编程软件实现曲面磨削。作者编制一个专用软件，利用软件自动生成数控程序，使磨头与工作台运动近似实现联动控制，从而解决此问题。

图1 导轨磨床运动坐标示意图

1 编程思路

输入(获取)机床的工艺数据:工作台移动速度或单行程时间，工作台移动范围(长)，砂轮横向移动范围 (宽)，砂轮进给速度，零件大小 (长，宽)，中凹(中凸)要求，并加入图形修正参数。中凹(中凸)采用正弦曲线(根据需要，也可为其他曲线)，根据机床工作台的运动速度计算出某一时间点砂轮在零件表面的位置，并通过软件自动计算出磨削过程中每一点的坐标数据及相应点的进给速度，输出为一个程序文件，操作者再根据各机床数控系统的特点人工输入程序的开始和结尾及一些工艺参数完善一下数控程序即可，也可以把它作为一个子程序来调用(例如在西门子数控系统中，作为主程序用时采用“M30”结尾，作为子程序用时采用“M17”结尾)［3］。

2 编程环境

采用的编程环境为Visual FoxPro 9.0，编译后的软件可以在WIN9X、XP、WIN7 等各类32 位系统环境下运行。作者对直线度和平面度的可控中凹/凸磨削做了分析和软件的编制，并集成在一个软件里，分成不同的模块，软件内有使用说明(“Help”菜单)。下面重点介绍直线度的可控中凹(中凸)磨削软件的编程原理及思路。

3 编程原理

3.1 机床数控系统工作环境及参数单位

机床数控系统坐标系采用笛卡尔直角坐标系，采用公制即毫米(mm)为编程单位，输入的长度及行程参数单位采用毫米 (mm)，时间单位为分钟(min)，机床及砂轮进给率由用户选择，可为毫米/分钟(mm/min)，也可为时间的倒数(1/min)。

3.2 要输入数据的变量及含义

LL 为零件长，H 为零件中凹/凸值，L 为机床工作台行程，v1为机床工作台运动速度，T1为机床工作台单行程时间，XZH 为中凹/凸修正值，XZXS 为中凹/凸修正系数，Y0为砂轮初始高度坐标，轴名为砂轮高度轴名(为“XYZ”之一)，QYCD 为坐标数据采样长度(注:数据不宜过密，因为相邻两点坐标小于0.001 mm，则数控系统无法识别，所以软件内要给出检测和提醒以及自动修正)。

3.3 部分中间变量及含义

DL 为砂轮相对工作台的即时位置;

HH 为在加工范围内换算的中凹/凸值(因加工范围大于零件尺寸);

DY 为砂轮瞬时相对基准平面的高度;

轴1 (Y)为砂轮瞬时高度坐标;

DT 为机床通过一个取样长度是需要的时间;

DF 为砂轮在每一个取样长度内的即时进给量。

3.4 程序数学模型及原理

零件的凸/凹轨迹曲线决定采用正弦函数曲线:以零件长度中间点为轨迹曲线最低/高点，以零件长度两端头为基准。而实际加工(磨削)时，因零件和机床的工艺系统存在受力变形的问题，因此实际的凸/凹值还要加上一个修正值(XZH)。

另外机床实际磨削行程要大于零件的长度(有反向冲程)，因此在机床运动行程内的实际凸/凹值还要和零件长度有一个比例关系;根据实际需要，零件凸/凹轨迹曲线的曲率还要可适当调整，因此，还要为曲率增加一个修正系数(XZXS);砂轮在零件表面各点的高度坐标，应该为各点的凸/凹值加上零件基准表面的初始坐标;砂轮所处在零件表面的位置由机床工作台的运动速度和经过的时间来算出;砂轮在每一个取样长度内的即时进给量为一个取样长度内的高度差与机床通过一个取样长度时需要的时间的比值，如果程序内进给率要采用时间的倒数，则砂轮的即时进给率就为1/DT。根据以上原则，确定的程序数学模型如下:

换算为在加工范围内的中凹/凸值

砂轮瞬时相对基准平面的高度(函数周期为π)

砂轮瞬时高度坐标

3.5 程序关键计算部分

根据确定的程序数学模型，可以编程计算出砂轮在零件表面上行程内各点的高度坐标及与机床相匹配的砂轮进给量，转换成数控程序代码后保存到临时变量里，供显示和编辑窗口调用。各相邻两点间的距离采用取样长度，其中砂轮进给量为相邻两点间的高度差与机床移动过取样长度的时间的比值。关键计算部分［4－5］如下:

DY1 =0//用于计算时存储上一点的高度坐标

For DL=1 To L Step QYCD//以取样长度为间隔，计算每一段的砂轮瞬时坐标及速度

DY= －HH* (Sin (Pi ()* (DL/L)))*＊ (XZXS+1)//砂轮瞬时相对高度坐标

轴1 =DY+Y0//砂轮瞬时高度坐标

IF 进给= “mm/min”

DF=ABS (DY －DY1)/DT//砂轮进给速度，DY－DY0 =相邻两点的高度差

DY1 =DY//存储上一点的高度坐标

ELSE//进给= “1/min”

DF= 1/DT

ENDIF

数据=轴名+Alltrim (Str (Int (轴1* 1 000)/1 000，10，3)) +" F" + Alltrim (Str (Int (DF*1 000)/1 000，10，3))//将要保存的数据转换成数控程序代码段

临时保存变量= 临时保存变量+ 数据+ Chr(13) +Chr (10)//将数控程序代码段合并成数控程序文件并保存到临时变量里，chr (13) + chr

(10)为DOS 下的换行符

ENDFOR

3.6 数据保存部分关键程序

鼠标点击保存按钮后，软件会弹出文件保存窗口，经用户选择或输入文件名后，把保存到临时变量里的数控程序保存到文件中，供用户调用和修改、编辑。数据保存功能的部分关键程序如下:

FILENAME = Putfile (" 选择保存路径及文件名!"，Dtoc (Date ()) + " _ " + Alltrim (Str(Int (Seconds ())))，" txt;nc")//选择或输入要保存的文件名

gnFile = Fcreate (FILENAME)//打开文件，如果不存在，就自动创建它

=Fwrite (gnFile ，临时保存变量)//将转换的数控程序写入文件

=Fclose (gnFile )//关闭文件［4－5］

其他功能(绘图功能，帮助说明功能)(略)。

4 生成的程序使用方法

生成的程序还要由操作者再根据各机床的数控系统特点人工输入程序的开始和结尾及一些工艺参数才成为一个完整的数控程序，也可以把它作为一个子程序来调用(例如在西门子数控系统中，作为主程序用时采用“M30”结尾，作为子程序用时采用“M17”结尾);因砂轮与机床工作台不能联动，要控制机床运行到端头时才能启动程序。通过输入(变换)不同的坐标轴，可以准确控制磨削顶面(如图1 中面A)、侧面(如图1 中面B、C)，底面的直线度(如图2 中面D、E)。

图2 某龙门铣横梁示意图

5 程序界面及实例

例如某4 000 mm 长的床身零件，某导轨面中凸要求为0.05 mm，软件输入界面及生成的坐标数据文件如图3 所示。

图3 程序界面及实例

生成的数控程序略。

还可以根据一些典型零件规格及凹凸要求，生成一些典型程序，再辅以机床数控系统的坐标比例缩放功能，让生成的典型程序适用于更多零件的磨削加工。这样既满足加工要求，又减少程序数量，从而减少程序编制时间，提高加工效率。

6 结论

提供了一种实现可控外形数控磨削的方法和思路，间接地实现了非联动轴的联动控制，解决了厚度和尺寸较大零件加工时需要预变形的难题。此外，对于磨床横梁变形，精度丧失，导致加工精度难以保证的情况可以通过该编程软件进行反向修正，从而保证加工精度;而且，在零件平面呈大弯曲的时候，也可以通过该编程软件修正。总之，该软件用途广泛，使用方便，具有良好的实用价值和借鉴意义，同时欢迎广大读者朋友不吝指正。

【1】李新生.机械加工技术基础［M］. 北京:机械工业出版社，2007.

【2】吴祖育，秦鹏.数控机床［M］.2 版.上海:上海科学技术出版社，1998.

【3】西门子840D 编程说明书(高级部分)［M］. 西门子公司，2004.

【4】张微微，周峰.Visual FoxPro 9.0 数据库开发基础与实践教程［M］.北京:电子工业出版社，2009.

【5】李子丰. Visual Foxpro 程序设计［M］. 北京:科学出版社，2010.

【6】黄天铭.机械制造工艺学［M］.重庆:重庆大学出版社，1988.

【7】全国技术切削机床标准化技术委员会.GB/T 5288-2007龙门导轨磨床精度检验［S］. 北京:中国标准出版社，2007.