不均勻毛坯數控車削工步規劃與數據存儲
引言
工藝規劃是數控車削編程中的重要環節。合理的規劃可以有效提高生產效率，提高零件表面質量。目前，常規零件的數控車削工藝規劃方法已經研究得較多日較成熟，并且開發了相應的cam軟件系統，為數控自動編程提供了有力的工具。
但是，在車削編程中存在一類零件，其特點是斷面輪廓復雜，日毛坯尺寸大小不一。這是由于我國的機械加工設備相對落后，軋制的毛坯精度較低造成的。此時，通常按照zui大毛坯尺寸編程，其結果是出現空切，加工效率降低。數控車削工藝規劃的目標是追求單件工時-zui短（高生產率）或加工成木zui低，邊界約束條件是無幾何干涉和工藝干涉。
因此，在具有切削力檢測功能的數控系統中，對于毛坯制造誤差大的工件的數控加工，可以采用切削力傳感器在線測量毛坯的加工余量，根據加工余量來確定何個車輪不同部位的切削工藝參數（切削厚度、走刀次數等），這樣可以針對不同的毛坯加工時采用不同的走刀方法，從而節約加工時間。本文擬以火車車輪的數控車削為例，述大散差回轉體零件車削加工時加工余量在線測量的原理、測量方法以及刀具軌跡生成方法，并討論進給量和切削速度的確定方法。
1毛坯加工余量在線測量
圖1為某規格火車輪的半剖圖，由于毛坯是采用熱軋方法制作，毛坯尺寸大小不均，故加工余量不均勻，可采用毛坯加工余量在線測量的方法確定走刀次數和何刀的切削深度。
1.1 測量原理
加工余量在線測量需要利用數控系統的切削力檢測功能。力檢測系統安裝在刀架上，其核心是測力傳感器，可把力信號轉換為電壓信號，并通過串口通信協議傳輸到cnc中。在該傳感器中可以預設一門檻值（通常設置為車輪材料鉻錳鋼的屈服極限值σs）。當刀具和工件接觸并開始切削時，切削力突然增加，當切削力達到設定的門檻值時，數控系統將自動結束當前測量程序段的切削，并記下刀具當前位置的x和z坐標值，經過計算得到某一部位的余量，存入數控系統。從表象上看，刀具一接觸到工件即退刀，即在一個測量點測量時僅切一刀。
1.2 測量的方法
由加工余量測量原理可知，測量時刀具沿工件加工ici的法向切入。圖2是加工余量在線測量不怠圖。圖中，a（x,y）點為規劃的測量點，刀具半徑為 r，測量切入時刀具沿工件表ici的法向切入，可以不算出圖中所t的切削余量的單位法矢量n,其方向與圖中測量切入段矢量ea方向相反。設θ為進刀方向與水平線的夾角，則n= （cos, sinθ ） 。
設刀尖和工件接觸時刀具中心x向半徑坐標為r601，則精加工輪廓上的點a與刀心o的距離ao=（r601-x）/cosθ
總切削余量ttotal = a0- r = （r601-x ） / cosθ -r，設精加工余量為t,，則由總余量可計算得粗加工余量t = ttotal – tr =（r601-x）/cosθ-r-tr。
已知加工余量為ttotal，進刀軌跡為d→e→0，退刀軌跡為o→f→g。設允許zui大切深為tmax，則粗加工循環次數n為
式中的符號“[]”表不向上取整。實際編程時何刀的切削深度為treal,=t/n。將成品輪廓沿法向先平移t r距離，再平移n次，何次平移距離為treal，可以獲得刀具運動軌跡。
1.3余量測量走刀規劃
測量過程工藝規劃包括測量點的確定、測量切入段規劃和測量切出段規劃。為了保證加工余量測量的正確性，在測量切入段時，必須保證刀具沿零件表面的法線方向切入工件。
2 加工過程規劃
2.1 切入段和切出段規劃
加工不同工件時，刀具切入切出方式可能不同，常見的切入切出方向有法向、切向和斜向，可以根據待加工表面的起始位置、終止位置和相鄰表面的幾何形狀確定。合理地規劃切入切出方向，可以防止或減輕刀具切入、切出工件時一的沖擊。
2.2 切削段規劃
毛坯制造精度低（例如，加工余量大，偏心大，曲率大或余量不均勻等）的工件當數控加工時，若按常規方法加工可能會損壞刀具甚至無法加工。這種情況下，可采用幾種特殊類型的加工方法。
（1）變進給量切削:當刀具進入切入段后，逐漸提高進給量。當毛坯偏心較大時一采用該方法。
（2）工步交叉切削:當前工步走完某一刀后，轉而跳到下一工步進行切削，走完下一工步的一刀后，再繼續完成當前工步未完成的走刀，如此反復。該方法卞要用十工件輪廓曲率較大而日加工余量不均勻處的加工。
（3）多次走刀切削:多次走刀時一，刀具切入點、切出點位置可變，以防止刀具在切入點或在切出點處刀具包容量過大而發生過切現象。當某一部位加工余量特別大時一采用該方法。
（4）恒線速度切削:例如切削輻板時一，若卞軸轉速不變，則在整個刀具路徑行程中，切削速度變化很大。采用恒線速度切削是理想的方案。
圖3是采用上述工步規劃原則和規劃方法對k860b型車輪進行規劃的結果。圖中，虛線為進退刀軌跡。1010等數據為當前工步標識碼。
2.3進給量的選擇和切削速度的確定
進給量通常根據經驗選取。粗加工時，根據加工材料、車刀刀桿尺寸、工件直徑和何刀切深來選擇進給量。半精加工和精加工時，按粗糙度要求，根據工件材料、刀尖圓弧半徑和切削速度等選擇進給量。切削速度通常也根據經驗選取。粗車時常選擇較低的切削速度，精車時可選擇較高的切削速度。此外，還要綜合考慮材料的加工性能、刀具的切削性能、工況等因素確定合理的切削速度。
3 加工規劃數據存儲
工藝規劃數據存儲分為三個步驟:單個工步數據的存儲、工步間的數據存儲、工步數據的集成存儲。
3.1 單個工步數據的存儲
工藝規劃過程是以人機圖形交互方式進行的，工步是加工規劃和數據存取的基木單兒，何個工步數據由刀具數據和切削工藝數據兩個部分構成。刀具數據包括刀號、刀具補償方式等;切削工藝數據包括切削參數、切入段、切削段、切出段、工步交叉等信息。何個工步的數據結構如下:
由于工步數據量大，采用結構來記錄這些信息可以協調數據的內在。
3.2 工步間的數據存儲
每個工序是由若干個工步組成，規劃后的工步數據隨時可能修改，這就要求這些數據的存儲結構能夠方便地實現工步的添加、修改、刪除、左右刀架工步的對調等任務。利用雙向鏈表存儲這些數據，可以確保加工規劃過程有足夠的靈活性。
在雙向鏈表的結點中有兩個指針域，其一指向直接后繼，另一個指向直接前趨。數據結構定義如下:
3.3 工步數據的集成存儲
擴展數據段是cad平臺提供的自定義數據格式，借助它可以很方便地在實體中按不同的需求分門別類地存取不同的數據（包括圖形數據和非圖形數據）。集成產品模型中的任何兒素均可追加輔助數據，作為屬性數據或屬性連接數據加以引用。
例如，線串、多邊形和曲線在設計時表現形式是相似的，頭信息后面是頂點的數目，再后面是何個頂點的坐標。這些類型在單個兒素中出現次數是有限的。多邊形與線串的不同點在十多邊形的*個頂點與zui后一個頂點坐標必須相同。對于曲線，頂點集合的開始與末尾處有兩個“額外”的點，用十確定端點的曲率。擴展實體數據是在常規的圖形數據基礎上增加按一系列分類代碼組合而成的數據塊，已與常規數據一起構成內容更加一泛的實體數據。由十不同的應用場合要求存取不同的數據，因此擴展實體數據按應用類型分組，形式如下:
4 結論
本文闡述了尺寸不均勻的毛坯在車削工藝規劃中加工余量的在線測量方法、工藝規劃方法及規劃數據的存儲方法，其實質是改變毛坯單一固定切削用量的加工方法，而采用變切削次數和變切削用量的方法，實現對不同的毛坯采用不同的走刀方法，從而有效提高加工效率。使用的雙鏈表數據結構存儲各工步數據，并使用擴展數據段將雙鏈表結構的工步數據表追加到數控加工模型中，有利十提高數控編程后處理中代碼的簡潔性和性。
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但是，在車削編程中存在一類零件，其特點是斷面輪廓復雜，日毛坯尺寸大小不一。這是由于我國的機械加工設備相對落后，軋制的毛坯精度較低造成的。此時，通常按照zui大毛坯尺寸編程，其結果是出現空切，加工效率降低。數控車削工藝規劃的目標是追求單件工時-zui短（高生產率）或加工成木zui低，邊界約束條件是無幾何干涉和工藝干涉。
因此，在具有切削力檢測功能的數控系統中，對于毛坯制造誤差大的工件的數控加工，可以采用切削力傳感器在線測量毛坯的加工余量，根據加工余量來確定何個車輪不同部位的切削工藝參數（切削厚度、走刀次數等），這樣可以針對不同的毛坯加工時采用不同的走刀方法，從而節約加工時間。本文擬以火車車輪的數控車削為例，述大散差回轉體零件車削加工時加工余量在線測量的原理、測量方法以及刀具軌跡生成方法，并討論進給量和切削速度的確定方法。
1毛坯加工余量在線測量
圖1為某規格火車輪的半剖圖，由于毛坯是采用熱軋方法制作，毛坯尺寸大小不均，故加工余量不均勻，可采用毛坯加工余量在線測量的方法確定走刀次數和何刀的切削深度。
1.1 測量原理
加工余量在線測量需要利用數控系統的切削力檢測功能。力檢測系統安裝在刀架上，其核心是測力傳感器，可把力信號轉換為電壓信號，并通過串口通信協議傳輸到cnc中。在該傳感器中可以預設一門檻值（通常設置為車輪材料鉻錳鋼的屈服極限值σs）。當刀具和工件接觸并開始切削時，切削力突然增加，當切削力達到設定的門檻值時，數控系統將自動結束當前測量程序段的切削，并記下刀具當前位置的x和z坐標值，經過計算得到某一部位的余量，存入數控系統。從表象上看，刀具一接觸到工件即退刀，即在一個測量點測量時僅切一刀。
1.2 測量的方法
由加工余量測量原理可知，測量時刀具沿工件加工ici的法向切入。圖2是加工余量在線測量不怠圖。圖中，a（x,y）點為規劃的測量點，刀具半徑為 r，測量切入時刀具沿工件表ici的法向切入，可以不算出圖中所t的切削余量的單位法矢量n,其方向與圖中測量切入段矢量ea方向相反。設θ為進刀方向與水平線的夾角，則n= （cos, sinθ ） 。
設刀尖和工件接觸時刀具中心x向半徑坐標為r601，則精加工輪廓上的點a與刀心o的距離ao=（r601-x）/cosθ
總切削余量ttotal = a0- r = （r601-x ） / cosθ -r，設精加工余量為t,，則由總余量可計算得粗加工余量t = ttotal – tr =（r601-x）/cosθ-r-tr。
已知加工余量為ttotal，進刀軌跡為d→e→0，退刀軌跡為o→f→g。設允許zui大切深為tmax，則粗加工循環次數n為
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1.3余量測量走刀規劃
測量過程工藝規劃包括測量點的確定、測量切入段規劃和測量切出段規劃。為了保證加工余量測量的正確性，在測量切入段時，必須保證刀具沿零件表面的法線方向切入工件。
2 加工過程規劃
2.1 切入段和切出段規劃
加工不同工件時，刀具切入切出方式可能不同，常見的切入切出方向有法向、切向和斜向，可以根據待加工表面的起始位置、終止位置和相鄰表面的幾何形狀確定。合理地規劃切入切出方向，可以防止或減輕刀具切入、切出工件時一的沖擊。
2.2 切削段規劃
毛坯制造精度低（例如，加工余量大，偏心大，曲率大或余量不均勻等）的工件當數控加工時，若按常規方法加工可能會損壞刀具甚至無法加工。這種情況下，可采用幾種特殊類型的加工方法。
（1）變進給量切削:當刀具進入切入段后，逐漸提高進給量。當毛坯偏心較大時一采用該方法。
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3 加工規劃數據存儲
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3.1 單個工步數據的存儲
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由于工步數據量大，采用結構來記錄這些信息可以協調數據的內在。
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例如，線串、多邊形和曲線在設計時表現形式是相似的，頭信息后面是頂點的數目，再后面是何個頂點的坐標。這些類型在單個兒素中出現次數是有限的。多邊形與線串的不同點在十多邊形的*個頂點與zui后一個頂點坐標必須相同。對于曲線，頂點集合的開始與末尾處有兩個“額外”的點，用十確定端點的曲率。擴展實體數據是在常規的圖形數據基礎上增加按一系列分類代碼組合而成的數據塊，已與常規數據一起構成內容更加一泛的實體數據。由十不同的應用場合要求存取不同的數據，因此擴展實體數據按應用類型分組，形式如下:
4 結論
本文闡述了尺寸不均勻的毛坯在車削工藝規劃中加工余量的在線測量方法、工藝規劃方法及規劃數據的存儲方法，其實質是改變毛坯單一固定切削用量的加工方法，而采用變切削次數和變切削用量的方法，實現對不同的毛坯采用不同的走刀方法，從而有效提高加工效率。使用的雙鏈表數據結構存儲各工步數據，并使用擴展數據段將雙鏈表結構的工步數據表追加到數控加工模型中，有利十提高數控編程后處理中代碼的簡潔性和性。
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