浅谈加工中心上椭圆加工策略
浅谈加工中心上椭圆加工策略
【摘 要】椭圆等非圆曲线的轮廓加工用普通编程难以实现或是比较烦琐，在日常教学过程中通常采用参数编程和计算机自动编程。本文简要叙述了其编程方法，以及刀具半径的合理选择。
【关键词】椭圆 参数编程 MASTERCAM 刀具半径
引言
生产实际中，许多零件的轮廓由双曲线，抛物线，椭圆，螺旋线等非圆曲线组成。因此编程时用普通的编程方法难以实现和比较烦琐，所以我们通常采用机床的参数编程和计算机自动编程。本文以椭圆的轮廓加工为例，将其编程思路介绍给大家。
一、参数编程
非圆曲线加工宏程序的编制并不难，它的原理就是利用微小直线或圆弧逼进被加工曲线，我们只要找到一个变量，用这个变量做微小步进，使得X，Y进行微小的直线或圆弧插补，或者我们用X，Y自身中的一个做为变量进行微小步进，去控制另一个做微小的直线或圆弧插补，它们之间的关系就是前面提到的数学模型，我们只要用宏程序指令把这些数学模型表达出来，并利用变量的变动范围建立一个循环就行了。因此对非圆曲线进行参数编程首先要确定其数学模型，通常这些数学模型在零件图上已经给出，而椭圆只给出了长轴和短轴的尺寸，假如我们要加工椭圆就要建立椭圆的数学模型，根据几何学我们得出椭圆的数学模型的建立有两种方法：
1、同心圆法，其方程1为X=a*cosB,Y=b*sinB
2、解析几何法，其方程2为X2/a2+Y2/b2=1
以上式中a，b分别长轴和短轴，B为椭圆曲线起始相位角和终止相位角的相位差。在方程1中,如果我们以B角做步进,则x和y的数值则随之变化。在方程2中,如果我们以x做步进,则y的数值随之变化。现在我以铣椭圆凸台为例，见图1进行编程。设控制系统为FANUC系统，程序原点在椭圆中心。
图1
用同心圆法为数学模型进行编程，不难看出只要令B角在0°～360°之间进行步进，X，Y就同时随之变化而形成椭圆轨迹。程序如下：
主程序：
O0001
N10 G90 G54 T1 确定座标系，选择刀具
N20 M30 S1000 主轴正转
N30 G00 X45 Y-40 快速定位
N40 G43 H1 Z10 下刀，执行长度补偿
N50 G01 Z-4 F500 进刀
N60 G42 D2 G01 X30 Y0 F80 工进至椭圆起刀点，径向补偿
N70 M98 P1008 呼叫宏程序，进行轮廓加工
N80 G00 Z10 退刀
N90 G00 G40 X0 Y0 取消径向刀补
N100 G91 G28 G49 Z0 M5 Z轴回原点
N110 M30 程序结束
宏程序：
O1008
#1=0 设#1变量为0（#1为B角）
WHILE﹤#1 LE 360> DO1 当#1小于360时执行以下程序
#1=#1+0.2 #1以0.2为步进
#2=30*COS<#1> 建立X轴数学模型
#3=20*SIN<#1> 建立Y轴数学模型
G01 X<#2> Y<#3> F50 直线插补
END1 循环结束
M99 子程序结束
程序编好后经过调试，运行，没有发现问题。
当用解析几何法的数学模型进行编程时，请大家要注意一个细节问题，当初我第一次用解析几何法的数学模型进行编程，宏程序如下：
O1002%
#1=30
WHILE（#1 GE -30）DO1
#1=#1-0.05
#2=SQRT（（1-#1*#1/900）*400）
G01 X#1 Y#2 F50
END1
#3=-30
WHILE（#3 LE 30）DO2
#3=#3+0.05
#4=SQRT（（1-#3*#3/900）*400）
G01 X#3 Y-#4 F50
END2
M99
结果程序试运行，总是在上半段椭圆快要结束时出现“演算式格式错误”报警，检查程序似乎没问题，思路如下：令X在30～-30之间做步进，加工上半部椭圆，再令X在-30～30之间做步进，加工下半部椭圆。公式也不可能不对，否则也不可能加工出前面的一部分椭圆，根据现象仔细研究，发现问题的关键在于Y的算术式是个平方根式的算术式，因此根号里的数字应大于0，否则无解，当X在以步进方式做递增或递减并且循环还没有结束时，根号里的数字会出现小于等于0的情况，所以CNC报警。问题找到了就不难解决，根据公式推导得出#3的值应小于30，所以我们必须加一个条件转移指令，程序才算完整，于是修改宏程序如下：
O1002%
#1=30
WHILE（#1 GE -30）DO1
#1=#1-0.05
IF（#1 LE -30）GOTO3
#2=SQRT（（1-#1*#1/900）*400）
G01 X#1 Y#2 F50
END1
N3 #3=-30
WHILE（#3 LE 30）DO2
#3=#3+0.05
IF（#3 GE 30）GOTO4
#4=SQRT（（1-#3*#3/900）*400）
G01 X#3 Y-#4 F50
END2
N4 M99
程序修改后运行通过，没有出错。两种编程对比，用解析几何法编的程序加工出来的产品精度不如同心圆法编的程序加工出来的产品精度高，它的实际尺寸要比理论尺寸在X方向上要短一些，因此在加工椭圆时我们通常用同心圆法进行参数编程。
二、计算机自动编程
现在常见的计算机自动编程的软件有UG、PROE、MASTERCAM等，本文以MASTERCAM为例介绍计算机自动编程的过程。
（一）几何模型的建立
首先要进行三维或二维的建模，由于图1零件是二维的加工，所以我们没有必要进行三维建模，只要画出二维的俯视图就行了，我们利用MASTERCAM的绘图功能创建图形，其过程如下：
1、选择File/New命令，建立新的文件。
2、选择俯视构图面（Cplane-top）按钮
3、选择俯视图（Gview-Top）按钮
4、选择Create/Rectangle/1 point,在弹出的对话框内设置矩形的长和宽以及相对指定点的放置位置。回车，再输入“0，0”确定位置。按Esc键返回；
5、选择主菜单/Create/Next menu/Ellipse,在弹出的对话框内输入椭圆的参数，点OK，再输入“0，0”。按Esc键返回。结果如图2所示；
图2
（二）加工刀具路径的设置
利用MASTERCAM的计算机辅助制造功能，对刀具参数，切削参数，毛坯参数进行设置。CAM软件能够自动生成外形加工刀具路径。具体的设置如下：
1.在基础菜单中选择Toolpaths/Pocket/Chain,分别点矩形和椭圆，选择Done，
2.在弹出的对话框内单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择（Get tool from library）命令，系统弹出刀具库，我们从中选一把刀，然后在弹出的挖槽加工对话框中设置好刀具参数，在挖槽加工参数中我选择岛屿加工，并设置好其他参数。最后我们定义好毛坯尺寸就行了。（值得说明的是，之所以选择挖槽加工而不是外形加工，是因为用外形加工方式在加工后会留有残角，如图3所示，而岛屿式挖槽加工可以做到即能进行外形加工又能去处残角。）
图3
（三）实体加工模拟
MASTERCAM提供的实体加工模拟功能，能使用户非常直观地观察几何图形的切削过程，同时用户所设置的切削参数也得以充分体现，以便在实际加工前对不合理的参数加以改进，对图2零件我们进行加工模拟，结果如图4：
图4
（四）后置处理
由于CAM生成的是ASCII文字格式的文件，它无法直接应用于CNC机床，必须先通过后处理程序POST转成NC代码才能被CNC机床所使用。我们只要在加工操作管理对话框里点击一下POST按钮，并选择好与机床控制系统相吻合的后处理器，就可以自动生成加工程序了。然后通过计算机与机床通信把程序传输到CNC里就行了。
再比如我们铣一个外形为螺旋线的凸台，同样我们先绘图（见图5）;然后设置刀具路径，进行模拟加工，后置处理，生成程序,模拟加工结果见图6。
图5 图6
我们不难看出一个原本复杂的零件利用MASTERCAM非常容易而且非常直观的实现了自动编程。
在实训教学操作中，我们发现对于二维平面非圆曲线的加工，采用参数编程要比用计算机自动编程要方便些，有些非圆曲线不仅画起来比较麻烦，有时甚至还要人工计算出曲线的起始点和终止点的座标，而且计算机自动编程生成的程序特别长，不如参数编程生成的程序简洁。不过对于三维加工（如我们铣椭圆半球见图7）用MASTERCAM就比用参数编程方便多了。
图7
三、刀具半径的选择
由于加工的是非圆曲线，而非圆曲线也有曲率半径，因此刀具的半径不是随便定的，而是刀具的半径应小于等于非圆曲线的最小曲率半径。刀具半径如大于最小曲率半径，并且编程时采用径向刀补的话，则程序在运行时会出现报警，提示有干涉，程序无法运行。就算我们不使用径向刀补而是通过计算得出加工路径，虽然程序能运行，但在加工的过程中也会出现过切现象（特别是在加工内腔轮廓为非圆曲线时）使得轮廓精度大大降低。因此刀具半径的合理选择是应通过对非圆曲线方程进行数学求导得来的，当然我们通常是通过实验找出来。（本文程序中的刀具是通过验证采用直径为8的立铣刀）
结束语
通过非圆曲线轮廓加工编程，我们发现参数编程和计算机自动编程对复杂零件的加工编程有着非常大的优势，因此做为一名合格的加工中心操作工应该要熟练掌握，特别是计算机自动编程在各级数控加工类技能大赛和企业生产的运用中已经非常普及了，所以我们要不断的学习，努力提升专业技能，在实训教学中满足学生适应现代生产加工的需求。
参考文献
［1］陈海舟.数控铣削加工宏程序.机械工业出版社.2009.
［2］沈建峰.数控铣床加工中心加工技术.中国劳动社会保障出版社.2010.
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