極坐標插補功能在車銑復合加工中心的研究

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極坐標插補功能在車銑復合加工中心的研究

在激烈競爭的今天，產品的個性化、多樣化會在一定程度上提升產品的競爭力。對于復雜零件的加工，在機械行業，從工藝上來講主要有工序分散和工序集中兩大原則。工序分散是傳統的加工工藝，每臺機床只完成一道或幾道工序。工序集中是在一次裝夾過程中完成許多工序或全部工序。例如要加工一個端面有外形輪廓的回轉體零件，釆用傳統的加工方法只能是在普通的數控車床上加工回轉體部分，然后在數控銑床上裝夾找正，繼續端面外形輪廓的加工。這樣的工藝不能在一次裝夾過程中完成所有工序的加工，工件的二次裝夾，勢必影響零件的相互位置加工精度和生產效率；如果釆用工序集中的工藝方法，就要有工序高度復合的機床，車銑復合加工中心的出現，就為工序集中提供了機床保障。車銑復合加工中心是在直角坐標系的基礎上，增加了極坐標系功能，使得數控機床在一次裝夾后既能進行外圓柱面加工又能進行回轉體類零件端面多邊形輪廓或多邊形凹槽的加工。甚至還可以在工件端面進行盤形凸輪和刻字加工。

1、車銑復合加工中心的相關坐標及切削運動

數控車床在編程時使用右手直角笛卡爾坐標系，但是在端面加工編程時使用極坐標系，這個坐標系的建立是在與車床Z軸垂直的平面內，由互相垂直的虛軸（C軸）和實軸（X 軸）組成，極坐標系的坐標原點與程序原點重合，虛軸C軸的單位不是度，而是毫米，且用半徑值表示。

一般的車銑復合加工中心都有兩種加工模式，根據加工零件的結構使用不同的刀具系統，在其不同的加工模式支持下進行加工。常用的加工模式：一是普通的車削加工模式，在該模式下，車銑復合就等同于常規數控車床，工件的旋轉運動為主運動，主要動力來源于主軸伺服電動機，進給運動有車刀的縱向或橫向來完成，主要在X-Z平面內進行加工。二是具有動力功能的銑削加工模式，在該模式下，工件的回轉（C軸的回轉）不再是主運動，它和X、Z軸一起完成進給運動。而主運動切換到高速回轉的旋轉類刀具，它的動力主要有C軸伺服電動機來提供。在該模式下，機床具有X、Z 和C (繞Z軸旋轉的軸，簡稱C軸）三個坐標軸，此時兩軸聯動機床變成三軸聯動控制，當然也可以進行二維坐標編程。主要是在X-Z平面；X-C極坐標平面；Z-C柱面。由于篇幅有限這里只研究X-C極坐標平面的應用。

2、極坐標插補功能對的定義

極坐標插補功能是將輪廓控制由直角坐標系中編程的指令轉換成一個直線軸運動（刀具的運動）和一個回轉軸的運動（工件的回轉）。即將X-C極坐標系轉換成直角坐標系，執行極坐標插補指令后坐標原點仍為原工件坐標系的原點，垂直于X軸的假想直線軸為C’軸，現在的C’軸不再是原來表示工件回轉角度的C軸而是表示長度的直線C’軸。如圖二，這種方法主要用于車床上切削端面或端面凸輪。

3、極坐標插補功能指令格式：

N…G12.1 啟動極坐標插補方式

N…G13.1 極坐標插補方式取消

指令說明及編程注意事項：

(1) 在程序編制中實軸X的坐標用直徑值表示，虛軸C 的坐標用半徑值表示，不能用角度表示。

(2) 極坐標插補模式下刀具半徑補償算法與其它坐標模

式下算法不同，因此在機床處于刀具補償模式下，G12.1指令不能被執行，要想執行G12.1插補模式機床必須處于刀具補償取消狀態。

(3) 在指定指令G12.1之前，必須設定一個工件坐標系，回轉軸中心是該坐標系的原點，且在G12.1方式中，坐標系絕對不能改變。

(4) 在執行G12.1指令過程中，不能使系統復位或斷開電源等操作，否則極坐標插補被取消。刀具將撞向工件，造成刀具損壞或損壞機床。

(5) 在使用刀具半徑補償模式時，注意銑刀半徑輸入機床，否則造成工件過切或欠切。

(6) 啟動極坐標插補方式G12.1，極坐標插補方式取消 G13.1必須在單個程序段內使用。

4、回轉軸的切削進給速度

極坐標插補將直角坐標系中的刀具運動轉換為回轉軸 (C-軸）和直線軸（Z-軸）的刀具運動，當刀具移動到快接近工件中心時，進給速度的C-軸分量變大，會超過C-軸的最大切削進給速度（由機床參數設定），產生報警，為防止 C-軸分量超過C-軸最大切削進給速度，應降低F地址指令的進給速度，或者編程程序使刀具不能接近工件中心。

如圖三，在直線L1、L2和L3中，AX是刀具在直角坐標系中進給速度為F的單位時間內移動的距離，當刀具從L1 移動到L2和L3時，刀具在直角坐標系中對應于AX每單位時間移動角度增加從a1到a2到a3。換句話說，進給速度的c-軸分量在刀具接近工件中心時變大了。因為在直角坐標系中的刀具運動已經轉換為C-軸和X-軸的刀具運動，進給速度的c分量會超過c-軸的最大切削進給速度。

L：當刀具中心接近工件中心時刀具中心和工件中心之間的距離（以mm為單位）

RC軸的最大切削進給速度（deg/min)

則,在極坐標插補中可以用地址F指令的速度可由下列給出，指令的速度允許值，由該式計算，且提供理論值；實際使用時，由于計算誤差，必須使用比理論值稍小一些的值。

5、極坐標插補功能應用案例（外六角堵頭的加工)

由于篇幅有限，本零件非極坐標插補程序將省去，在這里只編制端面外六方輪廓程序（極坐標插補功能的應用）。

在編程之前,須確定加工時刀具所經過的工件各點在極坐標系XOZ中的坐標值（X向為直徑值，C向為半徑值），刀具的切削路線為（如圖四）：PA-P1-P2-P3-P4-P5-P6-PE, 坐標值為：PA(X36.4,C17)P1(X36.4,C10.5)P2(X36.4, C-10.5)P3(X0，C-21)P4(X-36.4，C-10.5)P5(X-36.4, C10.5)P6(X0，C21)PE(X46，C7.7)。

參考程序：	說明
00003;	程序名
T1010;	設定刀具
G94F150;	定義進給量
G97S1500M13;	設定銑刀轉速
M52;	啟動C軸，進入銑削狀態
G12.1;	極坐標插補生效
G41G01X36.4C17F200;	進行刀具半徑左補償
Z-34;	刀具定位至Z-34處
X36.4C10.5;	刀具由PA-P1
C-10.5;	刀具由P1-P2
X0C-21;	刀具由P2-P3
X-36.4C-10.5;	刀具由P3-P4
C10.5;	刀具由P4-P5
X0C21;	刀具由P5-P6
X46C7.7;	刀具由P6-PE

Z5；	刀具退刀至Z5處
G40X60Z10；	取消刀具半徑補償
G13.1；	取消極坐標插補模式
M53；	取消C軸，機床退出銑削狀
	態，進入車削狀態
M15；	銑刀旋轉停止
G0X80Z100；	退刀至安全位置
M30；	程序結束

結束語

目前的車銑復合加工中心正朝著更大工藝范圍、更高效率、大型化以及模塊化的方向發展，已不再局限于三軸聯動的車銑中心，在國外已有五軸聯動的以車為主同時兼顧強大功能的銑、磨等工作復合的多功能機床。運用在航空航天、精密制造、汽車制造等各個領域。其優點是工序高度集中，在一次裝夾后完成大部分或全部工序，從而提高零件的行為精度及生產效率提供了有力保證。但是車銑復合加工機床在我國的使用才剛剛起步，還有很多問題需要解決，特別是加工工藝、編程技術、機床維護、生產管理等領域也急需研究提高。值得慶幸的是有很多院校和企業已加入研制工序高度復合的機床行列。

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標簽：車銑復合加工中心加工中心極坐標插補功能

分類：加工中心

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