五角星加工干涉问题分析

摘要:本文分析了五角星加工中遇到的干涉问题,介绍了干涉的原因,提出了解决干涉问题的方法和注意事项。

关键词:干涉;过切;刀具半径偏置

中图分类号:TD421.5+4 文献标识码:B 文章编号:1009-9166(2009)014(c)-0069-02

利用刀具半径偏置方式,依照零件图纸轮廓编程加工时,当偏置值选择不当或编程方法不当时,会发生刀具过切或干涉的问题,从而引起工件报废或程序报警无法继续运行。防止干涉、过切是数控机床手工编程的重点内容。

一、刀具半径偏置

刀具半径偏置又称刀具半径补偿,是刀具移动时,刀具轨迹可以沿编程轨迹偏移一个刀具半径值,此值由刀偏寄存器输入值提供。现代数控系统均采用C型直线补偿以取代老旧的B型圆弧补偿。如图1所示为采用C型刀具半径偏置方式加工五角星凸台示意图。

图1五角星刀具偏置加工示意图

刀具半径偏置的过程分为三个步骤:(1)刀具补偿建立:在无偏置时,用刀具半径补偿指令G41/G42和除D0以外的D代码以G00/G01方式在偏置平面内指定非零尺寸字时,CNC 进入偏置方式。这个过程也称为起刀。(2)刀具补偿运行中:如果在起刀之后指定直线插补或圆弧插补,系统均可建立与预读程序段的运动方向垂直的偏置矢量。刀具轨迹可以用偏移编程轨迹轮廓偏置矢量的长度方法得出。如果在偏置方式中切换偏置平面或处理2个或更多刀具不移动的程序段,将出现报警,产生过切或欠切现象。(3)刀具补偿取消:在偏置方式中,用刀具补偿取消指令G40或者指令了刀偏号为D0的程序段以G00/G01方式在偏置平面内指定非零尺寸字时,CNC进入偏置取消方式,这个过程也称为退刀。

二、过切、干涉判断准则

干涉现象又称过切,是指在切削加工时刀具切到了不应该切的部分。干涉分为自身干涉和面间干涉。现代数控系统中的干涉检查功能预先对刀具过切进行检查。判断干涉的准则:(1)刀具轨迹的方向不同于编程轨迹的方向,这些轨迹之间的方向差从90°至270°时干涉。(2)在圆弧加工中,刀心轨迹上起点和终点之间的角度和编程轨迹上起点和终点之间的角度相差太大,大于180°时干涉。但这个功能不能对所有的干涉都进行检查。当编程轨迹为小于刀具半径补偿值的凹槽和小于刀具半径补偿值的沟槽时尽管实际不出现干涉,但认为有干涉。

三、五角星干涉问题分析

(一)工艺路线引起的起刀、退刀过切。五角星编程中由起刀位置直接向零件基点切入或由零件基点直接退刀的轨迹路线如图2所示。图中2点为编程轨迹偏置后刀心轨迹延长线上的一点,可以看出在起刀、退刀时位于2点+θ方向的1和2点不会发生过切,而位于2点-θ方向的3点会发生过切。由于切入、切出点的位置选择不同,在建立偏置或取消偏置时引起切削刃切伤工件。

起刀退刀

图2起刀、退刀过切示意图

在FANUC数控系统中有A和B两种刀具轨迹类型,当选默认的A型时如上所述情况,当选择型B型轨迹时,不会发生如上所示干涉。在实际编程中可根据需要沿编程轨迹的延长线加入一点作为工艺点(中间点)。在起刀时先由起刀点到中间点建立刀具补偿,后切入零件基点。退刀时先由零件基点到中间点,再走退刀点取消刀具补偿。加入中间点,起、退刀动作将在中间点完成,无论选择何种刀具轨迹类型,都会避免零件上起刀过切和退刀过切现象。

(二)刀补运行状态中干涉。1、圆弧角引起的面间干涉。在五角星加工中由于刀具半径的存在,加工两直线边的交角处呈现圆弧,若交角处以圆弧方式进行编程,如3图所示。当偏置值小于程序所编圆弧半径R时,刀具中心轨迹为1所示状态,程序能够正常顺序执行。当偏置值等于程序所编圆弧半径R时,刀具中心轨迹如2所示,编程轨迹中直线、圆弧、直线,三段线的偏置矢量交于一点,系统处理2个或更多刀具不移动的程序段情况时进给停止,显示报警。当偏置值大于程序所编圆弧半径R时,系统计算刀具中心轨迹如3所示,偏置矢量上圆弧刀具轨迹起点和终点之间的角度相差大于180°,此时干涉报警。

图3圆弧干涉示意图 图4多段直线干涉示意图

2、多段直线引起的面间干涉。若在以上编程中将圆弧过渡改为直线连接过渡,刀心轨迹将会出现如图4所示情况。当偏置值小于三段直线偏置矢量交点最大值S时,刀心轨迹为1所示,程序顺序执行。当偏置值等于S时,刀具中心轨迹为2所示,三段线偏置矢量交于一点,显示报警。当半径偏置值大于S时,出现编程轨迹方向与刀心实际轨迹方向相反情况,刀心轨迹为3所示,干涉报警。 前述干涉情况出现在多线段中是面间干涉,在加工一个或一系列表面时,可能会对其他表面产生过切的现象。 3、偏置值变化引起的自身干涉。(1)偏置值正向增加时,刀具干涉问题的分析。五角星凸台编程加工时,带圆弧角和多线段的程序由于以上干涉分析,偏置值不能过大,否则干涉。但实际加工常用一条程序变化刀具偏置值去除余料。五角星可采用不带过渡拐角的直线进行编程,变化偏置值去除余料。那么刀具偏置值是否可以无限加大?通过下面分析,可以得出答案。图5为五角星直线编程正向增加偏置的示意图,可看出两编程轨迹矢量偏置交于点J2,相交时最大偏置矢量值为S,当偏置值小于S时,刀心轨迹为1所示,程序能够顺序执行。当偏置值等于S时,刀心轨迹为2所示,偏置矢量交于一点,显示报警。当偏置值大于S时,刀心轨迹为3所示,实际刀心轨迹行进中出现反向,此时与编程轨迹前进方向相反,干涉报警。刀具中心位置在偏置值变化时始终沿J―J3编程边角平分线变化,当偏置值小于等于S时,系统所计算的刀具直径始终相切于编程的两条直线,当偏置值大于S时,系统所计算的刀具直径始终相交于编程边不相邻的两端点,两点距刀具中心等长,即无论使用多大直径的刀具切削,也不会发生实际过切。但此时由于系统计算程序段中编程的方向与半径偏置后的轨迹方向相反,干涉报警。即刀具在走小于半径的沟槽时,尽管实际不出现干涉,但认为有干涉。这种干涉情况是自身干涉,出现在相邻两条直线的偏置轨迹中,是被加工表面中存在刀具切削不到的部分时存在的过切现象。

图5正向偏置干涉示意图 图6负向偏置干涉示意图

(2)偏置值负向增加时,刀具干涉问题的分析。偏置值为负值,相当于G41和G42互换,即如果刀具中心轨迹正围绕工件的外侧移动,这时它将绕着内侧移动,或者相反。加工中可以利用抬升高度同时负向增加偏置值的方法加工带斜面的三维五角星。图6为刀具偏置值负向增加时的情况,五角星顶尖部两相邻编程边轨迹偏置矢量交于点J2,相交时最大偏置值为S,当偏置绝对值值小于S时,刀心轨迹为1所示,程序能够顺序执行。

当偏置绝对值等于S时,刀具中心轨迹为2所示,显示报警。当负向偏置绝对值大于S时,刀心轨迹为3所示,实际刀心轨迹与编程轨迹方向相反,此时干涉报警。由于刀具偏置值负向增加时出现干涉情况,此法不能加工三维五角形尖顶部位,将会在顶部留下残料如图7所示。

图7负向偏置干涉时残料示意图

四、总结:在五角星编程加工中,当选择的刀具半径与五角星交角圆弧半径相等时,可采用直线交点编程,以方便去除余料。当选择的刀具半径小于五角星交角圆弧半径时,须采用圆弧编程精修轮廓,注意刀补值只能小于编程圆弧半径。采用直线交点编程改变偏置值的方法去除余料。同时注意加工时设定合理工艺点,当刀具半径补偿有效后进行切削,避免起刀、退刀过切。

作者单位:陕西工业职业技术学院

作者简介:张飞鹏,陕西工业职业技术学院。现主要从事数控技术编程加工、实验、实训教学工作。

参考文献:

[1]数控技术的一些基本概念 廖卫献《计算机辅助设计与制造》2000年第5期

[2]BEIJING-FANUC Oi-Mate-MB操作说明书B-63864C/01 BEIJING-FANUC,2003/06

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