数控四轴铣床上加工圆柱凸轮的四轴刀具路径编程教学

毕长波

（秦皇岛职业技术学院，河北 秦皇岛 066000）

秦皇岛职业技术学院国家数控实训中心使用的是北京第一机床厂生产的XKA714B型数控铣床。该铣床所配的第4轴为旋转工作台，轴名为A，回转轴运行范围为0～359.99°（取模特性）。这里第4轴作为线性轴和其它轴一起运行。如果第4轴和其它轴出现同在一个程序段中，且含有G1或G2/G3指令，则该轴没有一个独立的进给率F，而是取决于其它轴（X、Y和Z轴）的进给率，且与它们同时开始和结束。但该速度值不能超过所规定的极限值。如果第4轴单独出现在指令G1程序段中，它就以有效的进给率F运行。当用G94时，单位是°/rin，当用G95时，单位为°/rin。

圆柱凸轮机构在工作时，从动件运动的方向通常和凸轮轴线方向相一致，而且凸轮槽中的滚子轴线与凸轮轴线正交。因此，加工圆柱凸轮时，和滚子等径铣刀的轴线也要与凸轮的轴线正交。对于立式铣床，当凸轮轴线沿X轴方向安装时，Y轴方向在加工过程中没有运动，也就是说，刀具始终在X-Z平面内运动。我们使用的这台数控铣床，配备了直径为315mm的立、卧两用数控转台。刀具路径通过Master CAM软件来生成。我们使用数控转台，带领学生已加工了几种凸轮。其中一种是直径200mm，长200mm的凸轮（材质为黑色含油尼龙），在圆柱面上铣削出宽30mm，深24mm的曲线槽；另一种是直径177mm、长80mm带有螺旋槽的圆柱形凸轮（材料为45号钢）。在加工过程中遇到的一些问题最终得到解决，但不一定是最佳方案。笔者从机床四轴功能的应用到生成四轴刀具路径和软件的后处理等环节进行总结，供大家借鉴和研究。

使用Master CAM软件实现四轴加工有两种方法，一种是使用多轴铣削加工程序中的“回转四轴”(Toolpaths/Multiaxis/Rotary4ax)功能，另一种是使用二维铣削加工程序中的“挖槽”(Tool paths/pocket)功能或“铣轮廓”(Tool paths/contour)的转轴（rotary axis）功能。我们感觉后者更加简便、实用，尤其适和圆柱凸轮的加工。二维铣削加工只需绘制出凸轮槽展开后的平面曲线，这也正是凸轮工作图中给出的曲线。为达到优化刀具路径的目的，就需要在不影响最终加工结果的前提下适当修改曲线。

尽管有些圆柱凸轮给出了轮廓曲线参数表，但这并不是原设计数据，而是用户通过测绘获得的尺寸和角度，误差较大。根据图纸数据，通过Master CAM软件做出的曲线不够光滑，需认真修改。在应用创建曲线功能（Creat/Spline）下，通过手工选点来连接成曲线时，选取的控制点越多，得到的曲线反而越不光滑；而选取的控制点越少，得到的曲线却越光滑。但是，可以只偏离个别有误差的点，但不能偏离大多数点，否则导致凸轮轮廓失真，机构运动不准。

由于Sinumerik802D系统仅能识别0～359.99°范围内，因此刀具不允许越过0°界限而连续回转。当绘制凸轮轮廓的平面图时，要考虑图形在坐标系内所处的的位置，否则在程序中可能会出现大于360°或小于0°角度值。如果凸轮轴线方向沿铣床的X轴安装，其轮廓曲线应画在TOP视图的X轴上方或下放，图形不可跨越X轴，起码做到使刀具路径不和X轴相交。当平面图形卷绕在圆柱面上时，要从大于0°开始，而又不可超过360°，确保刀具在0～359.99°范围内来回切削。

为了方便观察及判断走刀的合理性，平面图形的刀具路径要先生成，待各种加工参数调整好后，再生成回转4轴刀具路径。编程是否得当直接关系到铣床的运行时间。编程者应从加工效率，加工质量等方面考虑，认真审核粗、精加工路径的合理性。

由平面刀具路径转化为四轴回转刀具路径的方法比较简单。具体步骤是首先打开二维轮廓铣削加工对话框，在“刀具参数”选项卡中选择（软件显示为otary axis，如图1所示）。在Rotary type内选择Axis substituties，选择替代Y轴（substitute Y axis），如图2所示。“替代Y轴”的意思是将Y轴方向的移动转化为绕X轴方向的转动，也就是A轴的角度值；选择顺时针（CW），在回转直径（Rotary diameter）栏中填入凸轮直径值。这样，事先做好的平面图形会绕X轴按顺时针方向卷绕在圆柱面上。经过重新计算，就生成了四轴刀具路径。

图2

经过模拟，确信生成了带有回转轴的刀具路径以后，我们可执行后处理。由于Master CAM软件中没有西门子SINUMERIK 802D数控系统的专用后处理程序，这里我们可以应用其默认的FANUC后处理程序(mpfan.pst)，并作简单修改后即可处理文件中的有关参数。

圆柱凸轮曲线槽精加工所用刀具的直径应与滚子直径相同、刀具路径应与滚子的运动轨迹相同。这样不存在理论误差，又具有可操作性，可使用较小直径刀具多次经多次走刀来完成粗加工。当刀具路径与滚子的运动轨迹平行时，留下很小的精加工余量便可，与凸轮轴线不相垂直的曲线槽出现的“喇叭口”，即槽底，留下了较大的余量。