车床数控系统的多边形加工实现

陈 鹏

（广州数控设备有限公司，广东 广州 510530）

0 引言

随着先进制造、自动化技术的快速发展。近年来，在工艺品、机械、电子、航空航天等各个领域扁方体、三面体、四面体、六面体、八面体甚至任意面体等类似多面体类零件应用越来越多，加工这样的零件通常的加工方法是冲床冲压成型、车床或铣床上通过多道工序加工完成。这些方式都各有优缺点：如冲床冲压成型加工一次成型虽加工效率高，但缺点是精度低、产品单一、更换模具成本高；车床加工需使用极坐标插补功能进行加工，虽加工精度高，但加工效率较低；铣床加工虽精度高，但工序多、效率低、综合成本高。

而在普通数控车床上通过增加刀盘轴和伺服主轴，控制系统增加多边形加工控制算法可以实现高效率的任意多边形的加工，并通过轴向移动从而实现多面体的加工。以下以广州数控设备有限公司生产的980TC3总线式车床数控系统为例来讲述如何实现多边形加工。

1 多边形加工原理

多边形加工是指通过使工件与刀具按一定的比率旋转，将工件的形状加工成多边形的加工，如图1所示。

通过改变工件和刀具的旋转速度比或刀具的安装数量，可以把工件加工成三边形、四边形、六边形甚至任意多边形。

图1 多边形加工示意图Fig.1 Polygon turning diagram

把工件及刀具的半径分别设为A、B，把工件和刀具的旋转角速度分别设为α、β。把XY笛卡尔坐标系的原点设定为工件的中心。为了使说明简单易懂，如图2，假设刀具轴旋转中心在工件圆周位置P0（A，0）上，从刀尖在Pt0的位置（A-B，0）出发。

这时，经过时间 t后如图 3 所示，刀尖位置 Pt（Xt，Yt）可以用式（1）和式（2）来表示：

图2 工件与刀具旋转示意图Fig.2 Work piece and tool rotation diagram

图3 多边形加工刀尖运动轨迹图Fig.3 Tool tip trajectory diagram

因工件和刀具的旋转速度比 1：2，即：β=2α，所以式（1）和式（2）可以变换为下式：

式（3）和式（4）表示刀具的刀尖是长径为 A+B，短径为A-B的椭圆。

这样，如果在180°的对称位置各安装1把刀具，则可以加工如图4所示的四边形；如果每隔120°的位置各安装1把刀具，则可以加工如图5所示的六边形。

图4 四边形加工示意图Fig.4 Square turning diagram

图5 六边形加工示意图Fig.5 Hexagonal turning diagram

2 功能的实现

2.1 多边形加工的指令格式

G250：多边形加工取消；

G251 P_Q_：多边形加工开始。

指令范围：

表1 多边形加工功能参数表Tab.1 Parameter table of polygon turning

|P|：1.0～999.0， 其中 P 为正时，工件轴的旋转方向为正方向；P为负时，工件轴的旋转方向为负向。

|Q|：1.0～999.0，其中 Q 为正时，刀具轴的旋转方向为正方向；Q为负时，刀具轴的旋转方向为负向。

2.2 多边形加工参数定义

在使用多边形加工功能时，由于不同的机床厂商选择的主轴电机及刀具轴电机的性能参数各不相同，为了适配各型主轴及刀具轴电机，需要定义一些参数来设定电机数据。具体定义如表1所示。

2.3 多边形加工数据结构

在执行多边形加工插补过程中需定义一个数据结构来集中存储多边形加工的相关数据参数，以便在插补时直接使用这些数据而不用重复去判断数据是否合法，以此简化插补流程、提高运行效率。结构定义如下：

2.4 多边形加工数据初始化

多边形加工启动前需对多边形加工数据进行初始化，如下所示：

2.5 多边形加工算法及实现

假设多边形加工指令中工件轴旋转速度为S（r/min），工件轴与刀具轴的旋转速度比为1：4，数控系统的插补周期为T（ms），各轴旋转一圈为360°则在多边形加工时：

工件轴的旋转速度：Vwork=S（r/min）；

刀具轴的旋转速度：VTool=Vwork×4=4S（r/min）；

每周期的移动系数：DT=（T×1×360）/（60/1000）（度·min/r）。

由此可得出：

工件轴每周期的移动量：Deltawork=S×DT（度）；

刀具轴每周期的移动量：DeltaTool=4S×DT（度）。

2.6 多边形加工示例

使用1把刀具加工四边形示例程序，如表2所示。

表2 多边形加工示例程序Tab.2 Program of polygon turning

图6所示为使用多边形指令加工的几种零件。

3 结论

以上简述了多边形加工的原理和软件实现方法。从实际使用情况看，具有多边形加工功能的数控车床结构简单、使用方便、设备成本低；可加工多种正多边形零件，且速度快、效率高且操作方便的优点。尤其是在生产非标螺栓、螺母、带方零件、多边形工艺品、螺旋多边形工艺品等类型的零部件应用上优势明显。

图6 多边形加工样品Fig.6 Sample of polygon turning