专用机床的通用数控编程设计方案实例分析

陈奎清

摘要：介绍了一个加工链轮、曲轴端面孔数控机床的通用程序。加工各种不同品种链轮、曲轴端面孔的专用数控机床的数控编程比较复杂，本文介绍了一个合理的采用参数化设计的通用加工程序从而解决了机床操作者数控编程困难的问题，为加工各种不同大小、不同加工孔数及其他特殊加工要求的零件提供了一个避免重复编写数控程序的解决方案。

关键词：数控编程;通用程序;设计方案

中图分类号：TP659文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）01-0219-02

1概述

在专用数控机床的数控编程中，经常会碰到相似零件加工的情形，由于它们的加工方式及使用的刀具不尽相同，而不得不对每种不同类型的零件进行不同的NC数控程序编写，既需要操作人员掌握NC数控编程知识，也容易编写失误，对加工的效率及加工成品率有极大的影響，因此有必要对此类专用机床编写一个零件加工的通用程序。对专用数控机床操作者来说，仅需要根据零件加工图样进行正确的参数设置即可达到同编写一个正确且完整的NC数控程序一样的目的，避免了切换加工零件时的编程及调试步骤，即节省了编程时间，也减少了调试出错的可能。这里以本人独立完成数控编程设计并已投入实际生产的一台“ZK1数控加工机床”的通用NC数控程序为实例，来分析此类数控编程的编写思路，并通过实例说明机床采用此数控编程设计方法后对机床操作者切换加工零件品种时的操作便利性。

2 ZK1数控加工机床通用程序的设计方案

2.1ZK1数控加工专用机床的运动控制及零件加工工艺

此数控机床采用西门子802Dsl数控系统进行数控编程设计，其采用一个园盘式24刀位刀库用于存放加工刀具，三轴联动控制机床的上下左右及加工方向的运动，其中X轴及Y轴控制机床刀具的横向和纵向运行，Z轴控制刀具加工进刀方向，同时配备了一个主轴控制刀具的旋转、刀具换刀角度定位及探测头探测过程中的角度定位。

如图1所示为一种需加工链轮的加工平面示意图。加工前首先进行工艺分析， 明确被加工零件的材料、结构特点、孔位尺寸参数及加工精度要求，确定加工刀具和加工方式，然后拟定零件加工的工艺步骤即工艺路线，最后确定走刀路线及对刀点、起刀点的位置并设计切入、切出方式。

2.2加工坐标的定义

在此产品中以零件的中心为加工圆心，沿圆心一定距离加工一系列圆孔（各孔可能有不同的加工要求），其中包括加工一个特殊的定位孔，因此加工过程中必须先确定零件圆心O点的坐标。首先机床采用探测刀具探测出加工零件的横向（X轴）及纵向（Y轴）外圆点坐标，分别得到横向外圆的X轴坐标值X1、X2及纵向外圆的Y轴坐标值 Y1、Y2，再利用（X1+X2）/2及（Y1+Y2）/2算出圆心O点的X轴及Y轴坐标。找到圆心O的X/Y轴坐标以后，还需要利用探测刀具确定刀具接触加工零件时的刀触点位置（Z轴坐标值），这样就确定了加工零件的加工原点。

由于加工孔位全部以圆心O为中心，所以对操作者来说以极坐标的形式输入参数较为直观。这里以圆心O点为极点，以横向水平向右为极轴Ox，沿途根据孔位的角度及离圆心O点距离两个参数设定孔位位置（半径及角度）。操作者只需要参考加工零件图输入（一系列）孔位离极点O的距离及与极轴Ox的夹角，以及加工孔位的深度、刀具加工顺序即可。设定完后后即可进行加工，即不需要另行编写加工程序，也不容易出错。

2.3人机界面的处理

规划好加工刀具及加工路径后，需要将加工过程中需要的切削参数输入到机床中。本机床采用人机界面的方式清楚、直观地显现给用户需要输入的参数。在以上规划中用户需要输入的参数包括对刀点、刀触点、（各孔位）刀具的选择、孔位位置（相对极点O的距离及与极轴Ox的夹角）、加工刀具顺序及各刀具的加工孔位深度等，这些切削参数全部通过人机界面来实现。如图2所示为一种链轮加工要求需要输入的切削参数图形设计画面（以表格的形式显现给用户）。

在802DSL系统中，为了进行用户对话框的配置， 需要使用控制系统中“制造商驱动器”目录中的以下文件： （1）脚本文件*.xml存放路径为/Machine manufacture/appl。（2）文本文件aluc.txt存放路径/Machine manufacture/ing。（3）图片文件*.bmp或*.png存放路径/Machine manufacture/ico。

本机床根据实际需要编写出用户人机界面的脚本文件xmldial.xml并存放在/Machine manufacture/appl目录中，在文本文件中对应好相应的R参数与切削参数即可，如图2中的半径、角度、使用的刀具及各刀具加工深度等值。同时将图2中人性化的（图形式）表格制作成bmp文件存放在/Machine manufacture/ico目录中。制作好的报警文本文件aluc.txt则存放在/Machine manufacture/lng目录中。对于本机床来说，除了以上孔位设计图形输入画面外，完备的程序还需要具有刀库刀位与刀具的对应表（换刀时刀库刀位对应需相应调整）、刀具类型定义（包括对刀具进行编号、刀具加工时主轴的旋转速度、刀具进刀速度等）、对刀换刀点等人机界面参数输入画面。

人机界面的处理其实相当重要，对操作者来说，一个直观、清楚的人机界面参数输入画面能够在更换加工零件类型时尽可能地减少了产生错误的机会。

2.4实际加工程序流程及使用举例

（1）机床初始化：动力头回机床原点;水泵、探测装置、排屑机等初始化;被加工零件夹紧等。

（2）根据孔位参数优化刀具加工列表：从图2可以看出，加工一个单独的孔可能需要用到多把刀具，如图2中举例的定位孔（孔序1），需要先用中心钻1定位一个5mm的中心，再利用钻头2加工一个50mm深的孔，最后利用丝攻1进行攻丝。其他孔位也一样具有各自不同的加工刀具及加工方法。在实际加工过程中，可能还会碰到一些复杂的加工方式，例如先定位加工圆心、然后使用大直径钻头加工一个沉孔、再利用小直径钻头加工底孔，最后对底孔进行攻丝等，这种孔的加工工序有4刀，当然还会有5刀或更多加工工序的特殊情形，所以在人机界面参数输入画面设计时最好设置5刀参数（本文以3刀参数为例）。对于极少数的超过设计加工工序的情形，可以采用一种特殊形式的参数输入方法来解决这个问题，例如将一个孔的加工假设为两个孔，分别将参数输入到两个孔序的参数中，这样就可对一个复杂加工工序的孔位进行加工，而不需修改程序。事实上这种复杂的孔加工极少，不需要专门为这种复杂孔位的加工另行编写程序，使得程序的通用性更强。

这里牵涉到一个问题，就是同一刀具可能需在多个孔位用到，要尽量在切换一把刀具后将所有用到该刀具的孔位加工完成后再换刀，以避免频繁换刀浪费加工时间，同时还要保持各孔位刀具加工次序。所以在进行NC程序设计时需要根据各孔位使用刀具的次序进行总的刀具切换安排，建立一个合理高效的优化刀具加工列表。首先按照孔位依次读取刀具使用次序，然后依次检测该刀具是否在其他孔位加工中用到，在其他孔位用到该刀具时就要依照该孔位的刀具使用顺序进行重新排序刀具加工列表，确保每个孔位刀具加工次序不变，防止加工事故，例如在输入参数时一般是先钻孔再攻丝，那么刀具加工列表不能乱改加工顺序为先攻丝再钻孔，这样明显会引起没钻孔就开始攻丝，引起攻丝刀具断裂的事故发生。一个优化的刀具加工列表即要保持原加工工序不变，也要尽量减少了换刀次数，节省加工时间。

这里以图2中数据为例来说明刀具加工列表的产生思路。在图2所示数据中，首先根据定位孔（孔序1）产生一个刀具加工列表为：中心钻1、钻头2、丝攻1，再检测第一把刀具中心钻1在其他孔位中的使用及次序修改刀具加工列表，因为所有孔位都用到了中心钻1，所以重点考虑中心钻1在各孔位中的加工次序。检查发现在加工孔序8时，中心钻1为该孔的第二刀，所以必须先加工孔序8中的第一刀，即刀具加工列表要改为：中心钻2、中心钻1、钻头2、丝攻1。下一步检测刀具加工列表中的第3把刀具钻头2，同理依次检测各孔并调整刀具加工列表。依照此思路，可将整个加工孔位的刀具加工列表最后确定出来：中心钻2、中心钻1、钻头2、钻头3、丝攻1、丝攻2、铰刀1。这就是一个最终优化的刀具加工列表，在编写程序时要在程序的前面进行设计得到这个列表再进行加工。

上述产生刀具加工序列过程中，需要注意一种特殊情形，例如孔序1使用刀具1、刀具2，孔序2使用刀具2、刀具1。理论上讲不存在这种情况，如实际过程中存在这种情形，则尽量在输入参数时避免此情形，可以设定将其中一种刀具设定为两个刀具，以避免刀具加工序列中一个刀具号出现两次。如将刀具2同时设定为刀具3，这样孔序1使用刀具为刀具1、刀具2，孔序2使用刀具为刀具1、刀具3。

（3）探测出零件圆心O的坐标：切换到探测刀具，并按照前面介绍的方法检测出加工零件的外圆点X1、X2、Y1、Y2的值并算出圆心O的坐标值，同时探测出加工零件刀触点Z坐标。

（4）根据刀具加工列表顺序依次加工：切换到相应的刀具，启动水泵、排屑机，根据刀具（旋转速度）参数启动主轴，使用该刀具依次加工（用到该刀具的）孔位，一把刀具加工完所有孔位后，停止主轴并定位到切换刀具角度，检测刀具加工列表中的下一刀具，并进行换刀，再用相同的方法依次加工各孔位，直到刀具加工列表中的所有刀具全部使用完成。

（5）结束当前零件加工过程：机床动力头回到原点，停水泵、排屑机、主轴，松开加工工件，完成零件加工的整个动作。

3结语

对于加工专用零件的专用加工机床，一般一个NC程序只能加工一种零件，但由于采用了上述通用数控编程设计，在操作者使用时，更换加工零件种类时显得比较方便。对操作者来说，只需根据加工零件图，在人机界面中输入相应参数，即可完成一个完整NC程序的编写，即防止了出错，节省了编程时间，也提高了加工效率，在生产厂家中很受欢迎。事实上，正是由于采用此种编程方式，厂家实际使用时，除了用在链轮的加工中，后来还用在了曲轴端面孔的加工中，提高了产品的适应范围。本程序的适应性广、工艺编制合理、加工质量高，解决了各种类型链轮等产品数控编程加工的諸多难题，可以在编写其他类似专用机床数控程序时作为参考设计方案。

参考文献：

[1] 王乐强，胡天明.基于西门子802Dsl数控系统的插齿机人机界面开发[J].金属加工（冷加工），2014（22）：63-66.

[2] 张志恒.巧用宏程序编制特殊零件通用程序[J].科技资讯，2011（4）：9.

[3] 陈颖，韩加好.基于宏指令的梯形螺纹通用数控加工程序编制[J].工具技术，2008（9）：69-71.

【通联编辑：梁书】