宏程序在高速数控钻削加工中的应用

邸现宾，陈汝阳，杨秀金

山东临工工程机械有限公司 山东临沂 276023

1 序言

挖掘机主架作为挖掘机上车架的核心零部件，与工作装置和回转机构具有装配关联关系，保证主架加工质量至关重要。为此，制定主架加工工艺规程时需要统筹考虑图样设计要求、设备效能、加工效率和质量保证等[1]。我公司生产挖掘机主架分为在加工中心和在高速数控钻床上加工两道工序。为释放加工中心产能，我们将复杂、加工精度要求高的工步安排在加工中心，回转支承螺纹联接孔的加工安排在高速数控钻床。在加工过程中，由于主架分工序加工，需要二次装夹，所以存在加工基准不重合的问题，从而导致在高速数控钻床钻、攻回转支承螺纹联接孔时出现位置偏差。本文就如何解决该问题进行详细阐述。

2 问题描述

主架首先在加工中心上立式装夹（见图1），进行铣面，以及钻、铰定位销孔和镗孔加工；然后转序到高速数控钻床水平装夹（见图2），加工回转支承螺纹联接孔，即图1中回转支承安装面上除P1、P2、P3定位销孔以外的孔。该工序以回转马达安装面、侧板顶面（加工中心已铣面作为工艺基准）及大底板侧面为定位基准。工件装夹完毕，用雷尼绍测头测量回转支承安装面的平面度（要求平面度≤0.5mm），并测量回转支承安装面上3个定位销孔P1、P2、P3的孔心坐标，得到3个定位销孔所在的分度圆圆心并确定为回转中心O，运行程序依次钻、攻回转支承各螺纹联接孔。加工后经三坐标测量仪检测，发现数控钻床加工的回转支承螺纹联接孔的位置存在不同程度的移位现象，会影响回转支承的装配。

图1 主架立式装夹示意

图2 主架水平装夹示意

3 孔移位原因分析及新程序开发

图1中所示的回转支承安装面、回转马达安装孔和3个定位销孔均在加工中心以回转中心O为加工基准建立工件坐标系完成加工。主架转序到数控钻床加工时，仍需要以回转中心O作为加工基准，以确保需加工的回转支承螺纹联接孔与已加工的定位销孔在同一圆上。针对上述回转支承螺纹联接孔在数控钻床加工移位的问题，通过分析装夹过程和加工程序，推测原因可能是主架二次装夹存在的误差导致主架围绕着回转中心O发生了一定角度的旋转，于是在数控钻床加工中开发了相关宏程序来验证能否有效解决上述问题[2，3]。

3.1 自动测量、计算、判断的宏程序开发

通过应用雷尼绍测头在回转支承安装圆环面上自动采集不同位置的5点，并相互比较坐标Z值，得出最大值、最小值，从而自动计算出平面度。程序对平面度值自动判断，若平面度≤0.5mm，机床自动执行下一段程序；若平面度＞0.5mm，则机床报警。机床报警提示操作者对工件进行微调，再重复执行自动测量、计算程序段，直到满足加工要求。

1）自动测量程序段如下。

N10G65P9100 R1 X-608 Y-3 Z225

N20G65P9100 R2 X-60 Y620 Z225

N30G65P9100 R3 X577 Y187 Z225

N40G65P9100 R4 X563 Y-23 Z225

N50G65P9100 R5 X0 Y616 Z225

该程序测量5个点的坐标后，需要将坐标值赋予相应变量。测量点坐标值与变量的对应关系见表1。

表1 测量点坐标值与变量对应关系

2）自动计算程序如下。

N10 (#18:R;#19:S)；主程序宏调用时所用的字母与子程序宏局部变量对应关系

N20 WHILE[[#19GE1]AND[#19LE5]]DO1；当宏局部变量1≤#19≤5时执行N10程序段

N30 G31；宏程序中的走直线指令代码

N40 #513=#19；将子程序宏局部变量#19的值存储至变量#513

N50 GOTO10

N60 END1；结束程序段N10

N70 #151=1(Calulator)；变量#151赋值1

N80 #152=1(MAX_No.)；变量#152赋值1

N90 #153=1(MIN_No.)；变量#153赋值1

N100 #154=#702(SUM)；将变量#154值存储至变量#702

N110 WHILE[#151LT5]DO1；当变量#151≤5时，执行N10程序段

N120 G31

N130 IF[#[699+#152*3]L T#[702+#151*3]]THEN#152=#151+1；如果变量#[699+#152*3]的值小于变量#[702+#151*3]的值，则变量#152等于变量#151进1

N140 G31

N150 IF[#[699+#153*3]G T#[702+#151*3]]THEN#153=#151+1；如果变量#[699+#153*3]的值大于变量#[702+#151*3]的值，则变量#153等于变量#151进1

N160 #154=#154+#[702+#151*3]；令变量#154的值等于自身与变量#[702+#151*3]的和

N170 #151=#151+1；变量#155值进1

N180 END1

N190 WHILE[[#[699+#152*3]-#[699+#153*3]]GT#609]DO1；当变量#[699+#152*3]与变量#[699+#153*3]值的差大于变量#699时，执行N10程序段

N200 #155=0；将变量#155值清零

3）自动判断程序如下。

N10 WHILE[#155LT5]DO2#[100+#155]=#[702+#155*3]；当变量#155＜5时，执行N20程序段，令变量#[100+#155]与变量#[702+#155*3]值相等

N20 #155=#155+1

N30 END2

N40 #3000=6(Great difference in height measurement!)；变量#3000赋值6，机床执行报警信息

N50 END1

N60 WHILE[#19LT1]DO1；当宏局部变量#19＜1时，执行N10程序段

N70 #156=0

N80 WHILE[#156LT5]DO2#[160+#156]=#[702+#156*3]-#154/5；当变量#156的值＜5时，执行程序段N20，令变量#[160+#156]的值等于变量#[702+#156*3]与变量#154/5的差

N90 #156=#156+1

N100 END2

N110 #517=1

N120 G31

N130 #513=1

N140 WHILE[#517LT5]DO2；当变量#517的值＜5时，执行N20程序段

N150 G31

N160 IF[ABS[#[159+#513]]GT[ABS[#[160+#517]]]]THEN#513=#517+1；如果变量#[159+#513]的绝对值大于变量#[160+#517]的绝对值，则变量#513的值等于变量#517的值进1

N170 #517=#517+1

N180 END2

N190 GOTO10

N200 END1

N210 G31

N220 #513=#152

N230 WHILE[#18EQ0]DO1(#_WZCMN[4]---EXT)；当宏局部变量#18的值为0时，执行N10程序段

N240 #5204=#[699+#513*3]-#[11000+#610]-#[516+#513*10]；变量#5204为机床Z轴机械坐标系变量

N250 GOTO20

N260 END1

N270 WHILE[[#18GE54]AND[#18L E59]]DO1(#_WZG54[4]---G54)；当宏局部变量54≤#18≤59时，执行N10程序段

N280 #[5224+[#18-54]*20]=#[699+#513*3]-#[11000+#610]-#[513+#513*10]

N290 GOTO20

N300 END1

N310 WHILE[[#18GE1]AND[#18LE48]]DO1(#_WZP1[4]---G54.1P1)；当宏局部变量1＜#18＜48时，执行N10程序段

N320 #[6984+#18*20]=#[699+#513*3]-#[11000+#610]-#[513+#513*10]

N330 GOTO20

N340 END1

N350 #3000=2(R value exceeds the specified range!)；变量#3000赋值2，机床执行报警信息

N360 M99；子程序结束返回

3.2 工件坐标系中心的确定原理

利用雷尼绍测头分别打点测量回转支承安装面上的3个定位销孔（P1、P2、P3）内壁上的4个点，确定各销孔中心坐标。依据不在同一直线上的三点确定一个圆的原理，程序根据各销孔中心坐标自动计算出主架回转中心O的坐标值，并将其定为工件坐标系的中心，即工件加工基准（坐标系）。换算原理如下。

假设3个定位销孔中心坐标分别为P1（x1，y1）、P2（x2，y2）、P3（x3，y3），求回转中心O坐标（x，y），3个定位销孔与回转中心O的几何关系如图3所示。根据同一圆上的点到圆心距离相等，可得出（x－x1）2+（y－y1）2＝（x－x2）2+（y－y2）2＝（x－x3）2+（y－y3）2，从而可求得x、y的值。

图3 定位销孔与回转中心几何关系

3.3 修正补偿宏程序的开发

实际加工中，主架二次装夹后会存在一定误差。根据前文所述的工件坐标系中心确定原理，利用雷尼绍测头自动测量加工中心已加工的定位销孔二次装夹后的实际位置P11、P21、P31，确定出回转中心O，如图4所示。建立起定位销孔P1（图样）与P11（实际）的数学关系，利用程序自动计算出OP1与OP11之间的角度α。

图4 二次装夹后定位销孔与回转中心几何关系

修正补偿宏程序如下。

N10 G65P9102D20R1 X-644.1 Y-0.5 Z205；调用9102子程序测已知销孔圆心坐标

N20 G65P9102D20R2 X592.7 Y252.1 Z205；同上

N30 G65P9102D20R3 X616.1 Y-188 Z205；同上

N40 G65P9104A1B2C3；计算三点所在圆的圆心坐标

N50 G65P9105Q0R54U0V0；将圆心坐标送入到工件坐标系

N60 #709=#511；将X坐标提取到变量#709

N70 #710=#512；将Y坐标提取到变量#710

N80 G65P9103A1B4Q0；计算旋转角度

N90 #920=#515；提取旋转角度值

N100 T1M6(ZHONG-XIN-ZUAN)；换刀

N110 G54X0Y0

N120 G68X0Y0R#920；坐标系旋转补偿

N130 G00G90X0Y0

N140 G43Z100H1；建立刀具长度补偿

N150 S1000M3

N160 Z15

N170 G16X-644Y0

N180 G98G81Z-5 R10 F80；开始钻孔加工

3.4 效果验证

为验证在数控钻床研究开发的宏程序能否满足设计要求，选取5台主架进行可行性加工试验，经三坐标测量仪检测，回转支承螺纹联接孔全部符合设计和质量要求。通过加工过程改进，成功解决了我公司主架分工序加工中因二次装夹误差而造成的工件绕加工基准旋转，导致孔移位的问题。

4 结束语

工程机械大型结构件大多为焊接构件，体积和质量大，为了保证加工精度和加工质量，对加工工艺有较高要求。通过本文介绍的改进方法，不但解决了我公司主架加工过程中出现的问题，而且同时实现了主架在数控钻床自动测量、计算、判断和修正补偿的全程无人化加工，对数控加工技术的提升以及发挥数控设备自动化加工优势有借鉴意义。