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詳解擺線輪磨削軟（ruǎn）件與數控係統的關聯

2020-8-3 來源（yuán）：北京工業大學（xué）機械工程與應用電子技術（shù）學院作者（zhě）：張躍明，楊申春，紀（jì）姝婷，冀（jì）永虎，趙飛

摘要（yào）: 對於具（jù）有複雜曲麵輪廓的ＲV 減速器（qì）擺線輪的製（zhì）造，通過輔助製造軟件對齒廓進行設計和修形並根據最終齒廓曲線自動生成（chéng） G 代碼數控程（chéng）序通過數控係統（tǒng）直接讀取加工，可以減輕工人的編程工作量，提高生產效率。

關鍵詞: 擺線輪; 齒廓修形; 數控係統

隨著製造業快速發展，數控（kòng）機床的使用也越來越廣泛，自然而然地對數控係統的功（gōng）能要求也越來越高。因為隨著機械設計理（lǐ）論的發展，科研人員不斷更新改進機械機構（gòu），導（dǎo）致機械加工中所需要加工的零部件越來越（yuè）複雜，精度要（yào）求（qiú）也越（yuè）來越高。對於簡（jiǎn）單的零件，工作人員可以根（gēn）據（jù）零（líng）件（jiàn）圖來手（shǒu）工編寫 G 代碼數控程序並手動輸入到數控係（xì）統中，因為程序相對比較簡單。

而對（duì）於具（jù）有複雜曲（qǔ）麵輪廓並且要求（qiú）輪廓（kuò）度誤差較小的零部件，完全（quán）憑手工編程就不可取了。眾所周知數控（kòng）加工是走插補（bǔ）的，在編寫非圓曲（qǔ）麵加工 G 代碼數（shù）控程序時（shí），所取的點與點之間的（de）距離取決於所要求的輪廓度誤差值的大小，輪廓（kuò）度（dù）要求越高，取點將越密集。

為了保證輪廓度誤差（chà）和表麵粗糙度的質量（liàng），通（tōng）常會將一小段輪廓曲線（xiàn）分割為（wéi）成百上千段，這將導致 G 代碼程序非常複雜，將不再適合手工編程，這就使得數控係（xì）統自帶的功（gōng）能很難完全滿足生產需求。

為了生產加工（gōng）方便，提高（gāo）生產效率，通過對數控係統進行二次開發或者（zhě）編寫相關的（de）輔助加工軟件對數控係統進行功（gōng）能擴展，可（kě）以解決該難（nán）題，並在生產中也得到了（le）驗（yàn）證，效果也非常顯著。

文中將（jiāng）以陸聯（lián）擺線齒（chǐ）輪磨床（chuáng）為例，詳細分析機床上的擺（bǎi）線輪磨削軟件與數控係統之間的聯係，探索為何該設備能高效（xiào）率地加工出高精度的擺線輪。

1 、擺線輪軟件

陸聯擺線齒輪（lún）磨床是一台專用機床，使用FANUC32i 數控係統，主要以成形磨削的方式加（jiā）工機器人關節ＲV 減速器中的核心零件（jiàn）擺線輪。擺線輪的齒廓曲線是（shì）非圓弧曲線，要求的輪廓度誤差（chà）在 0. 004mm 以內，所以常規（guī）的圓弧插補指令 G02、G03 將不再適用。

想要加工出如此（cǐ）高精度的零件，就要求在（zài）編寫 G 代碼數控程（chéng）序時，將齒輪曲線分割成多段走（zǒu）直線插補。插補段數越多，機床的加工軌跡將越接近理論齒廓，這對於手工編程人員是（shì）一個巨大的工作量。機床上的擺線輪磨削軟件可以直接設計擺（bǎi）線（xiàn）輪齒廓並可對齒廓曲線進（jìn）行分析處（chù）理（lǐ），自動生成 G 碼數控程序，減輕工人的勞動量，顯著（zhe）提高生產（chǎn）效率。

擺線輪磨（mó）削軟件是以 VB 語言編寫的，和數（shù）控係統軟件一（yī）起（qǐ）安裝（zhuāng）在 PC 機上，軟件從（cóng）功能上可（kě）以（yǐ）分成（chéng）兩部分: 擺線輪齒形設計部分和 G 代碼數（shù）控程序（xù）實現部分。

1. 1 擺線輪齒形（xíng）設計部分

該部分主要（yào）包括（kuò）齒（chǐ）輪設定模塊 ( 見圖 1) 和修（xiū）砂路徑模塊 ( 見圖 2) 。齒輪設定模塊可對初步設定擺線（xiàn）輪參數 ( 傳動比、偏心距、中心圓直徑等) 和（hé）設備參數 ( 金（jīn）剛輪Ｒ角、砂輪厚（hòu）度) ; 在修砂路徑模塊，可（kě）以根（gēn）據需要再次對擺線輪齒廓進一步（bù）修（xiū）形，既可以使用自定齒形功能導入自己（jǐ）設計的輪（lún）廓曲線的數據，也可以通過拉（lā）動左右兩邊的 14 個點（diǎn）手動修形，或者兩者相結合。

齒輪設定模塊

修砂路徑模（mó）塊

1. 2 G 代碼數控程序實現部分

該部分主要是加工參數模（mó）塊，該模塊又細分為加工設置、修砂（shā）設置、對刀設置以及研磨部分。加工設置中最重要的是要設置坐標 ( 見圖 3) ，該軟件中所使（shǐ）用的坐標與數控係統的坐標完全（quán）一致，以避免自動編寫 G 代碼程序時坐標係混亂。修砂設置和對刀設置（zhì）分別執行砂（shā）輪修整功能和對刀功能。在研磨設置模塊，可以設置數控（kòng）加工的磨削用量，如圖 4 所示。

坐標設定

研磨設（shè）置

2 、數控（kòng）係統與磨削軟件的關（guān）聯

通過（guò）對機床數控係統和磨削軟件的仔細研究，發現該軟件簡單來（lái）說隻是一個設計擺線輪齒形進而根據齒形（xíng）數據生成數控加工 G 代碼程序的工具。齒輪設定模（mó）塊（kuài）、修砂路徑模塊以及加工參數模塊中的加工（gōng）設置部分都是生成 G 代碼程序的前提準備部分。當（dāng）前麵的部分都依次設定好之後，才能逐步激活下麵的模塊。其中修砂、對刀和研磨都需要（yào）生成 G 代碼程序以便於數控機床能夠啟動運行，所以在參數設定好之後，點擊右下角（jiǎo）的傳送按鈕，軟件即可自（zì）動（dòng）生成與該功能部分相適應的 G 代碼程序並（bìng）自動（dòng）保存在電腦硬（yìng）盤裏麵。

打開數控係統軟件的程序界麵 ( 如圖 5 所示) ，發現數控係統裏麵已經為磨（mó）削軟件適配了一個主程序，磨（mó）削軟件中所有功能 ( 修砂、對刀（dāo）、研（yán）磨) 的執行都需要借助於該主程序，也就是說磨削軟件是通過（guò）主程序與數控係統相聯係的。

CNC 主程序

通過對主程序的層層閱（yuè）讀和分析，發現主程序隻是一個執行子程序調用和機床停止功能的簡單程序，修砂、對刀和研磨的（de）具體執行語句（jù）都在磨削軟件生成的子程序裏麵。也就是說，主程序隻（zhī）是執（zhí）行子（zǐ）程序調度功能，具體的（de）功能執行取決（jué）於子程序，而子程序的生成就與前麵的修砂、對刀和研磨功能的選擇有關了，在哪個功能模塊中點（diǎn）擊傳送按鈕，軟件就會（huì）自動生成該功能的執行子程序，進而通過主程序的調用使數控機床執行。

3 、研磨功能的執行（háng）過程

現在以研磨功能的執行過（guò）程為例，對數控係統和磨削（xuē）軟件的運行機製以及（jí）相互關聯進行詳細分析。

( 1) 首先是準備功能部分: 擺線（xiàn）輪齒形初步設計→通過修砂路（lù）徑模（mó）塊對擺線輪進行再次修形→通（tōng）過加工設置輸（shū）入機床坐標以及其他相關參數。

( 2) 準備工作做（zuò）好後，就（jiù）可以根據前麵設計的擺線輪齒廓線數據生成相應的修砂輪的 G 代碼（mǎ）數控程序，執（zhí）行（háng）修砂輪程序直到完全修出所設計的形狀。對於成形磨削而言，擺線（xiàn）輪的齒形（xíng）完全（quán）取決於砂輪的形狀，所（suǒ）以必須重視該步驟。

( 3) 然（rán）後是激活對刀設置模（mó）塊開始執行對刀功能，此機床隻是執行最（zuì）後的精（jīng）加工工序，工（gōng）件在加工之前就已經進行了粗加工，毛（máo）坯上已經有大概的擺線齒形了，隻留下了少部分餘量以便於提高（gāo）加工效率。但是值得注意的是（shì），由於毛坯上的餘量較少，對刀時必須（xū）盡（jìn）量對正對準確（què），以（yǐ）避免出現擺線輪外徑（jìng）尺寸已經到位了，還有部分齒麵沒（méi）有完全磨到，這將給零件（jiàn）的齒形輪廓度和表麵粗糙度帶來極大的損害（hài）。

因此，既要在對刀之前將砂輪形狀完全修整，也要保證對刀的準確度（dù）。

(4) 當前麵所有的工作都確保無誤之後，就可以激活研（yán）磨模塊執行擺線輪研磨功能了。首先在該界麵上設置好磨（mó）削用量: 研磨趟數、切量、研磨轉速、進（jìn）給速度以及修砂頻率和（hé）修砂增（zēng）量等參數（shù）。這些（xiē）參數一定要合理設置，因為這些參數會直接在 G 代碼數控程序（xù）中使用。

換言之，當 G 代（dài）碼數控程序準確無誤時，最終加工產品的質量很大部分依賴於磨削（xuē）用量的合理程度。因為磨削特別是高精度磨削加（jiā）工相對於刀（dāo）具加工穩（wěn）定性和加工效率稍（shāo）差，磨削時作為刀具的砂輪自身也在損耗，進而導致砂輪輪廓發生變化，影響零件的輪廓度和加工效率（lǜ）。

所以參數設置得越合理，擺線（xiàn）輪的（de）精（jīng）度將會越高，反之亦然。當參數設（shè）定好之後，點擊右下角的傳送按鈕，即（jí）可生成執行該功能的 G 代碼（mǎ）數控程序（xù）。啟動（dòng）數控（kòng）機（jī）床（chuáng），首（shǒu）先將會執行 O999 主程序，接（jiē）著通過外部子程序調用磨削軟件生成的 O0006 號子程序和 O0002 號子程序對係統中所（suǒ）用（yòng）到的宏變（biàn）量進行初始（shǐ）化，其（qí）中對#101 賦值 2。接著執行 O0007 號（hào）子程序，該程序具體內（nèi）容如下:

可以（yǐ）看到在 O0007 號子程（chéng）序中（zhōng）再次進行了外部子程序的調用。通過分析（xī），O0003 號子程序和（hé） O0004號子程序分別是（shì）執行砂輪（lún）修整和對刀時所執行的 G代碼，而現（xiàn）在是執行研磨功能（néng），所以這兩個子程序（xù）並沒有實質（zhì）性的執行語句。接著執行 O0005 號子程序，該程序才是執行（háng）研磨功能的具體 G 代碼。

如（rú）下所示是研磨 4 號齒（chǐ）的程序段:

G90G01A#100F500．0 ( 擺線（xiàn）輪轉動一個（gè）齒的角度（dù）為磨削下一個齒做準備)

4 、結束語

當需要加工（gōng）的（de）零（líng）部件的（de） G 代碼（mǎ）程序特別複雜使得數控係（xì）統自帶功能無法滿足需求時，通過（guò）自己開發（fā）的輔助製造軟件，根據設計好的零件輪廓直接生成 G代碼程序並被數控係統直接讀取進行（háng）生產加工，可（kě）以減輕工人（rén）的編程工作（zuò）量，提高生產效率。因此編寫好的輔助製（zhì）造軟件對於提高生（shēng）產效率（lǜ）和產（chǎn）品質量是非常重要的，特別是對於加工具有複雜曲（qǔ）麵（miàn）輪廓並且要求輪廓度誤差較小的零部件顯得尤為重要。

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