進(jìn)給速度是數(shù)控加工切削用量中的一個(gè)重要參數(shù)，如果在工件加工過(guò)程中實(shí)際切削進(jìn)給速度存在劇烈變化，將對(duì)加工表面質(zhì)量和刀具使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，最大限度地保持刀具切削部位相對(duì)于工件的表面進(jìn)給速度恒定，對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)加工具有重要意義。

　　數(shù)控加工進(jìn)給速度F指的是各軸的伺服控制速度，而伺服控制速度以對(duì)應(yīng)軸的位移來(lái)確定。三軸聯(lián)動(dòng)加工編程時(shí)，刀具相對(duì)于工件做平動(dòng)，僅以一個(gè)刀位點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)就可以代表整個(gè)刀具的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)程序中的F為刀具相對(duì)于工件的合成進(jìn)給速度。多軸聯(lián)動(dòng)加工編程時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)軸或回轉(zhuǎn)軸的加入，還需要用一個(gè)刀軸矢量才能準(zhǔn)確描述刀具的運(yùn)動(dòng)，刀軸上各點(diǎn)的實(shí)際進(jìn)給速度不盡相同，合成后的刀具實(shí)際進(jìn)給速度廠與程序中指定的進(jìn)給速度不一致，而隨刀具的位置發(fā)生變化。為了保證工件表面的恒切削速度，在編程時(shí)應(yīng)考慮對(duì)編程進(jìn)給速度F進(jìn)行修正，根據(jù)工藝條件選擇好合適的實(shí)際進(jìn)給速度^對(duì)每個(gè)程序段反求出所需要的F指令值，來(lái)保持刀位點(diǎn)的進(jìn)給速度的平穩(wěn)。

　　針對(duì)上述多軸聯(lián)動(dòng)實(shí)際進(jìn)給速度不斷變化的問(wèn)題，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)相應(yīng)指令，推導(dǎo)出多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工時(shí)實(shí)際進(jìn)給速度，和編程進(jìn)給速度F的關(guān)系，并在Pro／E上對(duì)其進(jìn)行后置處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工進(jìn)給速度的有效控制。

1 多軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)給速度控制建模

　　在數(shù)控系統(tǒng)中，對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)加工進(jìn)給速度的控制通常采用G93和G94指令進(jìn)行。

　　(1)G94指令有效對(duì)應(yīng)F的特點(diǎn)

　　G94指令有效時(shí)，數(shù)控加工程序段中的F值表示的是速度，即

F=△／△T

　　當(dāng)三軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)，F(xiàn)代表的是單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)給的位移，且這個(gè)位移量是x、y、z三個(gè)直線軸位移的矢量合成。
 

　　式中，△X、△Y、△z為在數(shù)控加工程序段中三個(gè)直線軸方向上的增量，單位為mm。

　　當(dāng)多軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)，由于含有移動(dòng)軸和轉(zhuǎn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)軸的增量，系統(tǒng)處理比較復(fù)雜。對(duì)于一些較新的數(shù)控系統(tǒng)，通常都采用了擴(kuò)展線位移概念的做法，即把角度的旋轉(zhuǎn)位移也等同于線位移看待，合成位移量類(lèi)似于上述直線軸位移的矢量合成，即

　　式中：移動(dòng)軸的增量單位為mm，轉(zhuǎn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)軸的增量為(°)；As無(wú)實(shí)際意義，為了方便，稱(chēng)之為當(dāng)量位移。此時(shí)，多軸聯(lián)動(dòng)加工程序段中的，代表的是單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的當(dāng)量位移。在G94指令有效時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行各程序段所需要的時(shí)間△T(單位為min)。

△T=△s／F

　　(2)G93指令有效對(duì)應(yīng)F的特點(diǎn)

　　G93指令有效時(shí)，數(shù)控加工程序段中的，值給出的是進(jìn)給率，表示為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行該段程序所需要時(shí)間的倒數(shù)，即

F=1／△T

　　對(duì)應(yīng)的時(shí)間由式(4)計(jì)算。式中時(shí)間單位為min。

△T=1/F              (4)

　　從式(4)可以看出，無(wú)論這個(gè)程序段有幾個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，且不論是移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)還是旋轉(zhuǎn)，所有的運(yùn)動(dòng)軸都在規(guī)定的時(shí)間△T內(nèi)到達(dá)指定位置。

　　(3)多軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)給速度的分析

　　從式(3)、(4)可知，數(shù)控系統(tǒng)能計(jì)算執(zhí)行該段程序所運(yùn)行的時(shí)間，并用此統(tǒng)一時(shí)間來(lái)控制各軸的勻速運(yùn)動(dòng)，且使各運(yùn)動(dòng)軸同時(shí)到達(dá)規(guī)定位置，實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)加工。刀具相對(duì)工件的實(shí)際速度，為

f=δs/△T              (5)

　　數(shù)控加工程序經(jīng)過(guò)后置處理，系統(tǒng)計(jì)算出加工程序中相鄰兩程序段轉(zhuǎn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)軸在機(jī)床坐標(biāo)系中的增量△A、△C；當(dāng)△A、△c較小時(shí)，則在前處理階段得到的對(duì)應(yīng)的相鄰兩刀位點(diǎn)坐標(biāo)在工件坐標(biāo)系中的距離就可看作為刀具相對(duì)于工件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離8s，如式(6)所示。

　　多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工刀具的運(yùn)動(dòng)方式是線性插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，刀具運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面和加工曲面之間存在一定的逼近誤差，包括直線逼近誤差和刀具擺動(dòng)誤差。因此，為減小加工誤差，在前處理階段一般選擇較小的走刀步長(zhǎng)，從而在后處理階段得到的△A、△C也在合理的范圍之內(nèi)，保證了式(5)的正確性。

G94指令有效的情況下，根據(jù)式(5)，可求出多軸聯(lián)動(dòng)加工編程進(jìn)給速度F和實(shí)際進(jìn)給速度門(mén)均關(guān)系為

　　式(7)中的當(dāng)量位移缸由式(2)計(jì)算，單位時(shí)間△T由式(3)計(jì)算。需要說(shuō)明的是，在多軸聯(lián)動(dòng)加工過(guò)程中，實(shí)際切削的進(jìn)給速度，按照加工工藝要求來(lái)選擇確定，然后根據(jù)式(7)，給加工程序的每個(gè)程序段都計(jì)算出各自所需的，指令值，這樣就保證了實(shí)際切削進(jìn)給速度恒定為f。當(dāng)然，在采用式(7)求取指令進(jìn)給速度F時(shí)，假如在工件坐標(biāo)系中兩個(gè)連續(xù)刀位點(diǎn)的刀心坐標(biāo)不變，只是刀軸矢量發(fā)生變化，這時(shí)所求得的刀具相對(duì)工件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離δs=0，將其代入式(7)，求得程序中的指令進(jìn)給速度F為無(wú)窮大，這在加工中是不允許的。實(shí)際上，數(shù)控系統(tǒng)允許的進(jìn)給速度指令值都有一極限值F_max，當(dāng)求得的，大于極限值F_max時(shí)，該程序段的進(jìn)給速度指令值取F_max。

　　在G93指令有效的情況下，根據(jù)式(5)，也可求出多軸聯(lián)動(dòng)加工編程進(jìn)給速度，和實(shí)際進(jìn)給速度，的關(guān)系為

　　與G94指令不同的是單位時(shí)間△T按照式(4)進(jìn)行計(jì)算。

2 基于Pro／E的多軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)給速度控制后置處理實(shí)現(xiàn)技術(shù)

　　Pro／E的后處理模塊Pro／NC POST中的機(jī)床后置處理器GPOST由兩個(gè)文件組成：UNCXOI．Pxx——定義該機(jī)床所有參數(shù)的對(duì)應(yīng)文件；UNCXOI．Fxx——針對(duì)該機(jī)床做二次開(kāi)發(fā)的文件。

　　在Pro／E中做任何一種機(jī)床的后處理只需編寫(xiě)這兩個(gè)文件即可。其中在UNCXOI．Pxx文件中用來(lái)指定機(jī)床類(lèi)型、輸出文件格式、輸出程序的頭尾和GM代碼的定義等等。在Pro／E的機(jī)床選項(xiàng)文件生成器(Option File Generator)中依據(jù)機(jī)床工作手冊(cè)和數(shù)控系統(tǒng)編程手冊(cè)定義機(jī)床的各種參數(shù)和GM代碼，然后機(jī)床選項(xiàng)文件生成器會(huì)自動(dòng)將這些參數(shù)保存在UNCX01．Pxx文件中。另一個(gè)文件UNCX01．Fxx是采用工廠級(jí)語(yǔ)言(Factory Interface Language)來(lái)編寫(xiě)的。這是一種宏語(yǔ)言，通過(guò)編寫(xiě)這個(gè)文件，可以修改后處理器的輸出、修改刀位軌跡文件以及進(jìn)行其他特殊需求的輸出，可以極大地?cái)U(kuò)展后處理器的功能。具備G93和G94指令功能的數(shù)控系統(tǒng)，結(jié)合Pro／E后置處理中的Feed rates功能選項(xiàng)直接設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。如果數(shù)控系統(tǒng)不帶C,93和G94指令功能，可以在編輯這個(gè)文件時(shí)加入上述多軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)給速度的算法。

3 加工實(shí)例

　　為了驗(yàn)證上述進(jìn)給速度計(jì)算模型與程序后置處理方法，在加工中心DMU 125P上對(duì)下極頭零件進(jìn)行了實(shí)際加工。圖2為零件三維造型圖，中間淺色部分表示上下不同半徑的圓角曲面，其兩邊深色部分為傾斜平面。加工時(shí)用,20 mm的硬質(zhì)合金銑刀側(cè)刃進(jìn)行加工。由于在加工過(guò)程中刀軸變化較大，在沒(méi)處理前，編程進(jìn)給速度固定，導(dǎo)致實(shí)際加工進(jìn)給速度在傾斜平面向圓角曲面加工時(shí)劇烈變化，加工表面質(zhì)量差，刀具磨損嚴(yán)重。

　　根據(jù)零件加工部位特點(diǎn)，并結(jié)合機(jī)床所配數(shù)控系統(tǒng)G93和G94指令功能，在Pro／E上進(jìn)行后置處理設(shè)置。后置處理得到的NC程序如圖3所示。由圖3可知，加工過(guò)程中實(shí)際切削進(jìn)給速度保持恒定。采用該NC程序加工得到的零件如圖4所示，經(jīng)過(guò)測(cè)量，形位尺寸精度均滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也降低實(shí)際加工種低了刀具磨損。

4 結(jié)語(yǔ)

　　(1)多軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)，程序段中的進(jìn)給速度僅為加工速度的參考值，刀具實(shí)際切削進(jìn)給速度需要結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)功能進(jìn)行后置處理計(jì)算。

　　(2)給出了多軸聯(lián)動(dòng)加工實(shí)際切削進(jìn)給速度與NC編程進(jìn)給速度的關(guān)系，并結(jié)合下極頭零件，經(jīng)Pro／E后置處理，實(shí)現(xiàn)了多軸聯(lián)動(dòng)加工進(jìn)給速度的控制，保證了實(shí)際切削進(jìn)給速度的平穩(wěn)。本文研究為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈典型結(jié)構(gòu)件多軸聯(lián)動(dòng)高效加工奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。