圓周孔系的數(shù)控編程方法研究

劉振超

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，柳州 545007）

0 引言

圓周孔系在端蓋、法蘭、箱體等零件中是非常常見的，傳統(tǒng)的加工方法是利用鉆模在普通鉆床上加工，但工人勞動強度大、工序分散效率相對較低。隨著數(shù)控機床的普及，由于其勞動強度低、工序集中、效率高、操作方便靈活的特點，越來越多的孔系零件被安排在數(shù)控機床上加工。但如何使數(shù)控加工程序簡化，使操作工人能容易讀懂便于修改，這是編程人員要思考的問題。

1 孔加工固定循環(huán)指令

在數(shù)控加工中，孔加工的動作循環(huán)已經(jīng)典型化。例如，鉆孔、鏜孔的動作順序是孔位平面定位、快速引進、工作進給和快速退回等，如圖1所示。將這樣一系列典型加工動作預(yù)先編好程序存儲在系統(tǒng)中，再用包含G代碼的一個程序段調(diào)用，可簡化編程工作。這種包含了典型動作循環(huán)的G代碼稱為循環(huán)指令。

圖1 孔加工固定循環(huán)動作示意圖

FANUC系統(tǒng)固定循環(huán)指令的通用格式如下：

G98（G99)G _ X_Y_ Z_R_Q_P__K_F_L

參數(shù)說明：

1）X、Y為孔位數(shù)據(jù)，指被加工孔的位置。

Z為孔底數(shù)據(jù)， G90時，Z為孔底坐標(biāo)；G91時，Z為R點到孔底的距離（多為負）。

2）R為安全平面位置。G90時，是 R面的坐標(biāo)值；G91時，是初始點到R面的距離（常為負）。

3）Q 在G73或G83時指定每次進給深度，在G76或G87時指定刀具的讓刀量，是增量值。

4）K在G73或G83時指定每次退刀量，K＞0。

5）P指定刀具在孔底的暫停時間，單位為秒。

6）F為切削進給速度。

7）L指定固定循環(huán)的次數(shù)。

部分G代碼的含義是：

G81：一般鉆孔循環(huán)指令，用于一般定點鉆。

G82：帶停頓的鉆孔循環(huán)指令，執(zhí)行該指令使孔的表面更光滑，孔底平整。常用于做沉頭臺階孔。

G74：左旋攻螺紋循環(huán)。

單一孔的加工，只要執(zhí)行一個固定循環(huán)指令即可。

2 圓周孔系的編程方法

所謂圓周孔系，是指分別在圓周上的一系列孔。如果孔的結(jié)構(gòu)尺寸相同，則孔的固定循環(huán)指令相同，不同的是每一個孔所在的位置不同。同一個孔要完成不同的工序，如鉆中心孔、鉆孔和攻螺紋等，只要更換刀具和相應(yīng)的固定循環(huán)指令即可，孔位置并沒有變。孔系加工編程的關(guān)鍵和難點是確定孔的位置，在這里以鉆孔工序為例，提出了孔系編程的四種方法。

2.1 坐標(biāo)編程法

坐標(biāo)編程法是通過數(shù)學(xué)計算獲得孔位置的坐標(biāo)值，將坐標(biāo)值的數(shù)據(jù)編入鉆孔循環(huán)G82程序段，然后運行該程序，鉆孔即可完成。這種方法計算量大，數(shù)據(jù)繁瑣且容易出錯，程序段多，在加工現(xiàn)場輸入程序時，由于數(shù)據(jù)小數(shù)較多易造成輸入錯誤，從而使零件報廢。如圖2所示盤類零件，通過計算得孔1、2、3的中心坐標(biāo)分別是：

孔 1 ：（X153.341，Y41.088）；

孔 2 ：（X112.253 ，Y112.253）；

孔 3 ：（X41.088， Y153.341 ）。

圖2 盤類零件

根據(jù)孔位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)編寫的程序如下：

…

G00 X153.341Y41.088 （定位到孔1）

G99 G82 G90 R5 Z-120 P2 F100 （鉆孔）

G00 X112.253 Y112.253 （定位到孔2）

G99 G82 G90 R5 Z-120 P2 F100 （鉆孔）

G00 X41.088 Y153.341 （定位到孔3）

G99 G82 G90 R5 Z-120 P2 F100 （鉆孔）

…

根據(jù)上述程序段推斷，要完成圓周12個孔的鉆孔工序，則至少需要24個鉆孔的程序段，程序冗長且數(shù)據(jù)復(fù)雜，容易出錯。這種編程方法對有規(guī)律的孔系顯得笨拙，但對一些沒有規(guī)律的孔系的編程卻是必然的方法選擇，而且這種絕對定位的方式?jīng)]有積累誤差，孔的定位精度較高。

2.2 宏功能編程法

宏程序可以運用變量編程，能夠?qū)ψ兞窟M行賦值，同時變量間還可以進行算術(shù)與邏輯運算，改變程序執(zhí)行順序。

宏程序的變量及變量引用、變量運算簡介。

1）變量表示方法：一個變量由“#”和變量序號組成，如#1、#2、#101等。

2）變量引用：將地址符后的數(shù)值用變量來代替的方法稱為變量引用。如X#4、Y#5、F#101等。

3）變量運算：變量之間可進行數(shù)學(xué)運算和邏輯運算，運算次序依次是函數(shù)運算（SIN、ASIN、COS等）、乘和除運算（*、/、AND等）、加和減運算（＋、－、OR等）。

例如：#1=#2+#3*SIN[#4]。

4）條件表達式：

格式：IF〔〈條件表達式〉〕GOTO n ；

例如：IF [ #10 GT 0 ] GOTO 2 ；這種格式表示如果表達式指定的條件滿足時，轉(zhuǎn)移到標(biāo)有順序號n的程序段。如果指定的條件不滿足，執(zhí)行下個程序段。

5）循環(huán)

格式：WHILE[〈條件表達式〉] DO m ；（m=1，2，3）

如： WHILE[〈條件表達式〉] DO m ；

…

ENDm；

當(dāng)指定的條件滿足時，執(zhí)行WHILE從DO到END之間的程序。否則轉(zhuǎn)而執(zhí)行END之后的程序段。DO后的號和END后的號是指定程序執(zhí)行范圍的標(biāo)號。

如圖2中的零件，可以通過變量之間的運算確定每個孔的中心位置，這就大大簡化了計算工作，使程序得到簡化?，F(xiàn)以FANUC系統(tǒng)的B類宏程序為例，編寫圖1零件的圓周孔系加工程序。

O1209（程序名）

N10G90G54G0Z100;（程序開始）

N20M03S200M08; （主軸以200r/min正轉(zhuǎn),冷卻液開）

N30#1=15; （當(dāng)前角度為15°）

N40#2=30; （角度遞增值為30°）

N50#3=360;（最終角度）

N60#4=158.75;（圓周孔系所在的圓弧半徑值）

N70#7=120；(鉆孔深度)

N80WILE[#1LE#3] DO1;（條件判斷）

N90#5=#4*COS#1；（計算孔位置的X坐標(biāo)值）

N100#6=#4*SIN#1; （計算孔位置的Y坐標(biāo)值）

N110G00X#5Y#6; （定位到要加工孔的上方）

N120G99 G82 G90 R5 Z-#7 P2 F100 ；（開始鉆孔循環(huán)）

N130#1=#1+#2;（更新角度變量）

N140END1；（循環(huán)結(jié)束）

N150G00Z100;（抬刀）

N170M05M09; （主軸停，關(guān)冷卻液）

N180M30; （程序結(jié)束）

由此可見，用宏功能編程，程序簡潔，一個完整程序也就18個程序段，而且其中5段是變量賦值，程序的長度與孔的個數(shù)無關(guān)。宏程序不但精悍，而且功能強大，通用性強。如上例，要加工在不同圓周分布、不同個數(shù)的孔系或者孔深不同等，都可以通過改變相應(yīng)的變量賦值就可以，不需要改變程序，對一些企業(yè)加工的系列孔系產(chǎn)品具有很好模板的作用。

2.3 用子程序與坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)功能結(jié)合的編程方法

分析圖2零件就可知道，12個孔的結(jié)構(gòu)尺寸一樣，孔加工循環(huán)的動作一樣，所不同的僅僅是孔位置的不同。如果把孔加工循環(huán)的程序?qū)懗勺映绦?，再用坐?biāo)選擇功能確定每一個孔的位置，然后調(diào)用孔加工的子程序，這樣編程既簡單明了，編程方便，而且還不容易出錯，在生產(chǎn)中使用起來非常方便。

FANUC系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)指令介紹：

指令格式 ：

G68 X__Y__P__（建立坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)功能）

G69 （取消坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)功能）

其中：

X、Y、Z 是旋轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)值；

P為旋轉(zhuǎn)角度，單位是（°），0≤P≤360.°逆時針旋轉(zhuǎn)時為“+”，順時針旋轉(zhuǎn)時為“—” 。

利用子程序與坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)功能相結(jié)合，加工圖1零件的程序如下：

O1210;（程序名）

N10 G54G90Z100；(工件坐標(biāo)系選擇)

N20 M03 S200；(主軸以200r/min正轉(zhuǎn))

N30 T0202；(刀庫的2號刀位2號刀補)

N40 G90 G00 Z100；(快速移動到安全高度Z100處)

N50 G00 X0 Y0 Z0；(快速定位到工件坐標(biāo)零點)

N60 G68 X0 Y0 P15；(旋轉(zhuǎn)15o定位到第1個孔所在角度)

N70 M98 P2222；(調(diào)用子程序鉆孔)

N80 G68 X0 Y0 P45； (旋轉(zhuǎn)45o定位到第2個孔所在角度)

N90 M98 P2222； (調(diào)用子程序鉆孔)

N100 C68 X0 Y0 P75；(旋轉(zhuǎn)75o定位到第3個孔所在角度)

N110 M98 P2222； (調(diào)用子程序鉆孔)…

N280 G68 X0 Y0 P345；

N290 M98 P2222；

N300 G00 X0 Y0 Z100； （快速抬刀）

N310 M05； （主軸停）

N320 M30； （程序結(jié)束）

O2222；（子程序名）

N10 G99 G82 X158.750 Y0 R5 Z-120 P2000 F100；（鉆孔循環(huán)）

N20 G69; （取消旋轉(zhuǎn)功能）

N30 M99；（子程序結(jié)束，返回主程序）

由程序O1210可見，程序基本在重復(fù)G68 X0Y0P_及M98P2222兩個程序段，編程過程不需要繁雜的計算過程，用口算即能很快編制出程序，高效實用，簡單清楚，比傳統(tǒng)的坐標(biāo)編程法要簡練得多。但這種程序編寫方法，孔數(shù)越多程序越長，不但程序的長度與孔的數(shù)量成正比，而且，一般孔加工如果需要經(jīng)過點中心孔、鉆孔、攻螺紋等多個工序，程序的長度同時與工序數(shù)也成正比。

2.4 選轉(zhuǎn)功能與宏程序結(jié)合編程

其實零件中每個孔的位置在圓周上是均勻分布的，任意兩孔之間角度增量相等，如果把角度增量設(shè)為變量，則每個孔的位置就可以通過變量運算來確定。運用旋轉(zhuǎn)功能與宏程序結(jié)合編寫的程序如下：

O1211;（程序名）

N10 G54G90Z100；(工件坐標(biāo)系選擇)

N20 M03 S200；(主軸以200r/min正轉(zhuǎn))

N30 T0202；(刀庫的2號刀位2號刀補)

N40 G90 G00 Z100；(快速移動到安全高度Z100處)

N50 G00 X0 Y0 Z0；(快速定位到工件坐標(biāo)零點)

N60 #1=15; （當(dāng)前角度值）

N70 #2=30; （角度變量增量值）

N80 WILE[#1LE360] DO1; （條件判斷）

N90 G68 X0 Y0 P#1；(旋轉(zhuǎn)15o定位到第1個孔所在角度)

N100 G99 G82 X158.750 Y0 R5 Z-120 P2000 F100；（鉆孔循環(huán)）

N110 G69; （取消旋轉(zhuǎn)功能）

N120 #1=#1+#2；（更新角度變量）

N130 END1; （結(jié)束循環(huán)）

N300 G00 X0 Y0 Z100； （快速抬刀）

N310 M05； （主軸停）

N320 M30； （程序結(jié)束）

由程序O1211可知，由于旋轉(zhuǎn)功能與宏程序的結(jié)合，程序變得更加簡潔，與單純的宏程序相比，程序更簡單、清楚、易懂，編程也更容易。

3 結(jié)論

通過比較四種編程方法可知，坐標(biāo)編程法比較原始，計算量大容易出錯，但在無規(guī)律的孔系加工中，這是唯一可選的方法；利用機床的用戶宏功能編寫的宏程序精簡、靈活、可適應(yīng)不同直徑圓周分布、不同孔數(shù)的加工，特別適合只是尺寸不同的系列零件生產(chǎn)；用子程序與坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)功能結(jié)合的編程方法表現(xiàn)出簡單清楚、高效實用的特點，對操作工人來說這是最容易讀懂的程序；利用機床系統(tǒng)的選轉(zhuǎn)功能與宏程序結(jié)合編程的方法，體現(xiàn)更強大的優(yōu)越性，不但程序短小精悍，而且計算非常簡單，程序靈活性、通用性都很強。

[1] 孫德茂. 數(shù)控機床銑削加工直接編程技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004.

[2] 陳華, 陳炳森. 零件數(shù)控銑削加工[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2010.

[3] 張兆隆. 數(shù)控加工工藝與編程[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2008.