FANUC 32i圓錐插補(bǔ)功能的擴(kuò)展與應(yīng)用

■ 德州聯(lián)合石油機(jī)械有限公司 （山東 253034）

侯祖剛 魏開龍 王澤濤

在FANUC 32i數(shù)控系統(tǒng)中，G02/G03指令被賦予更多的功能，除了常規(guī)的圓弧插補(bǔ)和螺旋線插補(bǔ)外，通過指定旋轉(zhuǎn)次數(shù)或者每轉(zhuǎn)的半徑增量值，即可進(jìn)行平面螺線插補(bǔ)，在此螺線插補(bǔ)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)垂直于圓弧平面的直線軸運(yùn)動(dòng)，即可進(jìn)行圓錐插補(bǔ)。圓錐插補(bǔ)的刀具路徑，幾乎適用于所用旋轉(zhuǎn)曲面的精銑加工，整條路徑由一組規(guī)律變化的錐螺旋線組成，路徑中沒有進(jìn)給速度和進(jìn)給方向的突然轉(zhuǎn)變，從下刀到抬刀一氣呵成，刀路行距均勻，簡潔流暢，具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

FA N U C數(shù)控系統(tǒng)早期的0i版本，注重于系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性，一般只配置標(biāo)準(zhǔn)的插補(bǔ)功能，將一些特殊的曲線編程寄托于用戶宏程序的使用與開發(fā)。掌握宏程序需要較高的數(shù)學(xué)知識(shí)和邏輯思維能力，令很多編程員望而怯步，無奈之余，只能借助于自動(dòng)編程軟件。FANUC 32i站在普通用戶的角度，增加了很多實(shí)用功能，其中的圓錐插補(bǔ)可以說是一次跨時(shí)代的進(jìn)步，使一些相對(duì)復(fù)雜的曲線路徑在手工編程中成為現(xiàn)實(shí)。以錐螺紋和球窩曲面為例，談?wù)剤A錐插補(bǔ)的擴(kuò)展與運(yùn)用，希望對(duì)大家有所幫助。

1. 錐螺紋

錐螺紋銑削一直是數(shù)控編程的難點(diǎn)。與直螺紋的區(qū)別在于：螺旋線沿導(dǎo)程方向延伸的同時(shí)，半徑因錐角作用逐漸放大或縮小。受此影響，每一圈螺旋線的起點(diǎn)和終點(diǎn)都不在同一圓柱面上，很難用標(biāo)準(zhǔn)的螺旋線插補(bǔ)編程。即使一些主流的編程軟件也沒有什么捷徑，普遍采用等分直線段擬合螺旋線的方法，理論上勉強(qiáng)可以接受。

實(shí)際加工中存在一定的輪廓誤差，在線段的連接處，刀具出現(xiàn)短暫的停滯，反映在螺紋牙型表面上，是一圈斷斷續(xù)續(xù)的接刀痕跡，低配置的數(shù)控機(jī)床尤為明顯。數(shù)控高手各顯其能，靈活運(yùn)用宏程序推出了很多錐螺紋編程方法，不足之處是必須更改相關(guān)的參數(shù)，受系統(tǒng)版本和機(jī)床性能的限制，存在很大的風(fēng)險(xiǎn)和差異。FANUC32i系統(tǒng)的圓錐插補(bǔ)功能徹底解決了這一難題，螺紋部分一個(gè)程序段就可以搞定，數(shù)控機(jī)床像執(zhí)行普通螺旋線指令一樣，輕松自如地完成錐螺紋銑削，既省去了軟件編程的長篇大作，又避免了宏程序的復(fù)雜運(yùn)算，有效擴(kuò)展了手工編程的范圍。

編程格式：G17 G02/G03 X_ Y_ Z_ I_ J_ K_ Q_ L_ F_

X_ Y_ Z_是指錐螺紋終點(diǎn)的坐標(biāo)值；I_ J_ 從螺旋起點(diǎn)到中心的矢量值，與圓弧插補(bǔ)相同；K_ 螺旋線旋轉(zhuǎn)一周的高度增減值；Q_ 螺旋線旋轉(zhuǎn)一周的半徑增減值；L_ 重復(fù)次數(shù)（不帶小數(shù)點(diǎn)的正值）；F_ 進(jìn)給速度；當(dāng)I/J/K與Q、L發(fā)生定義沖突時(shí)，可視情況省略其中的兩項(xiàng)。

以圖1特制油管扣為例，設(shè)工件上表面與錐孔中心線為G54加工坐標(biāo)系原點(diǎn)。選用φ 30mm單齒螺紋銑刀，主軸正轉(zhuǎn)，自下而上順銑加工，程序中的螺紋終點(diǎn)坐標(biāo)值，按螺距和錐度的整數(shù)倍進(jìn)行圓整處理，省略Q半徑增減值，由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算，程序如下：

T02 M06；

M03 S1000；

G17 G54 G90 G40 G49 G0 X0 Y0；

G0 G43 Z-60 H02； (下刀至螺紋起始深度)

G41 X28.5 Y-5 D02；（啟動(dòng)刀具半徑補(bǔ)償）

G03 X33.5 Y0 R5 F300；（圓弧切入至螺紋徑向尺寸）

G03 X35.47 Y0 Z3.5 I-33.5 J0 K2.54 L25 F300；（圓錐插補(bǔ)銑削螺紋）

G0 G40 X0 Y0；（在安全高度直接退刀）

G91 G28 Z0；

M5 M30；

銑削螺紋錐孔，與銑削錐螺紋沒有太大的區(qū)別，同樣適用于圓錐插補(bǔ)，只不過螺旋線的行距更密一些，此時(shí)只需將螺紋銑刀更換為鏜刀或者立銑刀，重新設(shè)置圓錐插補(bǔ)的兩個(gè)參數(shù)即可，注意螺旋線的開始方向改為自上而下順銑，因?yàn)槁菁y孔的銑削方式與螺紋的旋向無關(guān)。順銑的效果要好一些，自上而下加工便于觀察和測(cè)量，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和機(jī)床驗(yàn)證，螺旋線行距K=0.2mm,即可以得到很好的錐孔精度。為了便于裝配和操作安全，螺紋錐孔一般都要求45°倒角，我們可以參照錐孔格式，再增加一段45°圓錐插補(bǔ)，修改Q=K，即可完成孔口倒角（見圖2）。本例中選用φ 30mm立銑刀，自上而下順銑加工錐孔，程序如下：

T01 M06；

M03 S1000；

G17 G54 G90 G40 G49 G0 X0 Y0；

G0 G43 Z4.0 H01；

G01 G41 X34.0 Y-5 D01；（啟動(dòng)刀具半徑補(bǔ)償）

G03 X32.0 Y0 Z-60 I-34.0 J0 K0.2 F500；（圓錐插補(bǔ)銑削螺紋錐孔,省略Q、L值，由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算）

G03 X27.0 Y-5 R5 F500；（圓弧切出方式退刀）

G0 G40 X0 Y0；（取消半徑補(bǔ)償）

G0 Z1.0； （退刀至安全高度）

G01 G41 X38.2 Y0 F300；（進(jìn)給至孔口倒角尺寸）

G03 X35.2 Y0 Z-2 I-38.2 J0 Q0.2 K0.2 F500；（圓錐插補(bǔ)銑削45°倒角）

G0 G40 X0 Y0；（取消半徑補(bǔ)償）

G91 G28 Z0；

M5 M30；

圖1 特制油管扣錐螺紋

圖2 錐螺紋銑削路徑

經(jīng)螺紋測(cè)量儀和標(biāo)準(zhǔn)扣規(guī)雙重檢驗(yàn)，銑削后的錐螺紋表面精度和各項(xiàng)尺寸均符合圖樣要求，圓錐插補(bǔ)不僅降低了編程難度，加工效率也在原來的基礎(chǔ)上提高了一倍。

2. 球窩曲面

球窩又稱凹形半球面（見圖3），主要應(yīng)用于鋼球定位和萬向軸連接，工廠多采用數(shù)控銑削的方法，用小直徑的球頭銑刀，通過編程路徑去銑削較大直徑的球窩。選擇什么樣的切削方式才能達(dá)到光潔圓滑、沒有瑕疵的球面效果，是編程思路的關(guān)鍵。MasterCAM編程軟件中，適用于球窩銑削的最佳路徑是流線刀路中的螺旋線切削方式，這是真正意義上的3D等步距加工。可惜的是：軟件采用等分三維線段擬合螺旋線的方法，加工中存在一些弊端。認(rèn)真研究FANUC 32i系統(tǒng)的圓錐插補(bǔ)功能，與其有著驚人的相似之處，擴(kuò)展思路，能否靈活應(yīng)用于球窩曲面的精加工？答案是肯定的。

前面的錐螺紋銑削案例中，圓錐插補(bǔ)中的行距保持不變，半徑也自始至終按固定值增減變化。球窩不同于錐孔，依靠固定的編程格式很難做到，編程的關(guān)鍵是解決相鄰兩圈錐螺旋線半徑和深度不斷變化的問題。我們可以將宏程序變量融入圓錐插補(bǔ)，根據(jù)球窩曲面的特征，以XOZ平面的切削點(diǎn)起始角度為單位，將流線刀路等分為90圈首尾相連的錐螺旋線，以變量控制圓錐插補(bǔ)中的行距和半徑變化值，即可以達(dá)到快捷編程的目的（見圖4）。

圖3 球窩曲面

圖4 球窩編程示意圖

以圖3S R15m m球窩為例，選用φ 12mm球頭銑刀，以球心為刀位點(diǎn)直接按刀具運(yùn)動(dòng)軌跡編程，設(shè)定工件球窩中心為G54坐標(biāo)系零點(diǎn)，按XOZ平面內(nèi)切削點(diǎn)起始角度為自變量，由上至下精銑加工，程序如下：

#1=0 （切削點(diǎn)起始角度值）

#2=1 （角度步進(jìn)值）

#3=15 (球窩半徑)

#7=6 (球頭銑刀半徑)

T01 M06；

M03 S2000；

G17 G54 G90 G40 G49 G0 X0 Y0；

G0 G43 Z0 H01；（起始高度）

G01 X[#3-#7-3] Y-3 F300；

G03 X[#3-#7] Y0 R3 F300； (圓弧切入進(jìn)刀)

N10 #24=[#3-#7]×COS#1；（螺旋線起點(diǎn)X坐標(biāo)值計(jì)算）

#14=[#3-#7]×COS[#1+#2]；（螺旋線終點(diǎn)X坐標(biāo)值計(jì)算）

#26=[#3-#7]×SIN[#1+#2]；（螺旋線終點(diǎn)Z坐標(biāo)值計(jì)算）

G03 X#14 Y0 Z-#26 I-#24 J0 L1 F300；

（圓錐插補(bǔ)銑削一圈，省略K、Q值，由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算）

#1=#1+#2； （角度變量遞增）

IF [#1 LE 90] GOTO 10；（終止條件比較）

G91 G28 Z0；

M5 M30；

通過刀具運(yùn)行軌跡（見圖5）可以看出，圓錐插補(bǔ)沿著球窩圓周方向生成流線切削刀路，可以精確控制曲面的殘脊高度和整體誤差。球頭銑刀以球窩最大半徑方向?yàn)槠鹗键c(diǎn)，沿錐螺旋線切削至球窩底部。沒有刀具停頓和切削方向的轉(zhuǎn)變，沒有進(jìn)刀、退刀留下的痕跡，銑削過程中，球頭銑刀的切削刃始終與球窩加工曲面保持切點(diǎn)接觸，背吃刀量一致，進(jìn)給速度均勻，就像削蘋果一樣，達(dá)到很好的加工效果。編程的巧妙之處在于圓錐插補(bǔ)與宏程序變量的完美結(jié)合，在圓錐插補(bǔ)的格式中設(shè)置變量，對(duì)變量賦值并設(shè)定相互之間的數(shù)學(xué)方程式與邏輯關(guān)系，一圈錐螺旋線恰好是一個(gè)加工循環(huán)，系統(tǒng)有足夠的時(shí)間進(jìn)行處理和運(yùn)算，程序執(zhí)行過程更加流暢。經(jīng)批量加工和追蹤檢驗(yàn)，球窩輪廓精度和表面粗糙度值全部符合技術(shù)要求，創(chuàng)造出很高的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 球窩精加工刀具軌跡

3. 注意事項(xiàng)

圓錐插補(bǔ)過程中，基于系統(tǒng)設(shè)置的加減速功能有效，越靠近螺旋中心，進(jìn)給速度越慢，當(dāng)螺旋線旋轉(zhuǎn)一周的半徑增減值較大時(shí)，編程時(shí)盡量不使用刀具半徑補(bǔ)償，而是直接對(duì)刀位點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡編程，這樣可以避免不必要的錯(cuò)誤和報(bào)警。當(dāng)程序指定的螺旋線終點(diǎn)位置與系統(tǒng)根據(jù)（I/J/K/Q/L）自動(dòng)計(jì)算出的實(shí)際位置存在偏差，并超過參數(shù)（NO.3471）設(shè)定的范圍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)（PS5123）報(bào)警，程序停止運(yùn)行。解決方法：①對(duì)圓錐插補(bǔ)中的各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行圓整處理，有關(guān)聯(lián)的設(shè)置盡量保持整倍函數(shù)關(guān)系。如果指定的圓心矢量 I/J/K與半徑增量值Q及重復(fù)次數(shù)L存在不可調(diào)和的矛盾時(shí)，可以省略其中的兩個(gè)，由系統(tǒng)自行計(jì)算。②在參數(shù)（NO.3471）中設(shè)定較大的允許偏差值。即使程序中存在一定的計(jì)算誤差，也不影響正常運(yùn)行。

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