利用宏指令實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的防誤功能

■西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 （陜西 710021） 馮永星

利用宏指令實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的防誤功能

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摘要：利用FANUC數(shù)控系統(tǒng)宏指令的各類功能，編制宏程序?qū)κ止ぽ斎氲母黝愅獠繑?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，使數(shù)控加工程序具有判斷及糾錯(cuò)功能，最大限度地減少人為因素造成的廢品損失。

數(shù)控機(jī)床作為高精度、高穩(wěn)定性設(shè)備，在加工中人為出錯(cuò)是其造成廢品的關(guān)鍵因素。尤其在多品種、小批量生產(chǎn)車間，頻繁地更換零件導(dǎo)致了大量的輔助準(zhǔn)備工作，人為出錯(cuò)造成廢品的概率更是大大提高。因此如何防范由于人為操作失誤或疏忽造成的損失就顯得格外重要。

本文將介紹一種基于FANUC 0i TC控制系統(tǒng)車床程序的編制方法。采用該方法編制出的數(shù)控程序可將各類外部輸入數(shù)據(jù)讀取至宏程序的各類變量中，并對(duì)其進(jìn)行分析與判斷，使數(shù)控程序具有防誤及報(bào)警功能，從源頭上最大限度地避免由于人為失誤而造成的損失。

1. 數(shù)控加工中常見(jiàn)的人為失誤

（1）輸入錯(cuò)誤。在操作中常見(jiàn)的輸入內(nèi)容包括：幾何形狀、磨耗值、刀具半徑及假想刀尖位置等。這些內(nèi)容是數(shù)控系統(tǒng)最關(guān)鍵的外部數(shù)據(jù)，控制器所有的運(yùn)算將基于這些數(shù)據(jù)，任何一項(xiàng)輸入不正確便會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤運(yùn)算，從而造成零件的超差甚至報(bào)廢。

（2）測(cè)量誤差。在加工零件時(shí)，當(dāng)更換新的刀片后必須重新對(duì)刀。當(dāng)采用試切法對(duì)刀時(shí)，工人必須測(cè)量試切后零件的實(shí)際尺寸以輸入機(jī)床寄存器，在此過(guò)程中若零件的實(shí)際尺寸測(cè)量不準(zhǔn)確，將極易造成零件超差或報(bào)廢。當(dāng)加工要求比較嚴(yán)格的尺寸（通常指公差小于0.05mm的尺寸）時(shí)，程序中一般都有半精加工測(cè)量點(diǎn)，工人會(huì)根據(jù)測(cè)量的實(shí)際值來(lái)調(diào)整精加工的余量。若此時(shí)測(cè)量的數(shù)值有誤，則將會(huì)直接導(dǎo)致零件報(bào)廢。

（3）疏忽大意。該類包括：刀具錯(cuò)誤的安裝、使用，實(shí)際使用的刀具或刀具信息與程序制定值不一致等。該類問(wèn)題往往是由于操作人員不熟練或粗心大意造成的。因其特殊性，某些問(wèn)題需要加強(qiáng)對(duì)工人的培訓(xùn)，而很大一部分則可以在程序中對(duì)其校對(duì)和預(yù)判。

2. 程序的思路及流程

（1）思路。①輸入錯(cuò)誤信息的防止。數(shù)控系統(tǒng)將所有的輸入信息存儲(chǔ)在寄存器中且可讀取，而程序員在編寫程序時(shí)會(huì)對(duì)其程序所使用的刀具等信息有一個(gè)預(yù)先的制定。因此，在編制程序時(shí)就可將這些制定值納入其中，在加工時(shí)通過(guò)宏程序讀取當(dāng)前實(shí)際信息并與預(yù)先的定制數(shù)據(jù)相對(duì)比，當(dāng)所有信息一致時(shí)方可運(yùn)行程序，否則通過(guò)宏程序給予報(bào)警和相應(yīng)的提示。②測(cè)量誤差的防止。該類誤差往往是在對(duì)刀的過(guò)程中產(chǎn)生的，因此可在首件零件調(diào)整加工合格后，將加工該零件的對(duì)刀參數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值（即根據(jù)零件的實(shí)際尺寸換算，具體方法見(jiàn)下文）作為程序的預(yù)設(shè)信息存儲(chǔ)在公共變量中，通過(guò)宏程序與更換刀片后重新對(duì)刀的信息相比較，當(dāng)其誤差值小于給定值時(shí)則繼續(xù)運(yùn)行程序，否則通過(guò)宏程序給予報(bào)警并提示。

程序預(yù)設(shè)值的換算方式：以圖1所示零件為例，現(xiàn)要加工圖中

f86.10-0.1mm的直徑與420-0.15mm的端面。假設(shè)首件的實(shí)際直徑為f86.08mm，總長(zhǎng)為41.98mm，此時(shí)該零件是合格的，但該零件的對(duì)刀參數(shù)不能作為預(yù)設(shè)值。因?yàn)樵搮?shù)時(shí)零件的尺寸接近極限，易造成超差，故需經(jīng)換算。假設(shè)加工該零件時(shí)寄存器中X、Z向刀補(bǔ)分別為-400.000與-600.000，在忽略磨耗值與坐標(biāo)系偏移時(shí)預(yù)設(shè)值應(yīng)為：- 4 0 0 . 0 3 0和-600.055。當(dāng)然，在實(shí)際加工首件時(shí)工人一般都需要在磨耗或工件移中進(jìn)行尺寸調(diào)整，若將這些因素考慮在內(nèi)則可按下列公式計(jì)算

公式中各參數(shù)的意義如下：X為X軸預(yù)設(shè)值；Z為Z軸預(yù)設(shè)值；X1為X軸對(duì)刀值（也稱作X軸幾何形狀補(bǔ)償值，一般為負(fù)數(shù)）；TX為X向磨耗值；Z1為Z軸對(duì)刀值（也稱作Z軸幾何形狀補(bǔ)償值，一般為負(fù)數(shù)）；TZ為Z向磨耗值；WX為X向工件偏移值；WZ為Z向工件偏移值；f1為理論直徑中值尺寸；f2為零件實(shí)際直徑；L1為理論長(zhǎng)度中值尺寸；L2為零件實(shí)際長(zhǎng)度。

當(dāng)程序使用的刀具數(shù)量較少時(shí)，可手工計(jì)算。否則可編制如下的宏程序由控制器進(jìn)行計(jì)算，并直接將運(yùn)算結(jié)果賦值給相應(yīng)的公共變量中，以供后文的防誤子程序使用。以圖1為例，在采用T01號(hào)刀、01號(hào)刀補(bǔ)時(shí)程序可為：

圖1　轉(zhuǎn)子空氣封嚴(yán)

使用該程序時(shí)只需根據(jù)實(shí)際尺寸對(duì)#1～#4、#10五個(gè)變量賦值，其余由宏程序自動(dòng)從控制器中讀取并運(yùn)算、賦值。該5個(gè)變量的意義依次為：X向測(cè)量值、Z向測(cè)量值、X向理論中值、Z向理論中值以及加工該尺寸所用刀具的刀補(bǔ)號(hào)。如前文所述的在不考慮磨耗與工件移時(shí)運(yùn)算結(jié)果為-400.030與-600.055并將該數(shù)據(jù)賦值給#501和#601。本例中所涉及的各類變量均在下文有介紹。

（2）流程。在加工出合格的首件前（試制或調(diào)試階段）程序的主要工作流程為：使用宏程序讀取系統(tǒng)參數(shù)，與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較分析，僅當(dāng)滿足所有條件方運(yùn)行，否則停止運(yùn)行并給予提示性報(bào)警。

首件合格后（批產(chǎn)階段）程序的主要任務(wù)為誤差分析與警報(bào)，并依次按照：對(duì)刀→誤差分析→正常加工→對(duì)刀的順序重復(fù)循環(huán)。詳細(xì)的流程圖如圖2所示。

3. 宏程序相關(guān)變量的介紹

（1）變量的分類及功能。變量根據(jù)變量號(hào)可分成空變量、局部變量、公共變量與系統(tǒng)變量4種類型，因這4類變量在本文中均有用到,特加以簡(jiǎn)單說(shuō)明，具體如表1所示。

圖2　工作流程圖

表1　變量的分類

（2）刀具補(bǔ)償存儲(chǔ)區(qū)的系統(tǒng)變量。該組變量用于存儲(chǔ)對(duì)刀信息以及補(bǔ)償信息，本文宏程序所調(diào)用的參數(shù)主要來(lái)自該系統(tǒng)變量。如表2中所示，控制系統(tǒng)X、Y、Z3個(gè)坐標(biāo)軸的補(bǔ)償值以及刀尖圓弧半徑、假想刀尖位置（即下文所說(shuō)的刀具類型）均在系統(tǒng)變量#2001～#2499中存儲(chǔ)。以當(dāng)前刀補(bǔ)為1號(hào)刀舉例：X軸的對(duì)刀值存儲(chǔ)于#2701參數(shù)，磨損值存儲(chǔ)于#2001參數(shù)；Z軸的對(duì)刀值存儲(chǔ)于#2801參數(shù)，磨損值存儲(chǔ)于#2101參數(shù)；刀尖半徑的對(duì)刀值存儲(chǔ)于#2901參數(shù)，磨損值存儲(chǔ)于#2201參數(shù)；刀具類型存儲(chǔ)于#2301參數(shù)。其他刀位的信息可按表2類推，表中的Y軸補(bǔ)償值因在大部分車床中未使用，故不做敘述。

表2　刀具補(bǔ)償存儲(chǔ)區(qū)的系統(tǒng)變量

（3）宏程序報(bào)警的系統(tǒng)變量（#3000）。當(dāng)變量#3000被賦予的值為0～200時(shí)，CNC停止運(yùn)行且報(bào)警，顯示不超過(guò)26個(gè)字符的報(bào)警信息。CNC屏幕上顯示報(bào)警號(hào)和報(bào)警信息，其中報(bào)警號(hào)為變量#3000的值加上3000。

例如：#3000=1（TOOL NOT FOUND）

報(bào)警屏幕上顯示“3 0 0 1 TOOL NOT FOUND”(刀具未找到) 。

（4）工件坐標(biāo)系偏移。工件坐標(biāo)系偏移量可以被讀取，其數(shù)值也可以通過(guò)輸入一個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)改變，具體參數(shù)如表3所示。

表3　工件坐標(biāo)系偏移

表4　預(yù)設(shè)信息

4. 實(shí)例

本文以FANUC車床各類對(duì)刀數(shù)據(jù)（X向刀補(bǔ)、Z向刀補(bǔ)、圓弧半徑、刀具類型）為例，說(shuō)明宏程序在車床上如何實(shí)現(xiàn)判斷、糾錯(cuò)以達(dá)到防誤的目的。以加工圖1所示的零件為例，所使用的刀具信息如表4所列。

X、Z方向的最大誤差取決于所加工尺寸的公差帶以及機(jī)夾刀片的重復(fù)定位精度，也可予以適當(dāng)?shù)膲嚎s以獲得更良好的尺寸穩(wěn)定性。當(dāng)有多把刀具時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要，加工不同位置的刀具可根據(jù)當(dāng)前情況來(lái)分別確定最大允許誤差值。

（1）主程序。上述所列各類預(yù)設(shè)值需要在主程序中被正確賦值，然后方可調(diào)用防誤子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的判斷。主程序具體內(nèi)容及解釋如下：

%

N15～N30行為賦值階段，也就是將各類外部預(yù)設(shè)信息及刀具信息賦予局部變量。

N35行為防誤階段，在該階段主程序?qū)⒄{(diào)用O6001號(hào)子程序?qū)Ω黝悢?shù)據(jù)進(jìn)行分析與判斷，以達(dá)到防誤目的。O6001號(hào)子程序?qū)⒃谙挛脑敿?xì)介紹。

N40～N45行為正常加工階段，各類信息完全符合要求時(shí)方能進(jìn)行到該階段。

（2）子程序。本文中的各類防誤判斷與報(bào)警信息均是由如下的O6001號(hào)子程序來(lái)完成，該子程序可作為獨(dú)立的內(nèi)容在任何刀位的程序段中被調(diào)用。當(dāng)然必須在主程序中對(duì)#11～#14參數(shù)正確賦值，下面將對(duì)該子程序進(jìn)行詳細(xì)的解釋：

N100行為讀取當(dāng)前刀位刀具所調(diào)用的實(shí)際刀補(bǔ)號(hào)。N105～N140行為整個(gè)子程序的賦值與運(yùn)算階段，在該階段宏程序從系統(tǒng)參數(shù)中讀取各類實(shí)際信息。以表4所列舉的各類信息為例，當(dāng)當(dāng)前刀具所調(diào)用的刀補(bǔ)號(hào)為1時(shí)，#1 ～#4所讀取的信息分別為：X軸實(shí)際對(duì)刀值、Z軸實(shí)際對(duì)刀值、X軸預(yù)設(shè)值以及Z軸預(yù)設(shè)值；#101 與#102分別為X與Z軸對(duì)刀誤差；#701與#801則為當(dāng)前實(shí)際刀尖半徑和刀具類型。

N145～N170行為子程序的判斷與跳轉(zhuǎn)階段，在該階段宏程序?qū)?duì)各類信息與預(yù)設(shè)值進(jìn)行判斷，以決定繼續(xù)運(yùn)行程序還是停止并報(bào)警提示。若該階段各類信息經(jīng)判斷無(wú)誤則返回主程序的加工階段，否則根據(jù)相應(yīng)的問(wèn)題跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的報(bào)警。

N3001～N3006行為報(bào)警信息輸出階段，宏程序根據(jù)之前的分析與跳轉(zhuǎn)結(jié)果給予提示性的警報(bào)，以方便操作者或技術(shù)人員查找出錯(cuò)的原因。譬如當(dāng)實(shí)際圓弧半徑與預(yù)設(shè)的值不一致時(shí)（即：#701不等于#13）則輸出如圖3所示的報(bào)警，同時(shí)機(jī)床停止運(yùn)行。當(dāng)工人遇到該報(bào)警時(shí)就應(yīng)該仔細(xì)檢查自己所使用的刀片是否與程序要求的一致，或者檢查刀具圓弧半徑是否正確地輸入到寄存器中。

又如當(dāng)程序運(yùn)行后出現(xiàn)圖4所示的報(bào)警信息，工人就應(yīng)立即檢查該刀具X軸對(duì)刀值輸入是否正確、刀片的安裝是否正確、刀片的定位是否可靠，然后重新對(duì)X軸進(jìn)行對(duì)刀，直至該報(bào)警消失即達(dá)到預(yù)設(shè)的精度。至此，子程序的防誤階段便告結(jié)束。

圖3　刀具報(bào)警信息

5. 結(jié)語(yǔ)

以上是筆者提出的結(jié)合宏指令編制具有防誤功能數(shù)控程序的方法。采用這種方法基本上可以杜絕由于人為因素導(dǎo)致的廢品，提高產(chǎn)品的合格率。而且工人或技術(shù)人員根據(jù)報(bào)警的提示可方便快捷地找出問(wèn)題所在，快速地具有針對(duì)性地將問(wèn)題解決。

在實(shí)際使用中，我們還可加入如磨耗值等更多數(shù)據(jù)的防誤。在具有對(duì)刀臂的機(jī)床上與自動(dòng)對(duì)刀相結(jié)合更是可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需人工輸入的全自動(dòng)操作，將大大提高加工過(guò)程的自動(dòng)化。

本文例子中的程序均在臺(tái)灣FTC-50車床上運(yùn)行通過(guò)，已達(dá)到期望的功能。

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收稿日期：（20140913）