FANUC系統(tǒng)數(shù)控車削G71指令編程研究

魏國豐

(黑龍江工程學(xué)院 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

FANUC系統(tǒng)數(shù)控車削G71指令編程研究

魏國豐

(黑龍江工程學(xué)院 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

軸類零件在進行數(shù)控粗車時需把每一刀的路徑軌跡都計算出來，用來描述這些軌跡。這將導(dǎo)致計算量太大，且容易出錯。如果采用復(fù)合固定循環(huán)指令G71可以按照圖紙尺寸計算基點，簡化編程，提高生產(chǎn)效率。為了更好地掌握該指令的使用方法，基于實例分析，詳細(xì)研究G71I類和II類指令的使用特點、編程禁忌和技巧等。結(jié)果表明：只有掌握G71I類和II類指令編程的不同要求，才能編制合格程序，達(dá)到高效加工的目的。

FANUC系統(tǒng)；數(shù)控車削；復(fù)合循環(huán)；G71；凹凸形狀變化

FANUC系統(tǒng)數(shù)控車削中固定循環(huán)指令是一種簡化編程的指令，類似于宏指令。一般分為簡單固定循環(huán)(單一固定循環(huán))和復(fù)合固定循環(huán)(多重循環(huán))指令兩類。簡單固定循環(huán)編程指令雖然比基本指令能簡化程序結(jié)構(gòu)，但其加工面的形狀受到一定限制，只能加工單一幾何特征的圓柱面與圓錐面。而復(fù)合固定循環(huán)對于形狀更復(fù)雜的表面，如包含多段圓柱與圓錐以及圓弧面等，只需給出精加工零件的形狀數(shù)據(jù)，便可自動完成要求的粗加工的多次走刀運動，比調(diào)用子程序具有更高的切削效率，可方便程序的編制[1-3]。

FANUC系統(tǒng)數(shù)控車削中主要的復(fù)合固定循環(huán)指令有G70～G76等。其中,G71指令被稱為內(nèi)外圓粗車復(fù)合循環(huán)指令，適合于毛坯為圓柱體(棒料)、長徑比較大的軸類零件的外徑和內(nèi)徑加工[4-6]。

1 G71指令分析

G71指令循環(huán)簡圖如圖1所示。該指令有兩種類型：I類循環(huán)指令和II類循環(huán)指令。I類循環(huán)指令格式如下：

G71U(Δd)R(e);

G71P(ns)Q(nf)U(Δu)W(Δw)F(f)S(s)T(t);

順序號ns到nf的程序段用于精車加工形狀的程序段。這段指令一般緊接著G71指令編寫，描述零件表面的輪廓形狀。

圖1 G71指令的動作循環(huán)

其中，Δd是背吃刀量(半徑值指定)，不帶符號數(shù)值，為模態(tài)值，可由程序指定，也可由系統(tǒng)參數(shù)No.5132設(shè)定，移動方向為A→A′；e是退刀量，為模態(tài)值，可由程序指定，也可由系統(tǒng)參數(shù)No.5133設(shè)定；ns是精車加工程序第一個程序段的順序號，即A→A′程序段；nf是精車加工程序最后一個程序段的順序號，即點B為終點的程序段；Δu是X軸方向精加工余量(雙面余量，直徑值)的距離和方向；Δw是Z軸方向精加工余量的距離和方向；f,s,t是G71指令中的F,S,T功能，僅在粗車過程中有效，而包含在ns到nf程序段中的任何F,S,T功能只能在后續(xù)的G70精車過程中有效。

I類循環(huán)在輪廓切削過程中不允許改變加工方向，對于外表面加工，X軸方向單調(diào)增加，即徑向不能有凹面。對于內(nèi)表面加工，X軸方向單調(diào)減小。沿Z軸的外形輪廓則必須單調(diào)遞增或遞減。

順序號ns程序段(A→A′)必須用G00或G01指令指定，否則報警。該程序不允許有Z軸移動，不能出現(xiàn)Z軸尺寸字Z。如果需要，必須另起一個程序段指定。A→A′段一般不切削，故用G00可提高加工效率。

順序號ns至nf之間的程序段由基本編程指令編寫，不能調(diào)用子程序，也不能出現(xiàn)下列指令：

1)除G04之外的非模態(tài)(非續(xù)效)G代碼。

2)除G00、G01、G02和G03之外的其他01組G代碼。

3)06組(G20/G21)G代碼。

當(dāng)執(zhí)行G71時，用地址P和Q指定的順序號，在這個程序中不能重復(fù)出現(xiàn)。用Q指定的精加工形狀程序段的最后一個移動指令，不能是倒角和過渡圓。在P和Q順序號之間的程序段中，不能用圖樣尺寸直接編程功能。

用恒線速度切削控制時，在ns至nf程序段中指定的G96或G97無效，而是由G71指令之前的程序段指定的G96或G97有效。

點A為循環(huán)起點，是調(diào)用切削循環(huán)前刀具的最后X，Z坐標(biāo)位置，由G71程序段之前的程序段指定。通常設(shè)置在最接近粗加工開始的工件拐角，這個點的位置必須選擇恰當(dāng)，因為它控制所有趨近工件的安全間隙以及首次粗加工的實際切削深度。要保證首次循環(huán)能夠切到工件，不走空刀，刀具循環(huán)起點A位置需符合下列條件[7-9]：

Φf<Φa<Φf-2×Δd-Δu.

式中：Φf為工件直徑；Φa為點A的X方向坐標(biāo)值；Δd為背吃刀量(半徑值)；Δu為X軸方向精加工余量。

當(dāng)Φa在上述范圍時，可保證首次切削能夠切削工件。

點A′和點B分別是加工輪廓的起點和終點。點C坐標(biāo)程序中不指定，由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)點A′和點B坐標(biāo)值、Δu、Δw和Δd等自動計算并確定其坐標(biāo)值。

精加工余量的符號與刀具軌跡的移動方向有關(guān)，即沿著刀具移動軌跡移動時，如果X方向坐標(biāo)值單調(diào)增加，U為正，反之為負(fù)；Z坐標(biāo)值單調(diào)減小，則W為正，反之為負(fù)。如圖2所示，如果假設(shè)點A′坐標(biāo)值為XA′,ZA′，點B坐標(biāo)值為XB,ZB。則XB>XA′→U>0；ZB0；XBZA′→W<0。

圖2 G71指令U和W的正負(fù)方向

如果從循環(huán)起點A到加工輪廓點A′的X軸方向為負(fù)，則說明控制系統(tǒng)將該循環(huán)作為外部切削處理；如果從循環(huán)起點點A到加工輪廓點A′的X軸方向為正，則說明控制系統(tǒng)將該循環(huán)作為內(nèi)部切削處理。

在循環(huán)開始時，刀具首先由點A退到點C，移動Δu/2和Δw的距離。刀具從點C平行于AA′移動Δd，開始第一刀的切削循環(huán)。第一刀加工到程序段終點時以與Z軸夾角45°的方向退出，并以離開切削表面e的距離快速返回到Z軸的出發(fā)點，再以背吃刀量Δd進行第2刀切削。刀具按層切法將余量去除，此時工件斜面和圓弧部分形成臺階狀表面。當(dāng)達(dá)到精車余量時，沿精加工余量輪廓加工一刀，使精車余量均勻。最后快速返回到點A，完成一個粗車循環(huán)[10-14]。

該指令不能在MDI(手動數(shù)據(jù)輸入)方式中使用，如果使用了則報警。

當(dāng)正在執(zhí)行G71指令時，可以停止循環(huán)而進行手動操作。但是，如要重新起動循環(huán)時，刀具必須返回到循環(huán)停止時的位置。如果沒有返回到停止時的位置而重新起動循環(huán)，手動操作時的移動量將附加在絕對值指令上，后面的軌跡將被移動一個手動操作的移動量。

II類循環(huán)指令其指令格式同I型，但存在以下方面的不同：

1)順序號ns程序段不必垂直進刀，可以采用沿Z軸單調(diào)變化的形狀指令。當(dāng)精車加工程序中第一個程序段沒有Z軸運動時，必須指定W0，即必須指定兩個軸的運動。否則，刀尖將切入到零件側(cè)面。

2)車削后沿輪廓退刀。

3)該指令適用于FANUC系統(tǒng)(如新的0i/0i MATE系統(tǒng))中有加工內(nèi)凹結(jié)構(gòu)功能的數(shù)控車床。

II類循環(huán)運行從點P到點Q之間逐漸增大或減小輪廓，沿X軸的外形輪廓不必單調(diào)遞增或單調(diào)遞減，并且最多可以有10個凹面，如圖3所示。但沿Z軸的外形輪廓必須單調(diào)遞增或遞減。例如圖4所示的輪廓無法進行加工。

圖3 G71II類指令沿X軸的外形輪廓變化

圖4 G71II類指令沿Z軸方向無單調(diào)變化的曲面

2 輪廓無內(nèi)凹結(jié)構(gòu)軸類零件編程方案

一般輪廓無內(nèi)凹結(jié)構(gòu)軸類零件可以采用I類循環(huán)指令編程，如圖5所示，要進行外圓粗車的軸，粗車背吃刀量為3 mm，退刀量為1 mm，精車余量X軸方向為0.5 mm，Z軸方向為0.3 mm，粗車進給率0.5 mm/r，表面恒線速度為200 m/min。

圖5 G71外圓粗車循環(huán)實例

從圖5可知，該加工屬于外徑加工，X軸方向嚴(yán)格單調(diào)遞增，Z軸方向嚴(yán)格單調(diào)遞減，無內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，因此，U>0,W>0。該循環(huán)的循環(huán)起點為點O，因為40<Φa<40+2×3-0.5，即40<Φa<45.5。可取坐標(biāo)值為X41，Z0。該零件外形輪廓的各個基點坐標(biāo)分別為A(0,0)，B(11，-5.5)，C(11,-15.5)，D(17，-25.5)，E(17，-40.5)，F(xiàn)(32，-48)，G(32,-60.5)，H(40，-60.5)。采用絕對值編程，調(diào)用1號刀具和1號刀補加工，該加工參考程序為：

O0001;程序號N10T0101;調(diào)用1號刀具和1號刀補N20G50S2000;限定主軸最高轉(zhuǎn)速2000r/minN30G96M03S200;恒線速度200m/min,主軸正轉(zhuǎn)N40G00X41Z0;快速定位到循環(huán)起點ON50G71U3.0R1.0;定義外徑粗車循環(huán),背吃刀量3.0mm,退刀量1.0mmN60G71P70Q140U0.5W0.3F0.5;精車余量X軸方向0.5mm,Z軸方向0.3mm,粗車進給率0.5mm/rN70G01X0;精加工程序第一個程序段號,加工輪廓起點A

N80G03X11Z-5.5R5.5;逆圓弧加工到點BN90G01Z-15.5;圓柱面加工到點CN100X17Z-25.5;圓錐面加工到點DN110Z-40.5;圓柱面加工到點EN120G02X32Z-48R7.5;順圓弧加工到點FN130G01Z-60.5;圓柱面加工到點GN140X40;端面加工到點H,精加工程序最后一個程序段號,加工輪廓的終點N150G28U0W0T0100;返回參考點,取消1號刀補N160M05;主軸停止N170M30;程序停止,并返回到程序起點

3 輪廓有內(nèi)凹結(jié)構(gòu)軸類零件編程方案

有內(nèi)凹結(jié)構(gòu)軸類零件即形狀凹凸變化零件(沿X軸的外形輪廓非單調(diào)遞增或單調(diào)遞減)如圖6所示，如果不采用G71指令可采用如下方法進行編程[15]：

1)用G73指令來完成零件加工。G73循環(huán)加工指令可以實現(xiàn)此類零件的加工，但是該指令加工過程中每一次循環(huán)切削的路徑軌跡都是相同的，只適合于毛坯形狀與最終要切削的形狀相似的情況，一般用在鑄、鍛后毛坯形狀與零件最終形狀相近時適合采用這個指令。若毛坯采用棒料，用G73指令加工會造成空刀太多，浪費將近一半的切削時間，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。

2)不用循環(huán)指令來完成零件加工。若不用循環(huán)指令來完成零件加工，則需把每一層每一刀的路徑軌跡都計算出來，用來描述這些軌跡。這將導(dǎo)致計算量太大，且容易出錯。

如果采用G71I類指令加工如圖6所示工件時，由于I類指令要求X，Z軸都必須單調(diào)變化，所以直接采用該指令是無法加工出所需輪廓。在實際加工中，需采用一定的技巧將要加工的零件按輪廓形狀分段編程，間接完成所需輪廓的加工。

圖6 形狀凹凸變化的軸類零件

把要粗加工的工件輪廓分幾段進行加工，分段的原則是使構(gòu)成每一段的軌跡都符合G71I類指令的使用規(guī)則，即X，Z都單調(diào)增大或減小，每一段內(nèi)的軌跡不能出現(xiàn)X或Z增大又減小(或減小又增大)的情況。為了達(dá)到這個要求，要找出輪廓軌跡上X，Z增大和減小的轉(zhuǎn)折點作為分段點。對于有轉(zhuǎn)折變化的連續(xù)圖素，往往要在轉(zhuǎn)折點將圖形打斷來實現(xiàn)分段。例如對于圖6中軸的AD段加工，B，C點是圓弧轉(zhuǎn)折點，需將AD段作以下分段處理：

AB段：X為單調(diào)增大，Z為單調(diào)減??；

BC段：X為單調(diào)減小，Z為單調(diào)減小；

CD段：X為單調(diào)增大，Z為單調(diào)減小。

用G71I類指令編制分段輪廓的粗車固定循環(huán)加工程序時，應(yīng)先將刀具用指令(一般采用G00)移動到每一段連續(xù)形狀的循環(huán)加工起點，然后調(diào)用G71循環(huán)完成相應(yīng)程序段。在每一段G71所調(diào)用的程序段后緊接著編寫下一段的G71指令及其所調(diào)用的程序段。需要注意的是不能連續(xù)寫完G71后再編寫G71所調(diào)用的程序段，因為G71指令執(zhí)行完后，并不回到G71指令所在的程序段，而是直接從G71所調(diào)用的程序段的最后一段程序段位置順序執(zhí)行。

如果數(shù)控系統(tǒng)具有G71II類指令功能，編寫圖6零件輪廓就顯得相當(dāng)方便。由于整個輪廓Z軸是單調(diào)減小，X軸既有單調(diào)遞增也有單調(diào)遞減，且凹面數(shù)目小于10個(本題只有1個)，符合G71II類指令使用條件，可以使用G71II類指令直接完成編程。在編程時只是要注意在精車加工程序第一個程序段必須指定兩個軸的運動，即同時指定X軸和Z軸的移動值。

4 結(jié)束語

FANUC系統(tǒng)數(shù)控車削的內(nèi)外圓粗車復(fù)合固定循環(huán)G71指令通過定義零件的加工刀具軌跡來進行零件的粗車，在程序中只需設(shè)置好背吃刀量、精車余量、進給量等參數(shù)，則數(shù)控系統(tǒng)自動計算出刀具路徑，自動對零件進行多次加工，因此，只有理解它的功用、特點和使用方法，尤其是G71的I類和II類指令在編寫輪廓具有凹凸形狀變化的軸類零件程序的不同之處，并正確地加以合理應(yīng)用，才能大大地簡化編程，提高加工效率。

[1] 陳為國，陳昊.數(shù)控加工編程技巧與禁忌[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014：61-65.

[2] 孫德茂.數(shù)控機床車削加工直接編程技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005：78-80.

[3] 周太平.經(jīng)濟型數(shù)控車床的復(fù)合循環(huán)粗精車削[J].現(xiàn)代制造工程，2004(1)：26-27.

[4] 馮大鵬.數(shù)控車床G71復(fù)合循環(huán)使用中常見錯誤分析[J].現(xiàn)代機械，2005(5)：76-77.

[5] 李偉，魏國豐.數(shù)控技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2014：93-95.

[6] 何永華.FANUC系統(tǒng)中車削循環(huán)指令比較與應(yīng)用研究[J].機械制造與自動化，2009(2):36-38.

[7] 羅輝.數(shù)控車削中刀具循環(huán)起點問題初探[J].機械制造，2006(12):43-45.

[8] 陳祥敏.G71與G70指令使用中應(yīng)注意的幾個問題[J].金屬加工(冷加工)，2011(7):88-89.

[9] 孫寶蘭，李娜.簡單固定循環(huán)在數(shù)控車床中的應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技，2012(10):162.

[10] 馬彩霞.數(shù)控車床編程中復(fù)合循環(huán)的比較與分析[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2009(19):210-211.

[11] 程慎，閻威武，湯季安.數(shù)控車床復(fù)合固定循環(huán)的譯碼實現(xiàn)[J].機械制造，2009(6):46-48.

[12] 宋剛.數(shù)控車削固定循環(huán)功能的系統(tǒng)程序開發(fā)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[13] 李體仁.數(shù)控加工與編程技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011：166-168.

[14] 趙學(xué)清.數(shù)控車削加工中固定循環(huán)指令使用技巧[J].廣西輕工業(yè)，2009(5):48-49.

[15] 韓加好,陳穎.巧用G71指令高效切削形狀凹凸變化的零件[J].機床與液壓，2006(12):249-250.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

Programming research for instruction G71 of FANUC system CNC turning

WEI Guofeng

(College of Electromechanical Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

When CNC rough turning waits for shaft, the path of each tool needs to be calculated out. This causes the computations to be too large and easy to get wrong.The use of multiple repetitive cycle instruction G71 can calculate base points according to the drawing dimension and simplify programming and improve the efficiency of production. To better understand the usage of this instruction, The characteristics of G71 instruction and the programming taboo and skills are studied in detail based on examples analysis in this paper. Results show that only handling the different requirements for the programming of G71 I type and II type instruction can program qualified programs to achieve high efficiency. The study has a certain reference for programming of the shaft with the shape concave and convex changing of its contour.

FANUC system; CNC turning;multiple repetitive cycle; G71; concave and convex shapes

TG659

A

1671-4679(2017)05-0046-05

2017-05-12

機電系統(tǒng)傳動與控制創(chuàng)新團隊(黑龍江工程學(xué)院2010年第一批)

魏國豐(1970-)，男，教授，研究方向：數(shù)控技術(shù)；光機電一體化技術(shù).

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.05.010