殷 豪，孟慶津，吳 東

（中國(guó)工程物理研究院　機(jī)械制造工藝研究所，綿陽(yáng) 621900）

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基于模塊化設(shè)計(jì)的管螺紋數(shù)控車(chē)削程序開(kāi)發(fā)

殷 豪，孟慶津，吳 東

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，綿陽(yáng) 621900）

摘 要：針對(duì)多種型號(hào)的圓錐管螺紋車(chē)削編程存在的問(wèn)題，提出了采用模塊化程序來(lái)提升機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的編程能力，以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為例，通過(guò)對(duì)管螺紋結(jié)構(gòu)及對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)編程能力的分析，闡述了定義系統(tǒng)用戶(hù)宏程序代碼的方法，實(shí)現(xiàn)了程序參數(shù)輸入數(shù)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了程序開(kāi)發(fā)技術(shù)的可行性以及編程的高效性。

關(guān)鍵詞：管螺紋；車(chē)削；宏程序；模塊化設(shè)計(jì)

0　引言

管螺紋作為管道聯(lián)接的一種形式，廣泛地應(yīng)用于輸送液體、氣體的中小尺寸管路的聯(lián)結(jié)與密封［1］。目前，針對(duì)管螺紋的加工方法有多種，包括鉗工加工、數(shù)控加工中心成形銑刀加工以及數(shù)控車(chē)床車(chē)削加工。其中，采用鉗工加工螺紋工序多，效率低，所加工螺紋精度較差，密封效果欠佳，數(shù)控加工中心主要用于加工難以用車(chē)床裝夾零件上的螺紋［2］，而數(shù)控車(chē)床車(chē)削是最常使用的圓錐管螺紋加工方法。不同型號(hào)的管螺紋僅尺寸不同，而幾何結(jié)構(gòu)、加工方法均相同。因此，針對(duì)不同型號(hào)尺寸的產(chǎn)品，需重復(fù)編制程序。并且，目前數(shù)控車(chē)床加工圓錐管螺紋的常用指令為螺紋切削復(fù)合循環(huán)指令，使用該指令在加工沒(méi)有退刀槽的圓錐管螺紋時(shí)，螺紋有效終點(diǎn)，切削起點(diǎn)與終點(diǎn)的半徑差等基點(diǎn)數(shù)值的計(jì)算較為繁瑣，極易出錯(cuò)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的加工效率［3］。

針對(duì)目前管螺紋加工程序編制的問(wèn)題，以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)定義系統(tǒng)用戶(hù)宏程序代碼，建立了管螺紋車(chē)削模塊化程序。用戶(hù)可直接調(diào)用指令快速完成管螺紋車(chē)削加工編程。

1　管螺紋車(chē)削指令代碼的模塊化設(shè)計(jì)

FANUC數(shù)控系統(tǒng)是通過(guò)G代碼控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的［4］。為開(kāi)發(fā)管螺紋專(zhuān)用指令代碼，需定義系統(tǒng)用戶(hù)宏程序，利用常規(guī)螺紋切削G代碼、輔助G代碼和變量計(jì)算相結(jié)合的模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化指令程序，避免繁瑣的編程操作。

為建立管螺紋車(chē)削宏程序模塊，需規(guī)劃加工信息代碼和幾何信息代碼［5，6］。其中，加工信息代碼是描述精加工重復(fù)次數(shù)、最小切削深度、精車(chē)預(yù)留量等加工信息的指令代碼，可內(nèi)置于螺紋切削復(fù)合循環(huán)指令中，減少輸入變量，提高使用的便捷性。幾何信息指令時(shí)以幾何要素為基礎(chǔ)的指令代碼，描述的是加工零件的幾何特征信息。管螺紋車(chē)削指令代碼是以上兩部分代碼的組合，其運(yùn)行流程如圖1所示。

圖1　管螺紋車(chē)削指令代碼運(yùn)行流程

如圖1所示，管螺紋車(chē)削指令代碼分4個(gè)模塊。初始化模塊可完成程序的初始化，4個(gè)地址分別輸入管螺紋的4個(gè)最簡(jiǎn)參數(shù)。螺紋結(jié)構(gòu)形式的分類(lèi)在判定模塊中完成，根據(jù)判定結(jié)果分別進(jìn)行幾何參數(shù)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果最終輸入螺紋切削復(fù)合循環(huán)指令和輔助指令可完成刀位點(diǎn)計(jì)算并控制機(jī)床加工運(yùn)動(dòng)。

2　指令程序模塊技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1參數(shù)優(yōu)化分析

計(jì)算模塊中各參數(shù)之間的計(jì)算與傳遞是管螺紋車(chē)削指令代碼的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先，需對(duì)管螺紋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以便以最少的參數(shù)個(gè)數(shù)將其進(jìn)行完整描述。以英制圓錐管螺紋為例，其牙型及外螺紋上各主要尺寸如圖2所示，總共具有9個(gè)參數(shù)。直接利用其進(jìn)行編程雖然可行，但極其繁瑣［3］。通過(guò)對(duì)該螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)某些參數(shù)間具有耦合關(guān)系而并非完全獨(dú)立，可進(jìn)行參數(shù)簡(jiǎn)化，優(yōu)化后的輸入?yún)?shù)減為4個(gè)。因此，給所設(shè)計(jì)的管螺紋車(chē)削指令代碼G77設(shè)定4個(gè)地址，分別代表4個(gè)參數(shù)。代碼指令格式為：

圖2　英制圓錐管螺紋示意圖

其中，地址A代表管螺紋螺距P，地址B代表基準(zhǔn)距離l，地址C代表螺紋基準(zhǔn)直徑的大徑D，地址I代表螺紋的有效長(zhǎng)度L。

2.2參數(shù)傳遞過(guò)程分析

簡(jiǎn)化后的4個(gè)參數(shù)并不能直接輸入控制模塊，根據(jù)圖1所示螺紋結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系可推導(dǎo)參數(shù)傳遞矩陣，如式（1）所示。

其中u、w、i、k、f、Δd為螺紋切削復(fù)合循環(huán)指令G76輸入?yún)?shù)，各參數(shù)根據(jù)不同數(shù)控系統(tǒng)有所不同，具體含義可參看數(shù)控車(chē)床編程手冊(cè)。j為螺紋類(lèi)型判定系數(shù)，當(dāng)j=1，即進(jìn)刀定位時(shí)X值大于基面直徑D時(shí)，為外螺紋；當(dāng)j=0，即進(jìn)刀定位時(shí)X值小于基面直徑D時(shí)，為內(nèi)螺紋。對(duì)FANUC數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，G76指令格式為：

G76 P（m）（r）（a） Q（Δd min） R（d）；

G76 X（u） Z（w） R（i） P（k） Q（Δd） F（f）；

其中第一條指令為加工信息代碼，對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，其各參數(shù)往往是常量，因此可內(nèi)置于宏程序中，避免參數(shù)重復(fù)輸入。第二條指令包含幾何信息，通過(guò)上述參數(shù)傳遞矩陣，可將宏程序輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)化為該指令可使用的參數(shù)。此外，某些輔助指令需要特定的參數(shù)，但參數(shù)傳遞過(guò)程一般較為簡(jiǎn)單，在此不贅述。

2.3宏程序的封裝與調(diào)用

指令代碼封裝是將開(kāi)發(fā)的宏程序模塊轉(zhuǎn)換成機(jī)床本體指令，其方法是在系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)置G代碼數(shù)字與對(duì)應(yīng)地址參數(shù)和開(kāi)發(fā)宏程序號(hào)［4］。宏程序編制完成后經(jīng)調(diào)試在MDI狀態(tài)下將參數(shù)#6050～#6059變量定義為用戶(hù)專(zhuān)用G代碼，程序號(hào)設(shè)定為O9010～O9019，恢復(fù)參數(shù)保護(hù)后即可完成參數(shù)封裝。本文宏程序號(hào)為O9017，將6057號(hào)參數(shù)改為所定義的G代碼號(hào)77，可直接進(jìn)行調(diào)用。

3　應(yīng)用實(shí)例

以車(chē)削R1/8圓錐外螺紋為例，采用所開(kāi)發(fā)的管螺紋切削程序G77指令對(duì)其進(jìn)行加工編程，圖3所示為車(chē)削加工示意圖。

圖3　管螺紋車(chē)削加工示意圖

查手冊(cè)可得加工R1/8圓錐外螺紋所需的4個(gè)參數(shù)，分別為：P = 0.907，l = 4.0，D = 9.728，L = 6.5。具體程序?yàn)椋?/p>

上述程序同樣適用于其他尺寸代號(hào)的內(nèi)、外管螺紋車(chē)削加工，在程序編制時(shí)，只需輸入管螺紋的上述4個(gè)基本尺寸要素。

4　應(yīng)用實(shí)例

本文通過(guò)深入分析管螺紋結(jié)構(gòu)以及數(shù)控車(chē)床系統(tǒng)指令，對(duì)管螺紋加工程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，編寫(xiě)了系統(tǒng)用戶(hù)宏程序代碼，并用于實(shí)際生產(chǎn)，具體如下：

1）開(kāi)發(fā)的管螺紋車(chē)削加工專(zhuān)用指令，避免了參數(shù)的人工計(jì)算?？蓪?shí)現(xiàn)多種尺寸規(guī)格管螺紋程序的快捷編制，提高生產(chǎn)效率。

2）對(duì)管螺紋加工編程進(jìn)行了參數(shù)輸入優(yōu)化和參數(shù)傳遞矩陣建模，大量產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)證明了其精確性與可靠性。

3）模塊化的設(shè)計(jì)便于程序的調(diào)試與更改，減少重復(fù)編程工作，便于后續(xù)持續(xù)開(kāi)發(fā)與改進(jìn)。

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Modules dependent design for CNC turning programming of pipe thread

YIN Hao， MENG Qing-jin， WU Dong

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134（2016）05-0083-03

收稿日期：2015-12-16

作者簡(jiǎn)介：殷豪（1988 -），男，湖南岳陽(yáng)人，技師，主要從事數(shù)控精密加工及研究。