利用宏指令實現數控程序的防誤功能

■西安航空發動機（集團）有限公司 （陜西 710021） 馮永星

利用宏指令實現數控程序的防誤功能

■西安航空發動機（集團）有限公司 （陜西 710021） 馮永星

摘要：利用FANUC數控系統宏指令的各類功能，編制宏程序對手工輸入的各類外部數據進行校驗，使數控加工程序具有判斷及糾錯功能，最大限度地減少人為因素造成的廢品損失。

數控機床作為高精度、高穩定性設備，在加工中人為出錯是其造成廢品的關鍵因素。尤其在多品種、小批量生產車間，頻繁地更換零件導致了大量的輔助準備工作，人為出錯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控制系統車床程序的編制方法。采用該方法編制出的數控程序可將各類外部輸入數據讀取至宏程序的各類變量中，并對其進行分析與判斷，使數控程序具有防誤及報警功能，從源頭上最大限度地避免由于人為失誤而造成的損失。

1. 數控加工中常見的人為失誤

（1）輸入錯誤。在操作中常見的輸入內容包括：幾何形狀、磨耗值、刀具半徑及假想刀尖位置等。這些內容是數控系統最關鍵的外部數據，控制器所有的運算將基于這些數據，任何一項輸入不正確便會導致錯誤運算，從而造成零件的超差甚至報廢。

（2）測量誤差。在加工零件時，當更換新的刀片后必須重新對刀。當采用試切法對刀時，工人必須測量試切后零件的實際尺寸以輸入機床寄存器，在此過程中若零件的實際尺寸測量不準確，將極易造成零件超差或報廢。當加工要求比較嚴格的尺寸（通常指公差小于0.05mm的尺寸）時，程序中一般都有半精加工測量點，工人會根據測量的實際值來調整精加工的余量。若此時測量的數值有誤，則將會直接導致零件報廢。

（3）疏忽大意。該類包括：刀具錯誤的安裝、使用，實際使用的刀具或刀具信息與程序制定值不一致等。該類問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，某些問題需要加強對工人的培訓，而很大一部分則可以在程序中對其校對和預判。

2. 程序的思路及流程

（1）思路。①輸入錯誤信息的防止。數控系統將所有的輸入信息存儲在寄存器中且可讀取，而程序員在編寫程序時會對其程序所使用的刀具等信息有一個預先的制定。因此，在編制程序時就可將這些制定值納入其中，在加工時通過宏程序讀取當前實際信息并與預先的定制數據相對比，當所有信息一致時方可運行程序，否則通過宏程序給予報警和相應的提示。②測量誤差的防止。該類誤差往往是在對刀的過程中產生的，因此可在首件零件調整加工合格后，將加工該零件的對刀參數換算成標準數值（即根據零件的實際尺寸換算，具體方法見下文）作為程序的預設信息存儲在公共變量中，通過宏程序與更換刀片后重新對刀的信息相比較，當其誤差值小于給定值時則繼續運行程序，否則通過宏程序給予報警并提示。

程序預設值的換算方式：以圖1所示零件為例，現要加工圖中

f86.10-0.1mm的直徑與420-0.15mm的端面。假設首件的實際直徑為f86.08mm，總長為41.98mm，此時該零件是合格的，但該零件的對刀參數不能作為預設值。因為該參數時零件的尺寸接近極限，易造成超差，故需經換算。假設加工該零件時寄存器中X、Z向刀補分別為-400.000與-600.000，在忽略磨耗值與坐標系偏移時預設值應為：- 4 0 0 . 0 3 0和-600.055。當然，在實際加工首件時工人一般都需要在磨耗或工件移中進行尺寸調整，若將這些因素考慮在內則可按下列公式計算

公式中各參數的意義如下：X為X軸預設值；Z為Z軸預設值；X1為X軸對刀值（也稱作X軸幾何形狀補償值，一般為負數）；TX為X向磨耗值；Z1為Z軸對刀值（也稱作Z軸幾何形狀補償值，一般為負數）；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為零件實際直徑；L1為理論長度中值尺寸；L2為零件實際長度。

當程序使用的刀具數量較少時，可手工計算。否則可編制如下的宏程序由控制器進行計算，并直接將運算結果賦值給相應的公共變量中，以供后文的防誤子程序使用。以圖1為例，在采用T01號刀、01號刀補時程序可為：

圖1　轉子空氣封嚴

使用該程序時只需根據實際尺寸對#1～#4、#10五個變量賦值，其余由宏程序自動從控制器中讀取并運算、賦值。該5個變量的意義依次為：X向測量值、Z向測量值、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號。如前文所述的在不考慮磨耗與工件移時運算結果為-400.030與-600.055并將該數據賦值給#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（試制或調試階段）程序的主要工作流程為：使用宏程序讀取系統參數，與預設值進行比較分析，僅當滿足所有條件方運行，否則停止運行并給予提示性報警。

首件合格后（批產階段）程序的主要任務為誤差分析與警報，并依次按照：對刀→誤差分析→正常加工→對刀的順序重復循環。詳細的流程圖如圖2所示。

3. 宏程序相關變量的介紹

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

圖2　工作流程圖

表1　變量的分類

（2）刀具補償存儲區的系統變量。該組變量用于存儲對刀信息以及補償信息，本文宏程序所調用的參數主要來自該系統變量。如表2中所示，控制系統X、Y、Z3個坐標軸的補償值以及刀尖圓弧半徑、假想刀尖位置（即下文所說的刀具類型）均在系統變量#2001～#2499中存儲。以當前刀補為1號刀舉例：X軸的對刀值存儲于#2701參數，磨損值存儲于#2001參數；Z軸的對刀值存儲于#2801參數，磨損值存儲于#2101參數；刀尖半徑的對刀值存儲于#2901參數，磨損值存儲于#2201參數；刀具類型存儲于#2301參數。其他刀位的信息可按表2類推，表中的Y軸補償值因在大部分車床中未使用，故不做敘述。

表2　刀具補償存儲區的系統變量

（3）宏程序報警的系統變量（#3000）。當變量#3000被賦予的值為0～200時，CNC停止運行且報警，顯示不超過26個字符的報警信息。CNC屏幕上顯示報警號和報警信息，其中報警號為變量#3000的值加上3000。

例如：#3000=1（TOOL NOT FOUND）

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

（4）工件坐標系偏移。工件坐標系偏移量可以被讀取，其數值也可以通過輸入一個數據來改變，具體參數如表3所示。

表3　工件坐標系偏移

表4　預設信息

4. 實例

本文以FANUC車床各類對刀數據（X向刀補、Z向刀補、圓弧半徑、刀具類型）為例，說明宏程序在車床上如何實現判斷、糾錯以達到防誤的目的。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夾刀片的重復定位精度，也可予以適當的壓縮以獲得更良好的尺寸穩定性。當有多把刀具時，根據實際需要，加工不同位置的刀具可根據當前情況來分別確定最大允許誤差值。

（1）主程序。上述所列各類預設值需要在主程序中被正確賦值，然后方可調用防誤子程序，進行數據的判斷。主程序具體內容及解釋如下：

%

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

N35行為防誤階段，在該階段主程序將調用O6001號子程序對各類數據進行分析與判斷，以達到防誤目的。O6001號子程序將在下文詳細介紹。

N40～N45行為正常加工階段，各類信息完全符合要求時方能進行到該階段。

（2）子程序。本文中的各類防誤判斷與報警信息均是由如下的O6001號子程序來完成，該子程序可作為獨立的內容在任何刀位的程序段中被調用。當然必須在主程序中對#11～#14參數正確賦值，下面將對該子程序進行詳細的解釋：

N100行為讀取當前刀位刀具所調用的實際刀補號。N105～N140行為整個子程序的賦值與運算階段，在該階段宏程序從系統參數中讀取各類實際信息。以表4所列舉的各類信息為例，當當前刀具所調用的刀補號為1時，#1 ～#4所讀取的信息分別為：X軸實際對刀值、Z軸實際對刀值、X軸預設值以及Z軸預設值；#101 與#102分別為X與Z軸對刀誤差；#701與#801則為當前實際刀尖半徑和刀具類型。

N145～N170行為子程序的判斷與跳轉階段，在該階段宏程序將對各類信息與預設值進行判斷，以決定繼續運行程序還是停止并報警提示。若該階段各類信息經判斷無誤則返回主程序的加工階段，否則根據相應的問題跳轉至相應的報警。

N3001～N3006行為報警信息輸出階段，宏程序根據之前的分析與跳轉結果給予提示性的警報，以方便操作者或技術人員查找出錯的原因。譬如當實際圓弧半徑與預設的值不一致時（即：#701不等于#13）則輸出如圖3所示的報警，同時機床停止運行。當工人遇到該報警時就應該仔細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。

又如當程序運行后出現圖4所示的報警信息，工人就應立即檢查該刀具X軸對刀值輸入是否正確、刀片的安裝是否正確、刀片的定位是否可靠，然后重新對X軸進行對刀，直至該報警消失即達到預設的精度。至此，子程序的防誤階段便告結束。

圖3　刀具報警信息

5. 結語

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

在實際使用中，我們還可加入如磨耗值等更多數據的防誤。在具有對刀臂的機床上與自動對刀相結合更是可以實現無需人工輸入的全自動操作，將大大提高加工過程的自動化。

本文例子中的程序均在臺灣FTC-50車床上運行通過，已達到期望的功能。

參考文獻：

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[3] 劉旭林.數控車床的坐標轉換方法研究[J].機械設計與制造，2008，（1）：171-172.

收稿日期：（20140913）