基于模塊化設計的管螺紋數控車削程序開發

殷 豪，孟慶津，吳 東

（中國工程物理研究院　機械制造工藝研究所，綿陽 621900）

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基于模塊化設計的管螺紋數控車削程序開發

殷 豪，孟慶津，吳 東

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，綿陽 621900）

摘 要：針對多種型號的圓錐管螺紋車削編程存在的問題，提出了采用模塊化程序來提升機床數控系統的編程能力，以FANUC數控系統為例，通過對管螺紋結構及對機床數控系統編程能力的分析，闡述了定義系統用戶宏程序代碼的方法，實現了程序參數輸入數量的優化設計。通過實際應用，驗證了程序開發技術的可行性以及編程的高效性。

關鍵詞：管螺紋；車削；宏程序；模塊化設計

0　引言

管螺紋作為管道聯接的一種形式，廣泛地應用于輸送液體、氣體的中小尺寸管路的聯結與密封［1］。目前，針對管螺紋的加工方法有多種，包括鉗工加工、數控加工中心成形銑刀加工以及數控車床車削加工。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，數控加工中心主要用于加工難以用車床裝夾零件上的螺紋［2］，而數控車床車削是最常使用的圓錐管螺紋加工方法。不同型號的管螺紋僅尺寸不同，而幾何結構、加工方法均相同。因此，針對不同型號尺寸的產品，需重復編制程序。并且，目前數控車床加工圓錐管螺紋的常用指令為螺紋切削復合循環指令，使用該指令在加工沒有退刀槽的圓錐管螺紋時，螺紋有效終點，切削起點與終點的半徑差等基點數值的計算較為繁瑣，極易出錯，嚴重影響產品的加工效率［3］。

針對目前管螺紋加工程序編制的問題，以FANUC數控系統為研究對象，通過定義系統用戶宏程序代碼，建立了管螺紋車削模塊化程序。用戶可直接調用指令快速完成管螺紋車削加工編程。

1　管螺紋車削指令代碼的模塊化設計

FANUC數控系統是通過G代碼控制機床運動的［4］。為開發管螺紋專用指令代碼，需定義系統用戶宏程序，利用常規螺紋切削G代碼、輔助G代碼和變量計算相結合的模塊化設計，簡化指令程序，避免繁瑣的編程操作。

為建立管螺紋車削宏程序模塊，需規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次數、最小切削深度、精車預留量等加工信息的指令代碼，可內置于螺紋切削復合循環指令中，減少輸入變量，提高使用的便捷性。幾何信息指令時以幾何要素為基礎的指令代碼，描述的是加工零件的幾何特征信息。管螺紋車削指令代碼是以上兩部分代碼的組合，其運行流程如圖1所示。

圖1　管螺紋車削指令代碼運行流程

如圖1所示，管螺紋車削指令代碼分4個模塊。初始化模塊可完成程序的初始化，4個地址分別輸入管螺紋的4個最簡參數。螺紋結構形式的分類在判定模塊中完成，根據判定結果分別進行幾何參數計算。計算結果最終輸入螺紋切削復合循環指令和輔助指令可完成刀位點計算并控制機床加工運動。

2　指令程序模塊技術實現

2.1參數優化分析

計算模塊中各參數之間的計算與傳遞是管螺紋車削指令代碼的關鍵環節。首先，需對管螺紋的結構進行分析，以便以最少的參數個數將其進行完整描述。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個參數。直接利用其進行編程雖然可行，但極其繁瑣［3］。通過對該螺紋結構進行分析，發現某些參數間具有耦合關系而并非完全獨立，可進行參數簡化，優化后的輸入參數減為4個。因此，給所設計的管螺紋車削指令代碼G77設定4個地址，分別代表4個參數。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代表基準距離l，地址C代表螺紋基準直徑的大徑D，地址I代表螺紋的有效長度L。

2.2參數傳遞過程分析

簡化后的4個參數并不能直接輸入控制模塊，根據圖1所示螺紋結構的幾何關系可推導參數傳遞矩陣，如式（1）所示。

其中u、w、i、k、f、Δd為螺紋切削復合循環指令G76輸入參數，各參數根據不同數控系統有所不同，具體含義可參看數控車床編程手冊。j為螺紋類型判定系數，當j=1，即進刀定位時X值大于基面直徑D時，為外螺紋；當j=0，即進刀定位時X值小于基面直徑D時，為內螺紋。對FANUC數控系統來說，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，對于用戶來說，其各參數往往是常量，因此可內置于宏程序中，避免參數重復輸入。第二條指令包含幾何信息，通過上述參數傳遞矩陣，可將宏程序輸入參數轉化為該指令可使用的參數。此外，某些輔助指令需要特定的參數，但參數傳遞過程一般較為簡單，在此不贅述。

2.3宏程序的封裝與調用

指令代碼封裝是將開發的宏程序模塊轉換成機床本體指令，其方法是在系統參數中設置G代碼數字與對應地址參數和開發宏程序號［4］。宏程序編制完成后經調試在MDI狀態下將參數#6050～#6059變量定義為用戶專用G代碼，程序號設定為O9010～O9019，恢復參數保護后即可完成參數封裝。本文宏程序號為O9017，將6057號參數改為所定義的G代碼號77，可直接進行調用。

3　應用實例

以車削R1/8圓錐外螺紋為例，采用所開發的管螺紋切削程序G77指令對其進行加工編程，圖3所示為車削加工示意圖。

圖3　管螺紋車削加工示意圖

查手冊可得加工R1/8圓錐外螺紋所需的4個參數，分別為：P = 0.907，l = 4.0，D = 9.728，L = 6.5。具體程序為：

上述程序同樣適用于其他尺寸代號的內、外管螺紋車削加工，在程序編制時，只需輸入管螺紋的上述4個基本尺寸要素。

4　應用實例

本文通過深入分析管螺紋結構以及數控車床系統指令，對管螺紋加工程序進行模塊化設計，編寫了系統用戶宏程序代碼，并用于實際生產，具體如下：

1）開發的管螺紋車削加工專用指令，避免了參數的人工計算。可實現多種尺寸規格管螺紋程序的快捷編制，提高生產效率。

2）對管螺紋加工編程進行了參數輸入優化和參數傳遞矩陣建模，大量產品的實際生產證明了其精確性與可靠性。

3）模塊化的設計便于程序的調試與更改，減少重復編程工作，便于后續持續開發與改進。

參考文獻：

［1］ 王振勇.四種常用管螺紋綜述［J］.液壓與氣動，2011，（01）：60-62.

［2］ 樊偉杰.英制圓錐管螺紋數控加工方案［A］.中國兵工學會2009年精密加工及數字化制造技術學術研討會論文集［C］.2009.

［3］ 顏建強，唐重.G76指令車削圓錐管螺紋的編程技巧分析［J］.科學創新導報，2012，（09）：97-98.

［4］ 劉宏，羅麗麗，樊永強.三軸橢球精密曲面的數控雙指令銑削加工技術［J］.制造業自動化，2015，（10）：21-23.

［5］ 張在平，佘抒萌.數控銑削編程中宏程序的應用［J］.科技資訊.2010（34）：37-37.

［6］ 湯郁.淺議宏程序在數控車編程中的應用［J］.科技信息.2011，（27）：78-79.

［7］ 趙明生，主編.機械工程手冊［M］.機械工業出版社，1996.

Modules dependent design for CNC turning programming of pipe thread

YIN Hao， MENG Qing-jin， WU Dong

中圖分類號：TH16

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0083-03

收稿日期：2015-12-16

作者簡介：殷豪（1988 -），男，湖南岳陽人，技師，主要從事數控精密加工及研究。