基于FANUC Series Oi Mate—TD系統的恒線速車削應用

鐘慧蘭

摘 要：本文通過FANUC Series Oi Mate-TD系統中恒線速車削的實際應用進行數據分析，詳細介紹了相關CNC參數的設置與注意事項，在對普通車削內容進行補充的同時保證了數控車削零件的表面質量一致性與加工效率。

關鍵詞：恒線速；車削；指令；限制

中圖分類號：TG519 文獻標志碼：A

0 引言

在普通車床上車削端面、圓錐面和圓弧面等變徑輪廓時，表面粗糙度很難達到一致，這也就是我們所常說的表面質量一致性差。究其原因是由于普通車床在連續加工過程中只能維持某恒定的主軸轉速，隨著車削直徑尺寸的減小，切削速度也隨之降低，從而導致生產效率下降，更無法保證統一的表面質量。若想改變普通車床的這一局限，只能對普通車床進行改裝，增加一控制系統亦可實現車削加工過程中保持恒定的切削速度，從而達到提高零件生產效率，與保證良好的表面質量及一致性的需求。在一般的數控車床上可以通過恒線速控制功能，很輕松地解決普通車床無法實現的這一恒定切削速度控制。

1 切削線速度

所謂的線速度是切削線速度的簡稱，是指車床在車削工件時通常以主軸軸線為中心，刀具切削工件的切削點在工件圓周切線方向的瞬時速率，如圖1所示。線速度與主軸轉速之間的關系可以通過以下公式進行說明：

式中：

V為切削線速度，單位m/min；

π為圓周率，取3.14；

D為切削點工件的直徑，單位mm；

n為主軸轉速，單位r/min。

由公式可以看出，車刀在保持一定的轉速進行切削時，隨著工件直徑的減小，切削線速度隨之降低，加工效率降低，表面質量難以保證；車刀若保持一定的切削線速度進行切削時，隨著工件直徑的減小，主軸轉速將隨之升高，加工效率提升，表面粗糙度保持一致。

2 恒線速車削

恒線速車削又叫固定線速度切削，是指車床通過主軸轉速連續變化以保持實時切削位置的瞬時切削速度恒定不變的切削控制方式。在FANUC Series Oi Mate-TD數控系統中，恒線速（周速恒定）控制功能由G96指令實現，編程格式為：G96 S ；恒線速控制有效，恒轉速控制無效，指定切削線速度。恒轉速控制功能由G97指令實現，編程格式為：G97 S ；恒轉速控制有效，恒線速控制無效，指定主軸轉速。G96與G97為同組模態指令，一旦指定則一直有效，直至被同組的其他指令注銷為止。其中，G97為初態指令，CNC上電時默認G97有效。編程時必須將工件原點設在工件的回轉中心，才能保證恒線速控制的精確度。恒線速控制時，主軸轉速隨編程軌跡的X軸（徑向）絕對坐標值的絕對值的變化而變化，| X |值增大，轉速降低；| X |值減小，轉速升高。切削線速度始終保持為S值，由此主軸轉速與線速度的關系公式可以演變成：

恒線速車削時，主軸轉速隨工件直徑的減小而升高，刀具在車削至工件回轉中心時，轉速將達到極高，這將導致“飛車”，輕則損壞刀具、機床和工件，重則導致操作人員受傷，因此，在使用恒線速控制前都必須正確指定主軸最高轉速。最高轉速限制由G50指令實現，編程格式為：G50 S ；主軸最高轉速限制有效。

3 恒線速切削應用

以圖2所示零件的車削為例說明在FANUC Oi TD系統中恒線速車削指令的應用。

O0001； 程序名

G99； 轉進給指定

G00 X100 Z100； 快速定位至換刀點

T0101； 換外圓車刀

M03 S2000； 主軸正轉，轉速為2000r/min

G00 X7.86 Z2； 快速定位至精加工起點位置

G50 S2000； 主軸最高轉速限定為2000r/min，轉速2000r/min

G96 S100； 恒線速控制，線速度為100m/min

G01 Z0 F0.08； 刀尖切至R10圓弧起點，轉速為2000r/min

G03 X27.28 Z-12.38 R10； 刀尖切至R10圓弧終點，轉速2000r/min—1143r/min—1167r/min

G02 X41.74 Z-41.33 R32； 刀尖切至R32圓弧終點，轉速1167r/min—763r/min

G03 X56 Z-60 R28； 刀尖切至R28圓弧終點，轉速763r/min—569r/min

G97； 取消恒線速控制，轉速569r/min

G00 X100 Z100； 刀具返回換刀點

M02； 程序結束

%

根據關系式可以計算出上述程序在車削過程中的瞬時主軸轉速，用曲線圖像表示G96狀態下轉速與工件直徑的關系如圖3所示。受主軸轉速的上下限鉗制，恒線速控制的實際切削過程或將出現兩段在最高轉速與最低轉速處進行恒轉速切削的過程，此時指定的G96狀態無效，中間變徑車削加工軌跡主軸轉速與直徑的關系基本呈雙曲線規律變化。

4 參數設置說明

CNC參數SSC（No.8133#0）決定是否使用恒線速控制，該參數為0時為不使用恒線速控制，即使用恒轉速控制；該參數為1時為使用恒線速控制。該參數的初始化狀態一般為1。本例中按機床說明書及具體的安裝情況，確定主軸最高轉速不超過2000r/min，主軸最低轉速不低于30r/min。G96的主軸最低轉速由參數No.3771設定，最高轉速由參數No.3772設定。若轉速超過參數設定值，則轉速被鉗制在參數給定的轉速上，No.3772為0時不進行轉速鉗制。G50 S 設置的主軸最高轉速應不超過參數設定值，否則指令轉速鉗制無效。車床上始終以X軸進行恒線速控制，對應的參數No.3770設定值為0。數控操作面板中的主軸倍率旋鈕有效，可選用50%～120%的8個檔位倍率。參數SOC（No.3708#5）為0時，速度鉗制在應用主軸速度倍率前執行，此時主軸轉速有時會超過G50 S；設定的轉速；該參數設為1時，速度鉗制在應用主軸速度倍率后執行，主軸轉速被鉗制在參數No.3772所設定的上限轉速上，而與本參數的設定無關。

注意事項：

（1）只有CNC參數SSC（No.8133#0）設定為0時，G96指令有效。

（2）恒線速車削時一般采用轉進給（G99），以確保恒定的進給速度，提高零件表面質量。

（3）注意在G96指令前必須先合理定義指令與參數以限制主軸最高轉速，否則刀具在行進至工件回轉中心或接近回轉中心時將出現“飛車”，造成事故。當理論轉速高于轉速上限值時，主軸限制為上限轉速。

（4）G50 S ；定義的最高轉速在重新設定前是保持的，最高轉速限制值在G96狀態下有效，G97狀態下不受設其設定值的限制，但設定值仍然保持。

（5）G96被G97取消且沒有指定S值，則主軸轉速以G96方式的最后主軸轉速作為G97狀態的轉速。

（6）恒線速控制有效時，S后面的數值為線速度值，主軸轉速由| X |決定。因此必須設定參數No.3770為0，且工件坐標系的Z軸與工件回轉中心必須重合。

（7）在機床鎖定進行空運行圖形軌跡模擬時，G96方式仍然有效，且轉速隨X軸絕對坐標值的絕對值變化而變化，主軸倍率調節有效。

（8）恒線速控制時，刀具行進軌跡的主軸瞬時轉速可以通過公式

計算得出。如程序示例中主軸轉速的變化：2000r/min→1143r/min→1167r/min→763r/min→569r/min，這樣既保證了恒定的切削速度，也盡可能地使車床主軸在車削過程中保持平穩的變化，而不是突變。

（9）在G96狀態下一般不能出現G00程序段，因為這樣可能會造成意外的危險狀況。如果出現G00程序段，G96仍然有效，但在快速定位過程中主軸轉速容易驟降或驟增，在刀具到達目標位置點而尚未升至| X |所對應的轉速時將等待轉速提升到位后再執行后續程序段。

（10）在執行G96程序段前，最好先計算出G96起始點的主軸轉速，然后把轉速變化量分攤到前面的程序段中，以確保G96起始點的轉速與前面G97指定的轉速差距不要過大，否則也將引起主軸轉速突變、引發危險。如程序示例中G96程序段前的轉速設定為2000r/min，在執行G96程序段后轉速變動量為0，這樣既可以避免轉速的突變危險，更能減少甚至消除刀具的等待時間，進而提高加工效率。

（11）G96在螺紋車削時同樣有效，但為了保證螺紋加工精度，螺紋車削時一般不采用恒線速控制，而采用恒轉速控制下進行螺紋車削。

結語

通過前文所述恒線速控制應用示例可以看出，基于FANUC Series Oi Mate-TD系統的恒限速車削可以通過G96與G97指令來設置與取消，其他數控系統亦可通過該指令實現恒線速車削，但不同機床生產廠家采用的伺服電機不同，系統中主軸轉速的上下限設置、CNC參數位置與定義也不盡相同，因此使用時必須先查找機床用戶手冊，確定好轉速范圍后再使用。恒限速車削的轉速范圍是使用好恒線數車削的關鍵。在車削加工過程中由于恒定的切削速度大大改善了被加工工件的表面質量，而主軸轉速的平穩轉變也保證了操作安全，進一步提高了恒線速車削指令在應用過程中的有效性與安全性。恒線速控制的使用作為數控車床的一項基本功能，是對普通車床的技術的補充與提升，也是數控機床操作者所必須掌握的基本技能。

參考文獻

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