圓錐螺旋線銑削宏程序功能指令開發(fā)*

胡曉東

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

圓錐螺旋線在箱體類、蓋板類零件中應(yīng)用較廣，主要用于管道密封連接以及特殊螺旋傳動(dòng)等零件，其尺寸精度(IT)及表面粗糙度(Ra)加工要求較高，具有內(nèi)、外圓錐螺旋線之分[1-4]。一些復(fù)雜零件受零件結(jié)構(gòu)的限制或加工精度的影響，不易采用車削或手動(dòng)攻絲，通常需要在數(shù)控銑床(或加工中心)上采用螺旋線銑削的加工工藝來完成。但目前數(shù)控系統(tǒng)只提供直線(G01)、圓弧插補(bǔ)(G02/G03)等通用功能指令，對(duì)圓錐螺旋線、二次曲線、規(guī)則曲面輪廓等復(fù)雜曲線、曲面的加工，不具備相應(yīng)的G代碼功能指令進(jìn)行直接編程，需要借助CAD/CAM軟件進(jìn)行自動(dòng)編程[5-8]。而自動(dòng)編程需要對(duì)圓錐螺旋線進(jìn)行曲線設(shè)計(jì)(或?qū)嶓w建模)、走刀軌跡參數(shù)優(yōu)化、G代碼生成、程序傳輸?shù)炔僮鞑襟E，且生成的G代碼程序冗長(zhǎng)，系統(tǒng)讀取程序段量大，粗精加工需要生成不同程序等問題，大大制約了圓錐螺旋線銑削的加工效率[9-10]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)圓柱螺紋銑削加工方法研究較多，而對(duì)圓錐螺旋線只是涉及不同程序?qū)?nèi)、外圓錐螺紋銑削的研究，需要調(diào)用不同的宏程序或指令來實(shí)現(xiàn)[11]。針對(duì)上述問題，本文利用FANUC 0i-MD系統(tǒng)用戶宏程序的功能，開發(fā)出一種編程簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、加工效率高、工藝性廣的圓錐螺旋線銑削G代碼功能指令，可以實(shí)現(xiàn)采用同一指令、不同參數(shù)輸入即可完成不同規(guī)格的內(nèi)、外圓錐螺旋線的粗精加工。該功能指令的開發(fā)，能有效地增強(qiáng)FANUC 0i-MD系統(tǒng)的編程功能及提高加工能效。

1 圓錐螺旋線銑削指令的開發(fā)

1.1 圓錐螺旋線銑削的設(shè)計(jì)思路

利用數(shù)控系統(tǒng)直線插補(bǔ)(G01)指令以微小直線段擬合完成圓錐螺旋線，并采用自變量方式編制成用戶宏程序本體。通過使用G代碼的宏程序調(diào)用及自變量賦值功能，來實(shí)現(xiàn)圓錐螺旋線銑削功能指令的開發(fā)。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

編程之前，需要對(duì)圓錐螺旋線進(jìn)行數(shù)學(xué)分析及建模。圓錐螺旋線的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，如圖1所示。

圖1 圓錐螺旋線運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

假設(shè)A點(diǎn)為圓錐螺旋線△t上的一點(diǎn)，則在PRO/E環(huán)境下，建立的笛卡爾坐標(biāo)系A(chǔ)點(diǎn)對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸的參數(shù)方程為：

r(t)=r1±(r1-r2)t

(1)

x(t)=rcos(360kt)

(2)

y(t)=rsin(360kt)

(3)

z(t)=±ht

(4)

式(1)～式(4)中，r(t)為變半徑，正負(fù)取向決定內(nèi)、外圓錐螺旋線，其r1為起始半徑，r2為終止半徑；t為變量從0到1發(fā)生變化；x(t)、y(t)、z(t)分別為x軸、y軸、z軸坐標(biāo)對(duì)變量t的參數(shù)方程；h為螺紋總高度，正負(fù)決定螺旋線上下走向；k為螺旋線圈數(shù)。

1.3 參數(shù)地址變量的設(shè)定

假設(shè)螺旋線螺距P不變，半徑r隨著變量△t發(fā)生變化，根據(jù)圓錐螺旋線式(1)～式(4)，設(shè)定圓錐螺旋線銑削的自變量賦值Ⅰ地址(參數(shù))及變量，如表1所列。

表1 圓錐螺旋線銑削參數(shù)的地址變量

1.4 用戶宏程序本體的設(shè)計(jì)

利用FANUC 0i-MD系統(tǒng)配置的用戶宏程序B功能，使用G代碼的宏程序調(diào)用指令來表達(dá)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯關(guān)系以及控制動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)圓錐(內(nèi)外)螺旋線銑削G代碼功能指令的開發(fā)，具體流程圖如下圖2所示。執(zhí)行螺旋線銑削G代碼功能指令時(shí)，地址變量相應(yīng)賦值的變量數(shù)據(jù)傳遞到用戶宏程序本體中，實(shí)現(xiàn)圓錐螺旋線銑削的直接編程。

圖2 圓錐螺旋線銑削程序框圖

設(shè)置參數(shù)3202.4為1，取消系統(tǒng)程序保護(hù)，并在EXIT編輯狀態(tài)下，根據(jù)圓錐螺旋線銑削參數(shù)的地址變量(表1)，編制O9010用戶宏程序本體程序，其代碼如下：

%

O9010;(用戶宏程序體)

#33=#4003;(保存03組G代碼)

#32=#5003;(保存初始平面)

IF [#4 LT 0] THEN #3000=1(起始半徑為負(fù)值報(bào)警);報(bào)警NO.3001

IF [#4 EQ #0] THEN #3000=1 (起始半徑不賦值報(bào)警); 報(bào)警NO.3001

IF [#5 LT 0] THEN #3000=2 (終止半徑為負(fù)值報(bào)警); 報(bào)警NO.3002

IF [#5 EQ #0] THEN #3000=2 (起始半徑不賦值報(bào)警); 報(bào)警NO.3002

IF [#6 EQ #0] THEN #3000=3 (銑削圈數(shù)不賦值報(bào)警); 報(bào)警NO.3003

IF [#1 EQ #0] GOTO 1;

#1=0;(若未賦值為0)

N1 IF [#23 EQ #0] GOTO 2;

#23=0;(若未賦值為0)

N2 IF [#24 EQ #0] GOTO 3;

#24=0;(若未賦值為0)

N3 IF [#25 EQ #0] GOTO4;

#25=0;(若未賦值為0)

N4 IF [#1 EQ #0] GOTO5;

#1=0;(若未賦值為0)

N5 IF [#9 EQ #0] GOTO 6;

#9=#4109;(F不賦值沿用以前)

N6 IF [#7 NE #0] GOTO 7；(刀具半徑不賦值為前面所用的刀具半徑，但不得為0或負(fù)值)

#7=#[2000+#4107];

N7 IF [ #7 LE 0] THEN #3000=4(刀具小于或等于0)；報(bào)警NO.3004

IF [#7 GE ABS [#5]] THEN #3000=5(刀具太大)；報(bào)警NO.3005

IF [#4113 NE 3]] THEN #3000=6(主軸未轉(zhuǎn)報(bào)警)；報(bào)警NO.3006

G00 X0 Y0;

G00 Z#18;快速趨近R點(diǎn)

#501=#21;(軸線坐標(biāo)相對(duì)編程坐標(biāo)系的X坐標(biāo)值)

#502=#22; (軸線坐標(biāo)相對(duì)編程坐標(biāo)系的Y坐標(biāo)值)

#503=#23; (軸線坐標(biāo)相對(duì)編程坐標(biāo)系的Z坐標(biāo)值)

#509=0;( 變量△t初始賦值)

IF [#5 GT #4] GOTO 10;(內(nèi)、外錐螺旋線判別)

WHILE [#509LE1]DO1;(內(nèi)錐螺旋線,如果變量△t大于1，則跳出DO1-END1之間的循環(huán))

#504=#4-[#4-#5]*#509-#7；(計(jì)算變半徑值)

#505=#504*COS[#1+360*#6*#509];(計(jì)算X坐標(biāo)值)

#506=#504*SIN[#1+360*#6*#509]；(計(jì)算Y坐標(biāo)值)

#507=#11*#509;(計(jì)算Z坐標(biāo)值)

G01 X[#501+#505] Y[#502+#506] Z-[#503+#507] F#9;(直線插補(bǔ)擬合圓錐螺旋線)

#509=#509+#20;(變量△t步長(zhǎng)累加賦值，從0-1變化)

END1;(WHILE循環(huán)結(jié)束)

G00 X0 Y0;

GOTO 20;

N10 WHILE [#509LE1]DO1;(外錐螺旋線，如果變量△t大于1，則跳出DO1-END1之間的循環(huán))

#504=#4+[#5-#4]*#509+#7；(計(jì)算變半徑值)

#505=#504*COS[#1+360*#6*#509];(計(jì)算X坐標(biāo)值)

#506=#504*SIN[#1+360*#6*#509]；(計(jì)算Y坐標(biāo)值)

#507=#11*#509;(計(jì)算Z坐標(biāo)值)

G01 X[#501+#505] Y[#502+#506] Z-[#503+#507] F#9;(直線插補(bǔ)擬合圓錐螺旋線)

#509=#509+#20;(變量△t步長(zhǎng)累加賦值，從0-1變化)

END1;(WHILE循環(huán)結(jié)束)

N20 G00 G90 Z#32

G#33 M99;(子程序結(jié)束)

%

1.5 圓錐螺旋線銑削的G代碼功能指令開發(fā)

FANUC 0i-MD系統(tǒng)提供了用戶指令開發(fā)接口，在參數(shù)6050-6059中設(shè)置G代碼值就可調(diào)用程序號(hào)為9010-9019的用戶宏程序。本文圓錐螺旋線銑削指令設(shè)置為G111 <自變量賦值>，其對(duì)應(yīng)的用戶宏程序號(hào)為O9010，自變量根據(jù)圓錐螺旋線設(shè)定變量參數(shù)賦值。

其指令格式：

G111 A_ U_ V_ W_ I_J_K_H_ T_ D_R_ F_;

其中，A為螺旋線初始角(缺省為0)；U、V、W為螺旋線軸線坐標(biāo)相對(duì)于編程坐標(biāo)X、Y、Z的坐標(biāo)值(缺省為0)；I、J分別為螺旋線起始半徑、終止半徑，且為正值(若I>J為內(nèi)圓錐螺旋線銑削，I

2 驗(yàn)證

2.1 模擬仿真

在配備FANUC 0i-MD系統(tǒng)的數(shù)控銑床上，輸入O9010用戶宏程序體，并對(duì)G111指令相應(yīng)參數(shù)賦值。其主程序如下：

%

O1000;

G90G54G40G80;

G00X0Y0;

Z100;

S1000M03;

G111 I20 J10 K5 H20 T0.01 D5 R5 F1000;(圓錐螺旋線銑削指令及參數(shù)值)

G00Z100;

X0Y0;

M05;

M30;

%

切換數(shù)控系統(tǒng)控制界面到“模擬仿真”狀態(tài)，執(zhí)行O1000主程序，可以得到內(nèi)圓錐螺旋線(I>J)走刀軌跡的仿真結(jié)果，如圖3所示。

圖3 內(nèi)圓錐螺旋線走刀軌跡

若修改I20 J10為 I10 J20 ，則可以得到外圓錐螺旋線(I

圖4 外圓錐螺旋線走刀軌跡

從仿真結(jié)果看，設(shè)計(jì)開發(fā)的G111指令功能只需對(duì)其相應(yīng)的參數(shù)賦值，就可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外圓錐螺旋線銑削的編程。具有編程簡(jiǎn)單、加工工藝廣、加工效率高等功能特點(diǎn)。

2.2 零件試切加工

如圖5所示，該零件為某企業(yè)產(chǎn)品制氧機(jī)上的核心部件空氣壓縮機(jī)進(jìn)出閥蓋，其中要求完成NPT1/2圓錐螺紋的加工。

圖5 某型號(hào)壓縮機(jī)進(jìn)出閥蓋的局部工程圖及三維視圖

查機(jī)械手冊(cè)(GB/T12716-2011)可知，NPT1/2(深度L為18.14mm)為60°密封管螺紋，即尺寸代號(hào)為1/2的右旋圓錐內(nèi)螺紋，其螺紋錐度為1:16(軸向錐度α為1°47')，螺距P為1.814，牙高h(yuǎn)為1.451，基本大徑D為21.223，基本小徑D1為18.321。

計(jì)算可得，I=D/2=21.223/2=10.61mm，J=I-L×tan(α)=10.61-18.14×tan(1.47)=10.15mm，K=L/P=18.14/1.814=10圈。為提高加工精度，設(shè)置加工步長(zhǎng)T為0.001。

根據(jù)螺紋螺距P、牙高h(yuǎn)，選擇型號(hào)為266RL-16MM01A200M的60°螺紋刀片，刀桿型號(hào)為SNR0012M11K1，螺紋銑削半徑為8mm。試切設(shè)備為KD1000LA的數(shù)控銑床，配備FAUNC 0i-MD系統(tǒng)。按照上述參數(shù)變量，編制試切主程序?yàn)椋?/p>

%

O1000；

…

G111 I10.61 J10.15 K10 H18.14 T0.001 D8 R5 F1000;

…

%

其中，通過修改D參數(shù)，就可完成同一程序內(nèi)圓錐螺紋的粗、精加工，保證螺旋線銑削的加工精度(IT)及表面粗糙度(Ra)。試切效果，如圖6所示。

圖6 試切的壓縮機(jī)進(jìn)出閥蓋NPT1/2圓錐螺紋效果圖

經(jīng)60°密封錐管螺紋塞規(guī)(NPT1/2)手工檢驗(yàn)，銑削的圓錐螺紋符合60°密封管螺紋的加工要求。

3 結(jié)束語

本文利用FANUC 0i-MD系統(tǒng)用戶宏程序，開發(fā)了含內(nèi)、外圓錐螺旋線銑削功能的宏程序本體及G111功能指令。圓錐螺旋線銑削編程時(shí)，只需直接調(diào)用G111指令，并對(duì)相應(yīng)的地址變量進(jìn)行賦值，就可以實(shí)現(xiàn)同一指令、不同規(guī)格的內(nèi)、外圓錐螺旋線粗精銑削加工，不在需要按照內(nèi)、外圓錐螺旋線的不同規(guī)格尺寸進(jìn)行逐一編制程序，簡(jiǎn)化了編程、提高了加工效率、拓展了加工工藝范圍，也進(jìn)一步豐富了數(shù)控銑削加工的直接編程功能指令。