加工中心孔系加工的編程技巧

王 健，陳 琳

（佛山市技師學院，廣東佛山 528237）

1 研究背景與意義

孔系在端蓋、法蘭、箱體、通用夾具等零件中是非常常見的，傳統的加工方法是利用鉆模在普通鉆床上加工，但這種加工方法工人勞動強度大、工序分散效率相對較低、孔的相對位置誤差也較大。隨著數控機床的不斷普及，由于其對工人的勞動強度低、工序集中、效率高、操作方便靈活的特點，越來越多的孔系零件被安排在數控機床上加工。但普通加工程序數據繁雜，要怎樣對數控加工程序進行簡化，避免計算錯誤，且易于修改，才能完成孔系的加工。

2 固定循環指令的基本概念

以FANUC為例的鉆孔循環指令（見表1）。

表1 FANUC為例的鉆孔循環指令

在數控加工中，孔加工的動作循環基本已經標準化。一般動作可分為：孔位置定位、快速移至R面、工進加工和快速退回等，如圖1 所示。系統將這樣一系列的加工動作預先編好程序存儲在系統中，再通過孔加工循環代碼調用實現簡化編程工作。這樣的動作循環G代碼稱為循環指令。

圖1 盤類零件

以FANUC系統鉆孔循環為例格式如下：

G98（G99）G90（G91）G_X_Y_Z_R_F_Q_K_

參數說明：

（1）X、Y為加工孔位置坐標。

（2）Z為孔底坐標，G90時Z為孔底坐標，G91時Z為R點位置到孔底的距離（一般為負值）。

（3）R為安全平面位置。G90 時為R面的坐標位置，G91時為初始點到R面的距離（一般為負值）。

（4）F為鉆孔切削進給速度。

（5）當G83時Q為每次進給深度。

（6）K為鉆孔重復次數。

3 研究的主要內容與方法

本文主要研究的主要內容是在傳統的圓周、矩形陣列孔系加工編程中，程序繁多、數據計算量大、數值復雜等問題，導致加工中容易出錯引發事故；通過運用增量編程、宏程序編程、子程序編程、極坐標編程的多種方法簡化程序，以具體的編程過程來對比論證該方法的簡潔實用性。

4 圓周孔系的編程方法

圓周孔系是指按一定規律分布在圓周上的一系列的孔，若孔的尺寸相同，則使用孔的固定循環指令也相同，不同的是每一個孔的位置不同。同一個孔工序的不同（如鉆中心孔、鉆孔、攻螺紋等）只需更換刀具和循環指令即可。所以，編程時的關鍵和難點在于如何確定孔的位置。

4.1 傳統坐標編程法

坐標編程法是指通過數學計算的方式計算出加工孔的位置坐標值，再將所計算的位置坐標值等數據編入鉆孔循環程序段中，運行該程序，鉆孔即可完成。使用這種方法計算量較大，數據繁瑣且容易計算錯誤，程序段多，在系統中輸入程序時，由于數據及數據的小數位較多，極易造成輸入錯誤，從而導致零件加工報廢甚至損壞機床。

編程過程如下：根據圖1所示零件計算得出孔1、2、3的中心坐標并編程：

孔1：（X153.341，Y41.088）。

孔2：（X112.253，Y112.253）。

孔3：（X41.088，Y153.341）。

根據計算坐標數據編程如下：

………

G0 X153.341 Y41.088 （定位至孔1）

G98 G90 G83 X153.341 Y41.088 Z-120. R10.Q5. F100.（加工孔1）

X112.253 Y112.253 （定位并加工孔2）

X41.088 Y153.341 （定位并加工孔3）

………

由上述程序段可以看出，如要完成圓周12個孔的鉆孔加工，至少需要12個以上的鉆孔程序段，程序數據復雜，空位置數值小數多，容易出錯。這種編程方法在有規律的孔系中顯得笨拙，但在沒有規律的孔系中只能選擇這種編程方法。而且使用這種絕對定位的方式不會產生累積誤差，孔的定位精度較高。

4.2 宏程序與極坐標結合編程法

宏程序可以運用變量進行編程，在程序中可以對變量進行賦值，同時變量之間還可以進行算術與邏輯運算，改變執行順序。

極坐標可將一般的直角坐標位置轉變為半徑和角度表達，減少了對圓周孔系的位置計算。

宏程序的變量及變量引用、變量運算：

變量表示方法（FANUC 為例）：一個變量由“#”和變量序號組成，如#1、#2、#101、等。#1-#99 為局部變量，#100-#999為公共變量，#1000以上為系統變量。

變量引用：將地址附后的數值用變量來代替的方法稱為變量引用。如：X#1 Y#2 F#5等。

變量運算：變量之間可進行數學運算和邏輯運算，運算的次序依次為函數運算（SIN、ASIN、COS等）、乘和除運算（*、/、AND 等）、加和減運算（+、-、OR等）。如：#1=#2-#3*SIN[#4]。

條件表達式：

格式：IF[（條件表達式）] GOTOn ；

如：IF[#10 GT 0] GOTO 2；表示如果表達式條件滿足時，將轉移到N2的程序段。如果條件不滿足，將執行下一個程序段。

極坐標指令格式

G16 X Y （開啟極坐標編程）

G15（取消極坐標編程）

X為圓弧半徑值

Y為角度值

如圖2 中的零件，可以通過極坐標的轉換確定每個孔的中心位置，簡化了計算工作，再使用變量簡化程序。現以FANUC系統為例，編寫圖1零件的圓周孔系加工程序。

O0001 程序名

N10 G90 G54 G0 Z100; 程序開始

N20 M3 S250 M8; 主軸正轉、轉速250r/min、冷卻液開

N30 #1=15; 初始角度賦值#1變量15°

N40 #2=30; 角度增量賦值#2變量30°

N50 #3=158.75;圓周孔系所在的圓弧半徑值

N60 G0 G16 X#3 Y#1; 啟用極坐標編程，定位至孔位置

N70 G98 G83 Z-120. R5. Q5. F100;開始鉆孔循環

N80 #1=[#1+#2]; 更新角度變量

N90 IF[#1 LE 360] GOTO 60; 條件判斷

N100 G15 G90 G80 G0 Z100; 取消極坐標編程、抬刀

N110 M30;

由上述程序可見，用宏程序和極坐標編程，省略了計算過程，避免了計算產生的錯誤，程序簡潔，一個完整的程序也只有11個程序段，前5段為程序頭及變量賦值，程序的長短與孔的個數無關。通用性強。如要加工不同圓周、不同數量或不同深度的孔系，都只需改變相應的變量賦值就可以，不需修改程序，可作為企業不同系列圓周孔系的很好模板。

4.3 增量方式與極坐標結合編程法

固定循環的增量方式編程是指以增量的形式對固定循環中的數值進行指定，對相對位置固定的孔系加工編程應用相當方便，只需在一個循環指令中指定相對的位置及重復的次數即可，再與極坐標相結合完成圓周孔系的編程。

增量方式在固定循環中的應用（FANUC為例）：

G98(G99) G91 G83 X_Y_Z_R_Q_K_F_;

參數說明：

G91：增量方式

G83：鉆孔固定循環

X、Y：G91時為當前位置到加工孔的距離

Z：G91 時Z為R點位置到孔底的距離（一般為負值）。

R：為安全平面位置。G90 時為R面的坐標位置，G91時為初始點到R面的距離（一般為負值）。

F：為鉆孔切削進給速度。

Q：當G83時Q為每次進給深度。

K：為鉆孔重復次數。

如圖2 所示零件，同樣使用極坐標的方式確定加工孔的位置坐標，再使用增量的方式簡化加工程序段。以FANUC為例編寫圖2加工程序：

O0001 程序名

G90 G54 G0 Z100; 程序開始

M3 S250 M8; 主軸正轉、轉速250r/min、冷卻液開

G16 G98 G83 X158.75. Y15. Z- 120. R5.Q5. F100;啟用極坐標方式，定位并加工出孔1。

G98 G91 G83 Y30. Z- 125. R- 95.Q5 K11 F100;啟用增量方式，角度增量30°，重復11次，加工余下11個孔。

G15 G90 G80;

M30;

由上述程序可以看出，使用增量方式與極坐標結合的方法，相對于上一種方法更為簡潔，免去了計算過程同時還大大減少了程序段，修改與較為方便，只需改變增量的大小和重復次數即可。

5 矩形陣列孔系的編程方法

加工中心上經常會遇到如圖2所示的矩形孔系零件，這些孔呈一定規律排列，要對此類孔系零件進行加工，利用手工編程程序段相對復雜、繁多，在輸入時容易出錯。下面以FANUC系統為例對矩形陣列孔系進行編程，充分利用子程序、宏功能等，對復雜的手工編程進行簡化，體現程序的簡潔性和準確性。

圖2 矩形孔系零件

5.1 傳統坐標編程法

傳統坐標編程法通過每一個加工孔坐標輸入到孔加工程序中，運行程序加工出所需孔，在孔較多的孔系零件中，這種編程方法數據量非常大，程序段多，在輸入時耗費時間及容易出現輸入錯誤，從而發生浪費或事故。根據圖3所示零件各孔位置尺寸計算坐標并編程：

圖3 矩形孔系零件

（以零件左下角作為原點）

O0001

G90 G54 G0 Z100;

M3 S700;

G83 X6 Y4 Z-15 R5 Q2 F100;

X12;

X18;

X24;

………

X6 Y11;

Y18;

Y25;

………

G80 G0 Z100;

M30;

由上述程序可以看出，傳統的坐標編程法在孔較多的孔系中顯得笨拙，上圖100個孔完全使用傳統坐標編程的話程序段至少需要100段以上，而且需要計算各孔的位置坐標，但在沒有規律排列及較少的孔加工中應用相對方便，且能保證較高的位置精度。

5.2 子程序宏功能增量方式結合的編程方法

根據圖3 零件所示，所有加工孔的結構尺寸都相同，不同的只是所加工孔的位置，若將孔加工循環的程序以增量的形式編寫成子程序，再用宏功能重復調用孔加工的子程序，這樣不但編程簡單方便，而且不易出錯，也大大簡化了程序，在日常生產中使用非常方便。

以FANUC系統為例子程序功能介紹：

當加工程序需要多次運行一段同樣的軌跡時，可將這段軌跡編成子程序存儲在機床的程序存儲器中，每次在程序中需要執行這段軌跡時便可以調用該子程序。

子程序格式：

O×××× 子程序名

………;

………; 程序內容

M99; 返回主程序

在主程序中，調用子程序的格式：

M98 P×××××;

M98為調用指令，地址P后面的數字中，后四位為調用的子程序的程序名，前面幾位則為調用的重復次數（調用一次不用指定），例如：

M98 P51001; 調用1001號子程序，調用5次。

M98 P1001; 調用1001號子程序，調用1次。

宏功能及增量方式在圓周孔系中以有相應介紹，在此不再作相應解釋。

下面就以圖3零件為例，使用子程序、宏功能及增量方式相結合的方法進行孔加工程序的編程：

O0002 主程序名

N10 G90 G54 G0 Z100; 程序開始

N20 M3 S700 M8; 主軸正轉，轉速700r/min，冷卻液開

N30 #1=6; 初始變量賦值

N40 #2=4; 初始變量賦值

N50 #3=7; 孔位增量變量賦值

N60 G98 G83 X#1 Y#2 Z-15. R5 Q2 F100;定位并加工第一個孔

N70 M98 P1001; 調用子程序，調用1次

N80 #2=[#2+#3]; 更新變量，加工下一排孔

N90 IF[#2 LE 70] GOTO 60; 條件判斷

N100 G90 G80 G0 Z100; 抬刀

N110 M30; 程序結束

O1001; 子程序名

G98 G91 G83 X6. Z-20. R-95. Q2 K9 F100.;

增量方式加工循環，重復9次加工出一排余下9個孔

G90 G0 Z100; 抬刀

M99; 返回主程序

由上述程序看出，通過子程序、宏功能及增量方式相結合的編程方法大大減小了程序的復雜性，簡化了程序，100 個孔一條完整的程序也才只有十多段程序，避免了孔位計算減小了勞動強度。

6 結論

通過上述各種編程方法的比較，傳統坐標編程比較原始，計算量較大容易出錯，但在沒有規律排列的孔系中，是唯一的方法，孔的相對位置精度容易保證；在圓周孔系中使用極坐標簡化了孔位置的計算，使用宏功能及增量方式減少了程序量，適應不同直徑圓周分布、不同數量的孔加工；矩形陣列孔系中，使用子程序方式減少了孔坐標的重復輸入，增量方式避免了孔位置坐標的計算，使用宏功能簡化了程序。對操作工人來說更簡單易懂，體現更強大的優越性，不但程序簡單，而且計算方便，通用性也很強。