基于FANUC宏程序的钻深可变式深孔加工应用研究1

  基于FANUC宏程序的钻深可变式深孔加工应用研究1 2009-05-13 12:56 摘要：深孔加工是机械加工领域的一项重要技术，由于孔深，切削液难以有效地冷却到切削区域，且刀具在深孔内切削，切屑不易排出，刀具的磨损和损坏等情况都无法观察，加工质量不易控制。本文主要阐述了深孔加工的工艺和特点，采用数控系统提供的宏程序功能对固定循环G73/G83指令进行某些改进，以满足小批量生产的要求。     随着机械工业的迅速发展，新型材料的出现，孔加工的难度越来越大，精度越来越高。尤其在油泵油嘴行业，一些高性能、高强化油泵油嘴产品的发展，深孔加工已成为瓶颈工序，深孔加工技术已成为人们十分关注的问题。《机械工人》3/2006有篇文章《FANUC宏程序在深孔加工中的应用》，切深用等差级数减少，来实现钻深可变式深孔加工，因此我写这篇切深用等比级数减少的文章，以供大家分享。 1 深孔加工的工艺分析     一般规定孔深L与孔径D之比大于5时，即I/D>5时，称为深孔；L/D≤5时，称为浅孔。     深孔加工的断屑与排屑是一个重要的问题，因为深孔加工切削热不易排散，切屑不易排出，必须实行强制冷却、强制排屑，目前普遍采用的是用高压将切削液通过钻杆的外部或内部送到切削区，将切屑冷却、润滑后，把切屑由钻杆的外部或内部排出。断屑是深孔加工顺利进行的保障，与刀具断屑台尺寸、切削用量、刀具角度密切相关；切削用量应与断屑台尺寸相匹配．若加工时发现不断屑时，应降低转速，增大进给量，可以实现断屑；影响断屑效果的主要是刀具的前角，减少前角，可以很好地实现断屑。 2 深孔钻削编程指令及分析 2.1 深孔加工的动作分析     大多数的数控系统提供了深孔钻削指令G73和G83，其中G73为高速深孔往复排屑钻，G83为深孔往复排屑钻，深孔加工的动作是通过z轴方向的间断进给，即采用啄钻的方式来实现断屑与排屑的。虽然G73和G83指令均能实现深孔加工，而且指令格式也相同，但二者在z向的进给动作是有区别的，图1和图2分别是G73和G83指令的动作过程。     从图1和图2可以看出，执行G73指令时，即每次向下进给后刀具并不快速返回至R点平面，而只是回退一个微小距离(即退刀量d)以断屑，这里退刀量d是由No.5114参数设定；而G83指令，排屑式深孔加工循环，即每次向下进给后刀具都快速返回至R点平面，即从孔内完全退出，然后再钻人孔中。深孔加工与退刀相结合可以破碎钻屑，令其小得足以从钻槽顺利排出，并且不会造成面的损伤，可避免钻头的过早磨损。G73指令虽然能保证断屑，但排屑主要是依靠钻屑在钻头螺旋槽中的流动来保证的。因此深孔加工，特别是长径比较大的深孔，为保证顺利打断并排出切屑，应优先采用G83指令。 2.2 用G73和G83指令编程存在的问题           由图1和图2可以看出，利用现有固定循环指令G73和G83进行深孔钻削编程时存在如下问题：     G73和G83指令在钻孔时孔底动作均为快速返回，无暂停的动作。在实际加工中，当钻头退出时，钻屑在冷却液冲刷下会落人孔中。当钻头再次进入后，它将撞击位于孔底部的钻屑。钻屑在刀具的作用下开始旋转，被切断或熔化。同时对于深孔加工，随着孔深的增加，排屑必然越加困难，如果为固定钻深，开始时合适，待到接近孔底时却不一定合适，如果按孔底加工情况来设定钻深，则势必严重影响加工效率。所以，有必要对深孔钻削的动作进行相应的调整，宜采用可变钻深，开始时钻深最大，随着深度的增加，钻深逐渐变小，确保刀具充分冷却和顺利排屑。     钻深的变化可以等差级数(加法运算)实现，即每次减少一个定值；也可以等比级数(乘 法运算)实现，即每次减少的比例相等。但不管用哪种，对最小钻深都应有一个限制，当达到此值时，就不再减小，以保证起码的加工效率。     钻深的变化都是按等比级数来设定，即下面程序中的#19，作用即为：Q2=Q1*#19，Q3=Q2*#19，…，Qn=Qn_l，p#19，依次类推，直到Q=最小钻深#1。 3 钻削深孔通用宏子程序的编制     如前所述，通用固定循环指令在深孔钻削编程中存在着刀具冷却、台阶深孔的加工空运行时间较长、排屑困难等问题。如果采用CAM软件进行自动编程，即使采用G01、G00等简单指令产生程序，也必须进行大量的手工修改才可避免上述问题，编程效率较低，且易出错。经过试验，笔者以FANUC系统为例，编制了一个通用宏子程序，利用G65功能调用该子程序，较好地解决了刀具冷却、排屑等深孔加工问题。 3.1 G65调用子程序的格式     用G65指令调用子程序的格式为：G65P0020 X_Y_Z_R_Q_P_K_F_；X、Y为孔的定位坐标(#23、#24)。 3.2 钻深可变式深孔钻加工宏程序 主程序的结构 O1125 S1000 M03 G54G90G00X0Y0Z30 程序开始，定位于G54原点上方 G65 P0020 Z-65 R1 Q20 F200 D0.5 调用宏程O1126 S004 T0.2 M30程序结束 自变量赋值说明(通用) #7=(D)每次进给前的缓冲高度(绝对值)Depth #9=(F)切削进给速度Feed #17=(Q) 第1次钻深(绝对值) #18=(R)R点(快速趋近点)坐标(Z坐标值，非绝对值) #19=(S)钻深每次递减比例Scale(经验值可取0.3～0.5) #20=(T)最小钻深比例，最小钻深为T*Q #26= (Z)孔深(Z坐标值，非绝对值)     以下为类似于G73式的钻深可变式深孔钻加工宏程序。主要是为了在加工条件允许的情况下追求更高效率而采用较为激进的断屑方式，如图3。 宏 程 序(G73式) O1126 G00Z#18 //快速趋近R点 #27=#18-#26 //总钻深(绝对值) #16=#17 //第1次钻深(即赋#16初始值为#17) #1=#20*#17 //最小钻深 #27=#27-#16 //第1次钻后的剩余深度(绝对值) WHILE[#27GT0]DO 1 //如钻深未到底，则钻孔，即循环1继续 G91 G01 Z-#16 F#9 //每次向下钻深进给1个#16(增量值) G00Z#7 //快速回退1个#7(增量值) IF[#16GE#1]GOTO 1//如钻深#16≥最小钻深#1，转至N1行 N1#16=#16*#19//钻深#16按设定比例#19依次递减(绝对值) IF[#16GE#1]GOTO 3//如#16≥#1，转至N3行(此时已执行完N1行) IF[#16LT#1]GOTO2 //如钻深#16<最小钻深#1，转至N2行 N2#16=#1 //钻深#16=最小钻深#1 IF[#16LT#1]GOTO3 //如#16<#1，转至N3行(此时已执行完N2行) N3#27=#27-#16 //剩余深度(绝对值)#27依次递减每次钻深#16 G01 Z-#7 //向下钻1个回退量#7(增量值) END 1 //钻深不足1次(此时0<#27<#1)时循环1结束 #16=#16+#27//恢复剩余深度(绝对值) G01 Z-#16 //完成最后1段钻深加工 G80G90G00Z30 //返回安全平面并取消固定循环 M99 //宏程序结束返回     以下为类似于G83式的钻深可变式深孔钻加工宏程序。主要用于深径比较大、材料加工性能较差、加工条件较恶劣的深孔钻削加工，因此采用较为保守和彻底的排屑方式，即每次向下进给一个钻深后，都快速返回到R点平面，如图4。 宏 程 序(G83式) O1126 G00Z#18 //快速趋近R点 #27=#18-#26//总钻深(绝对值) #16=#17//第1次钻深(即赋#16初始值为#17) #1=#20*#17 //最小钻深 #27=#27-#16//第1次钻后的剩余深度(绝对值) #4=#18-#16 //第1次钻深进给的Z坐标目标值(非绝对值) WHILE[#27GT0]DO1//如钻深未到底，则钻孔，即循环1继续 G01 Z#4 F#9//每次钻深进给至Z#4面 G00 Z#18 //快速返回至R点平面 Z[#4+#7] //快速下降至Z#4面上#7处(#7由D赋值) IF[#16GE#1]GOT01 //如钻深#16≥最小钻深#1，转至N1行 N1#16=#16*#19 //钻深#16按设定比例#19依次递减(绝对值) IF[#16GE#1]GOTO3 //如#16≥#1，转至N3行(此时已执行完N1行) IF[#16LT#1]GOTO2 //如钻深#16<最小钻深#1，转至N2行 N2#16=#1 //钻深#16=最小钻深#1 IF[#16LT#1]GOTO3 //如#16<#1，转至N3行 #4=#4-#16 //#4依次递减#16 N3#27=#27-#16 //剩余深度(绝对值)#27依次递减每次钻深#16 END 1 //钻深不足1次(此时0<#27<#1)时循环1结束 #16=#16+#27//恢复剩余深度(绝对值) G01 Z[#4-#16] //完成最后1段钻深加工 G80Z30 //返回安全平面并取消固定循环 M99//宏程序结束返回 4 结论     深孔零件的加工是与零件的材质、使用的刀具、加工机床及其手段密切相关的，在实践中要综合考虑各因素的影响。实践，利用FANUC宏程序编写钻深可变式深孔钻加工程序，既可进行普通深孔和台阶深孔的加工，并能满足深孔加工的断屑和保证刀具充分冷却等实际加工要求，从而有效地提高了刀具的耐用度和劳动生产率。 梯形螺纹在数控车床上的变速车削加工 2009年04月30日 17:31 　 梯形螺纹塞规 　　我们知道，在数控车床上车削梯形螺纹工件，高速车削时不能很好地保证螺纹的表面粗糙度，达不到加工的要求，低速车削时生产效率又很低，而直接从高速变为低速车削时则会导致螺纹乱牙。本人经过试验，变速车削时的乱牙问题可以用一种简单实用的方法加以解决，车削螺纹时可以先用较高转速车削，再用低速来精车及修光，从而提高了生产效率，并很好地保证了螺纹的尺寸精度和表面粗糙度。 　　1.变速车削梯形螺纹的方法 　　下面以加工梯形螺纹Tr36×6为例，介绍如何在CST980T系统的数控车床上变速车削梯形螺纹。车削的梯形螺纹工件如图1所示。 　　 　　由于此梯形螺纹的螺距较小，可采用斜进搭配刀法加工，因GSK980T系统的G76螺纹切削复合循环指令就是以斜进方式进刀的，故可采用G76指令，粗车梯形螺纹时编程如下，留出精车余量。 　　G00 X40 Z-20； 　　G76 P010030 Q80 R0.05； 　　G76 X29 Z-85 P3500 Q100 F6； 　　G00 X200 Z50； 　　粗车完成后，如果此时将转速直接调到低速调用原程序精车，则一定会乱牙，发生崩刃或撞车事故，故我们在低速车削之前要解决车刀乱牙问题。考虑到低速车削时车刀进给速度很慢，我们可以用肉眼来观察车削时螺纹车刀与螺纹牙形槽是否对准，具体操作方法如下： 　　(1)改变工件坐标系，使车刀车螺纹时不接触工件表面，粗车后将粗车刀停在位置X200 Z50处，此时在录入方式下输入G50 X192后执行，即改变了坐标系，相当于将坐标系原点沿X轴正方向移动了4mm，也就是稍大于一个牙高的距离。此时将车床主轴转速调低，如调到25r/min，重新运行程序，粗车刀将车不到工件表面，在接近工件表面的位置移动。如图2所示。 　　 　　(2)使车刀与车出的梯形螺纹槽重新对正，由于车刀进给速度很慢，此时我们可以看出车刀与原先车出的梯形螺纹槽是不重合的，车刀偏移了一小段距离，如图2所示，目的就是要使车刀重新对准车出的梯形螺纹槽。操作的原理跟在数控车床上车削多头螺纹是一样的，就是通过改变螺纹车刀车削前的轴向起点位置来达到目的，即修改上述程序段G00 X40 Z-20中的Z-20。我们可以通过肉眼判断需调整的大慨距离，如可先将Z-20改为-21，运行程序后，发现车刀与车出的梯形螺纹槽还没有完全对正。则再修改Z值，重新运行程序，直到车刀与梯形螺纹槽完全对正。如图3所示。 　　 　　(3)恢复原来的工件坐标系，开始精加工 为了便于理解和不易出错，仍将车刀移到X200 Z50位置，在录入方式下，执行G50 X208，修复原来的工件坐标系，重新运行程序，就可以低速精车梯形螺纹了。精车时也是通过上述改变螺纹车刀车削前的轴向起点位置的方法来修光梯形螺纹的两侧面，同时通过测量，控制切削的次数使螺纹达到尺寸精度的要求。 　　经过实验，在高速与低速车削的转数郁固定时，车刀需要偏移的位移是固定的，有了这个数据，以后在车刀崩刃，或磨损后需换刀时就可以不用再重复调整步骤，直接在低速精车时将车螺纹的起点偏移相应位置就可以了。本文所举加工例子在广州数控机床厂的叫CJK61352ACNC数控车床上完成，当车床主轴转速从560r/min变速到25r/min时梯形螺车刀在Z轴上需向左偏移1.8mm。 　　当然如果在批量生产加工时还是要一次一次地改变螺纹车刀车削前的轴向起点位置来修光梯形螺纹的两侧面，生产效率将大大降低，为了解决这个问题，我们可以将梯形螺纹左右两侧面的加工过程分别编成两个子程序，每次调用时使车刀轴向偏移0.1mm，在工件的首件试切中确定需调用子程序的次数，从而将整个加工过程编入程序当中，即从加工第二件工件时车床就可以一直自动运行下去，直到工件被加工合格。 　　　　 梯形螺纹量规 　　2.变速车削梯形螺纹在简易数控车床上的实现 　　像GSK980T、FANUC-OTE等一些功能较全的数控系统由于有复合指令的存在使得编程变得比较简单，但在一些国产经济型数控车床上却不具备这样的功能。这时我们可以将刚斜进法的粗车过程编成子程序，每调用一次车刀都在X轴和Z轴上进给一小段距离，并在首件试切中确定子程序需被主程序调用的次数。粗车完成后，仍用文中所述方法调试出从高速粗车变为低速精车后螺纹车刀需轴向移动的位移，再把精车螺纹左右侧面的加工过程分别编成子程序，在主程序调用即可。 　　3.几点注意事项 　　(1)切削时加切削液，根据情况看是否要加顶尖。 　　(2)车刀从高速变为低速后要严格对准梯形螺纹槽，操作时要仔细认真，不能马虎。可采用逐步恢复坐标系的方法，即分几次校正车刀，使车刀逐步车削到牙槽底部。 　　(3)梯形螺纹精粗车刀的刀头宽度不能相差太大，不然换刀后会使切削余量过大，发生崩列等问题。 　　(4)对于一些大螺距的螺纹，车削时主轴转速不能过高，需参考机床的最高进给速度，否则会发生失步等问题。 　　4.结论 　　实际的加工证明，以上在数控车床上变速车削梯形螺纹的方法是切实可行的，且取得了很好的加工效果。对于另外一些大螺距三角形螺纹、蜗杆等只需把粗车进刀的方法如斜进法、分层进刀法等编成子程序，调试出从高速粗车变为低速精车后车刀需轴向移动的位移后，也把精车螺纹左右侧面分别编成子程序，在主程序中将其调用就能完成加工。 FANUC数控系统PMC功能的妙用 2009年04月30日 17:28 FANUC 数控系统以其高质量、低成本、高性能 , 得到了广大用户的认可 , 在我公司得到了大量的使用 , 就其系统本身而言 , 经受了连续长时间的工作考验 , 故障率较低。而故障多发于外围行程、限位开关等外围信号检测电路上。 　　在实际工作中 , 了解和熟悉 FANUC 系统丰富的操作功能 , 对外围故障的判断和排除有着事半功倍的作用。 　　在这里 , 举例谈一下使用 FANUC 系统内嵌的强大、易用的 PMC 功能对外围故障的快速判断和排除。 功能 1 　　操作方法 : 按功能键 |SYSTEM| 切换屏幕→按|PMC|软键 , 再按相应的软键 , 便可分别进入 |PMCLAD| 梯形图程序显示功能、|PMCDGN| PMC的 I/0 信号及内部继电器显示功能 、|PMCPRM| PMC 参数和显示功能。 　　应用实例 : 本公司的一台日本立式加工中心使用 FANUC 18i 系统 , 报警内容是 2086 ABNORMAL PALLET CONTACT(M/C SIDE), 查阅机床说明书 , 意思是“加工区侧托盘着座异常 ", 检测信号的 PMC 地址是 X6.2 。该加工 中心的 APC 机构是双托盘大转台旋转交换式 , 观察加工区内堆积了大量的铝屑 , 所以判断是托盘底部堆积了铝屑 , 以至托盘底座气检无法通过。但此时报警无法消除 , 不能对机床作任何的操作。在 FANUC 系统的梯形图编程语言中规定 , 要在屏幕上显示某一条报警信息 , 要将对应的信息显示请求位 (A 线圈 ) 置为 "1", 如果置为 "0" ，则清除相应的信息。也就是说 , 要消除这个报警 , 就必须使与之对应的信息显示请求位 (A), 置为 "0" 。按|PMCDGN|→|STATUS|进入信号状态显示屏幕 , 查找为 "1" 的信息显示请求位 ( A）时 , 查得 A10.5 为 "1" 。于是 , 进入梯形图程序显示屏幕 |PMCLAD|, 查找 A10.5 置位为 "1" 的梯形图回路 , 发现其置位条件中使用了 一个保持继电器的K9.1 常闭点 , 此时状态为 "0" 。查阅机床维修说明书 ,K9.1 的含义是 : 置 "1" 为托盘底座检测无效。 　　故障排除过程 : 在 MDI状态下 , 用功能键 |OFFSET SETTING| 切换屏幕 , 按|SETTING|键将" 参数写人 " 设为 "1", 再回到|PMCPRM| 屏幕下 , 按 |KEEPRL| 软键进入保持型继电器屏幕 , 将 K9.1置位为“1”。按报警解除按钮 , 这时可使A10.5 置为"0", 便可对机床进行操作。将大转台抬起旋转 45度, 拆开护板 , 果然有铝屑堆积 , 于是将托盘底部的铝屑清理干净。将K9.1和 " 参数写人 " 设回原来的值"0"。多次进行APC操作 , 再无此报警 , 故障排除。 功能 2 　　在 FANUC 系统的梯形图编程语言中 ,F 是来自 NC 侧的输入信号 (NC → PMC), 而 G 是由 PMC 输出到 NC 的信 号 (PMC → NC)。其中 ,G130 是 PMC 输出到 NC 侧的各轴互锁信号 , 当其中某一位被置为 "1" 时 , 允许对应的伺服轴移动 ；为 "0" 时 , 禁止对应的伺服轴移动。 　　应用实例 : 一国产加工专机使用 FANUC　21M 系统 , 执行原点返回的 NC 程序时 , 当执行到 "G91 G28 GOO ZO;" 时 ,Z 轴无动作 ,CNC 状态栏显示为 "MEM STRT MTN ***", 即 Z 轴移动指令已发出。用功能键|MESSAGE| 切换屏幕 , 并无报警信息。用功能键 |SYSTEM| 切换屏幕 , 按“诊断”软键 , 这时005(INTERLOCK/START-LOCK) 为 "1", 即有伺服轴进入了互锁状态。 　　故障排除过程 : 进入梯形图程序显示功能屏幕 , 发现与 Z 轴对应的互锁信号 G130.0 的状态为 "0", 即互锁信号被输入至 NC, 检查其互锁原因 , 发现是一传感器被铝屑污染。擦拭后 , 将 G130.0 置为 "1", 互锁解除 , 重新启动 原点返回的 NC 程序 , 动作正常 , 故障排除。 功能 3 　　PMC 中的眼踪功能 (TRACE) 是一个可检查信号变化的履历 , 记录信号连续变化的状态 , 特别对一些偶发性的、特殊故障的查找、定位起着重要的作用。用功能键 |SYSTEM| 切换屏幕 , 按|PMC|软键→ |PMCDGN| →{TRACE|即可进入信号跟踪屏幕。 　　应用实例 : 某国产加工中心使用的是 FANUC Oi 系统。在自动加工过程 ,NC 程序偶尔无故停止 , 上件端托盘已装夹好的夹爪自动打开 ( 不正常现象 ),CNC 状态栏显示 MEM STOP *** , 此时无任何报警信息 , 检查诊断画面 , 并未发现异常 , 按 NC 启动便可继续加工。经观察 ,CNC 都是在执行 M06( 换刀 ) 时停止 , 主要动作是 ATC 手臂旋转和主轴 ( 液压 ) 松开 / 拉紧刀具。 　　故障排除过程 : 使用梯形图显示功能 , 追查上件侧的托盘夹爪 (Y25.1) 置为 "1" 的原因 ( 估计与在自动加工过程 , 偶尔无故停止故障有关 ) 。经查 , 怀疑与一加工区侧托盘夹紧的检测液压压力开关 (X1007.4) 有关。于是 , 使用|TRACE|信号跟踪功能 , 在自动加工过程中 , 监视 X1007.4的变化情况。当 NC 再次在 M06 执行时停止 , 在|TRACE|屏幕上 , 跟踪到 X1007.4在 CNC 无故停止时的一个采样周期从原来的状态 "1" 跳转为 "0", 再变回 "1", 从而确认该压力开关有问题。调整此开关动作压力 , 但故障依旧。于是将此开关更换 , 故障排除。事后分析 , 引起这个故障原因是主轴松开 / 夹紧工具时 , 液压系统压力有所波动 ( 在合理的波动范围内 ), 而此压力开关作出了反应以致造成在自动加工过程中 ,NC程序偶尔无故停止的故障。