殷 豪，孟慶津，吳 東

（中國工程物理研究院　機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621900）

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基于模塊化設(shè)計的管螺紋數(shù)控車削程序開發(fā)

殷 豪，孟慶津，吳 東

（中國工程物理研究院機(jī)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的編程能力，以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為例，通過對管螺紋結(jié)構(gòu)及對機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)編程能力的分析，闡述了定義系統(tǒng)用戶宏程序代碼的方法，實現(xiàn)了程序參數(shù)輸入數(shù)量的優(yōu)化設(shè)計。通過實際應(yīng)用，驗證了程序開發(fā)技術(shù)的可行性以及編程的高效性。

關(guān)鍵詞：管螺紋；車削；宏程序；模塊化設(shè)計

0　引言

管螺紋作為管道聯(lián)接的一種形式，廣泛地應(yīng)用于輸送液體、氣體的中小尺寸管路的聯(lián)結(jié)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(shù)控加工中心成形銑刀加工以及數(shù)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(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)、加工方法均相同。因此，針對不同型號尺寸的產(chǎn)品，需重復(fù)編制程序。并且，目前數(shù)控車床加工圓錐管螺紋的常用指令為螺紋切削復(fù)合循環(huán)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(diǎn)，切削起點(diǎn)與終點(diǎn)的半徑差等基點(diǎn)數(shù)值的計算較為繁瑣，極易出錯，嚴(yán)重影響產(chǎn)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(shù)控系統(tǒng)為研究對象，通過定義系統(tǒng)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(diào)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(shè)計

FANUC數(shù)控系統(tǒng)是通過G代碼控制機(jī)床運(yùn)動的［4］。為開發(fā)管螺紋專用指令代碼，需定義系統(tǒng)用戶宏程序，利用常規(guī)螺紋切削G代碼、輔助G代碼和變量計算相結(jié)合的模塊化設(shè)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(guī)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(fù)次數(shù)、最小切削深度、精車預(yù)留量等加工信息的指令代碼，可內(nèi)置于螺紋切削復(fù)合循環(huán)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(chǔ)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(yùn)行流程如圖1所示。

圖1　管螺紋車削指令代碼運(yùn)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(shù)。螺紋結(jié)構(gòu)形式的分類在判定模塊中完成，根據(jù)判定結(jié)果分別進(jìn)行幾何參數(shù)計算。計算結(jié)果最終輸入螺紋切削復(fù)合循環(huán)指令和輔助指令可完成刀位點(diǎn)計算并控制機(jī)床加工運(yùn)動。

2　指令程序模塊技術(shù)實現(xiàn)

2.1參數(shù)優(yōu)化分析

計算模塊中各參數(shù)之間的計算與傳遞是管螺紋車削指令代碼的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先，需對管螺紋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以便以最少的參數(shù)個數(shù)將其進(jìn)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(shù)。直接利用其進(jìn)行編程雖然可行，但極其繁瑣［3］。通過對該螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)某些參數(shù)間具有耦合關(guān)系而并非完全獨(dú)立，可進(jìn)行參數(shù)簡化，優(yōu)化后的輸入?yún)?shù)減為4個。因此，給所設(shè)計的管螺紋車削指令代碼G77設(shè)定4個地址，分別代表4個參數(shù)。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(zhǔn)距離l，地址C代表螺紋基準(zhǔn)直徑的大徑D，地址I代表螺紋的有效長度L。

2.2參數(shù)傳遞過程分析

簡化后的4個參數(shù)并不能直接輸入控制模塊，根據(jù)圖1所示螺紋結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系可推導(dǎo)參數(shù)傳遞矩陣，如式（1）所示。

其中u、w、i、k、f、Δd為螺紋切削復(fù)合循環(huán)指令G76輸入?yún)?shù)，各參數(shù)根據(jù)不同數(shù)控系統(tǒng)有所不同，具體含義可參看數(shù)控車床編程手冊。j為螺紋類型判定系數(shù)，當(dāng)j=1，即進(jìn)刀定位時X值大于基面直徑D時，為外螺紋；當(dāng)j=0，即進(jìn)刀定位時X值小于基面直徑D時，為內(nèi)螺紋。對FANUC數(shù)控系統(tǒng)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(shù)往往是常量，因此可內(nèi)置于宏程序中，避免參數(shù)重復(fù)輸入。第二條指令包含幾何信息，通過上述參數(shù)傳遞矩陣，可將宏程序輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)化為該指令可使用的參數(shù)。此外，某些輔助指令需要特定的參數(shù)，但參數(shù)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(diào)用

指令代碼封裝是將開發(fā)的宏程序模塊轉(zhuǎn)換成機(jī)床本體指令，其方法是在系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)置G代碼數(shù)字與對應(yīng)地址參數(shù)和開發(fā)宏程序號［4］。宏程序編制完成后經(jīng)調(diào)試在MDI狀態(tài)下將參數(shù)#6050～#6059變量定義為用戶專用G代碼，程序號設(shè)定為O9010～O9019，恢復(fù)參數(shù)保護(hù)后即可完成參數(shù)封裝。本文宏程序號為O9017，將6057號參數(shù)改為所定義的G代碼號77，可直接進(jìn)行調(diào)用。

3　應(yīng)用實例

以車削R1/8圓錐外螺紋為例，采用所開發(fā)的管螺紋切削程序G77指令對其進(jìn)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(shù)，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(nèi)、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(yīng)用實例

本文通過深入分析管螺紋結(jié)構(gòu)以及數(shù)控車床系統(tǒng)指令，對管螺紋加工程序進(jìn)行模塊化設(shè)計，編寫了系統(tǒng)用戶宏程序代碼，并用于實際生產(chǎn)，具體如下：

1）開發(fā)的管螺紋車削加工專用指令，避免了參數(shù)的人工計算?？蓪崿F(xiàn)多種尺寸規(guī)格管螺紋程序的快捷編制，提高生產(chǎn)效率。

2）對管螺紋加工編程進(jìn)行了參數(shù)輸入優(yōu)化和參數(shù)傳遞矩陣建模，大量產(chǎn)品的實際生產(chǎn)證明了其精確性與可靠性。

3）模塊化的設(shè)計便于程序的調(diào)試與更改，減少重復(fù)編程工作，便于后續(xù)持續(xù)開發(fā)與改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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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(xiàn)標(biāo)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(shù)控精密加工及研究。