蒙 斌，吳 凡

（1.寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏永寧中學(xué)，寧夏 銀川 750021）

1 引言

加工中心是帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，零件一次裝夾就可完成銑、鉆、鏜、擴(kuò)、鉸等多道工序。而不同的刀具就會(huì)有長(zhǎng)度的差異，必須知道每把刀的長(zhǎng)度，才能在使用中運(yùn)用刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能。常規(guī)的方法是采用機(jī)外對(duì)刀儀測(cè)量每把刀的長(zhǎng)度，這就必須專(zhuān)門(mén)購(gòu)買(mǎi)機(jī)外對(duì)刀儀，必然會(huì)增加成本，而平時(shí)不使用時(shí)又會(huì)造成資源的閑置和浪費(fèi)。除此之外，也可以使用試切法確定實(shí)際刀具與標(biāo)刀之間的長(zhǎng)度差異，但這種方法確定的刀具長(zhǎng)度值不夠精確，而且每把刀的長(zhǎng)度測(cè)量都需要進(jìn)行手動(dòng)操作試切，會(huì)很繁瑣，而且增加了對(duì)刀的輔助時(shí)間，降低了整個(gè)零件加工的效率。應(yīng)用宏程序編制刀具長(zhǎng)度的在線自動(dòng)測(cè)量程序，就可以簡(jiǎn)便的確定出每把刀具的長(zhǎng)度補(bǔ)償值，直接存入其補(bǔ)償寄存器中，從而使得刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)慕⒉僮骺旖荨⒏咝1]。下面以FANUC0i系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明。

2 跳轉(zhuǎn)指令的應(yīng)用

2.1 跳轉(zhuǎn)指令的功能

G31跳轉(zhuǎn)指令主要用于和數(shù)控機(jī)床上的測(cè)量傳感器一起使程序的執(zhí)行發(fā)生跳轉(zhuǎn)。G31一般用于自動(dòng)測(cè)量時(shí)的跳轉(zhuǎn)，需要外部輸入信號(hào)來(lái)觸發(fā)，輸入信號(hào)的地址是X4.7（信號(hào)名SKIP）。程序執(zhí)行時(shí)，如果沒(méi)有SKIP信號(hào)輸入，則G31和G01的作用完全一樣。如果 SKIP 信號(hào)由“0”置“1”，則在 SKIP 信號(hào)置“1”的位置中止現(xiàn)行程序段的執(zhí)行，并清除剩余的運(yùn)動(dòng)量，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行下一個(gè)程序段，并將4個(gè)進(jìn)給軸的當(dāng)前坐標(biāo)值存儲(chǔ)在#5061～#5064這4個(gè)系統(tǒng)變量（具體作用后面見(jiàn)表3）中，供刀具長(zhǎng)度測(cè)量程序在自動(dòng)計(jì)算刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償時(shí)調(diào)用[2]。

2.2 跳轉(zhuǎn)指令的格式

指令格式：G31 Z___；

G31為非模態(tài)指令，Z后數(shù)值為未跳轉(zhuǎn)時(shí)Z軸的指令位置。

在執(zhí)行G31G91X100.0；Y50.0；時(shí)，如果沒(méi)有跳過(guò)信號(hào)，如圖1所示。則按圖中的虛線執(zhí)行，即按程序指令位置執(zhí)行，如果跳過(guò)信號(hào)有效，則按圖中實(shí)線執(zhí)行，而剩余運(yùn)動(dòng)量不再執(zhí)行。

圖1 G31跳轉(zhuǎn)功能的執(zhí)行Fig.1 Execution of G31 Jump Function

3 宏指令的功能及應(yīng)用

3.1 宏指令的功能

目前的數(shù)控系統(tǒng)對(duì)于常規(guī)的直線和圓弧輪廓，可以直接采用直線和圓弧插補(bǔ)指令編程，而對(duì)于非圓曲線輪廓（如橢圓、拋物線等），則沒(méi)有直接的插補(bǔ)指令，必須借助于系統(tǒng)的宏指令功能，采用直線或圓弧小段不斷逼近曲線輪廓，從而實(shí)現(xiàn)非圓曲線輪廓的編程，這是宏指令功能的最基本應(yīng)用[3]。但宏指令的功能遠(yuǎn)比這種應(yīng)用要強(qiáng)大，借助于該功能用戶(hù)可以在數(shù)控系統(tǒng)基本編程功能不能滿(mǎn)足需要時(shí)進(jìn)行編程功能的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)簡(jiǎn)化編程、自動(dòng)去余量編程、縮放編程、循環(huán)編程等功能。也可以利用宏功能對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的控制功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)刀具補(bǔ)償和刀具管理等功能[4]。

3.2 宏變量的使用

表1 FANUC 0i系統(tǒng)的宏變量Tab.1 Macro Variables of FANUC 0i System

3.2.1 宏變量

#加變量號(hào)即可構(gòu)成一個(gè)宏變量，如#1，#10，#100等，宏變量可以賦值、運(yùn)算，可以被調(diào)用。

3.2.2 宏變量賦值

可以把常亮、變量、表達(dá)式的值賦給一個(gè)宏變量。如#1=10，#1=#1+1，#1=#2*SIN［#3］，都是宏變量賦值的形式。如果給變量#1賦值#1=100，則常規(guī)編程G01X10Y10F100可寫(xiě)成G01X10Y10F#1，這樣常規(guī)編程變?yōu)閹в泻曜兞康木幊獭?/p>

3.2.3 宏變量的類(lèi)型

FANUC0i系統(tǒng)宏變量的類(lèi)型，如表1所示。通常在編寫(xiě)一般宏程序時(shí)只用局部變量實(shí)現(xiàn)賦值和運(yùn)算即可，但在用于讀寫(xiě)CNC運(yùn)行過(guò)程中各種數(shù)據(jù)時(shí)，就需要用到系統(tǒng)變量。系統(tǒng)變量有只讀的，也有可讀寫(xiě)的。比如#3901是用于已加工零件計(jì)數(shù)的，如果在MDI方式下輸入#3901=100，然后執(zhí)行一下，則已加工零件的計(jì)數(shù)就變成100了[5]。系統(tǒng)變量有很多功能的，用系統(tǒng)變量可以讀和寫(xiě)刀具補(bǔ)償值，在編寫(xiě)刀具長(zhǎng)度自動(dòng)測(cè)量時(shí)用到的系統(tǒng)變量，如表2所示。

表2 與刀具補(bǔ)償值有關(guān)的系統(tǒng)變量Tab.2 System Variables Associated with Tool Compensation Values

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，具體要用到的系統(tǒng)變量數(shù)可根據(jù)所使用的刀具數(shù)及刀補(bǔ)數(shù)確定，有時(shí)還要將刀具長(zhǎng)度分為有外形有關(guān)的補(bǔ)償和與刀具磨損有關(guān)的補(bǔ)償，這樣需要的系統(tǒng)變量數(shù)就會(huì)多。而當(dāng)?shù)稁?kù)容量小或者需要的刀補(bǔ)數(shù)少時(shí)，只使用變量#2001～#2400就足夠了[6]。

在使用跳轉(zhuǎn)功能時(shí)，還需要獲取刀具當(dāng)前位置信息，所以還需要用到與位置信息有關(guān)的系統(tǒng)變量，如表3所示。

表3 與位置信息有關(guān)的系統(tǒng)變量Tab.3 System Variables Related to Location Information

表3中第1位代表軸號(hào)（從1～3）。如前所述，當(dāng)G31程序段中跳轉(zhuǎn)信號(hào)接通時(shí)，刀具位置就會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在系統(tǒng)變量#5061～5063，當(dāng)G31程序段中跳轉(zhuǎn)信號(hào)接未通時(shí)，這些變量中存儲(chǔ)指定程序段的終點(diǎn)值[7]。

4 刀具長(zhǎng)度自動(dòng)測(cè)量

4.1 測(cè)量步驟及注意事項(xiàng)

為了自動(dòng)獲取刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值，用宏程序編制使用接觸式傳感器自動(dòng)測(cè)量刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值的程序，如圖2所示。

具體測(cè)量動(dòng)作如下：

（1）在XY面上將刀具快速定位到測(cè)量位置上。

（2）給定當(dāng)前刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值。

（3）Z軸向下移動(dòng)#1的距離（移至測(cè)量趨近點(diǎn)）。

（4）使用G31跳轉(zhuǎn)功能，使Z軸向下移動(dòng)2*#2的距離。

（5）進(jìn)行長(zhǎng)度補(bǔ)償值測(cè)量，隨后Z軸返回測(cè)量起始點(diǎn)。

系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償量，寫(xiě)入相應(yīng)的刀具補(bǔ)償存儲(chǔ)器中。

圖2 刀具長(zhǎng)度自動(dòng)測(cè)量Fig.2 Automatic Measurementof Tool Length

這里需要注意的是，存儲(chǔ)在系統(tǒng)變量#5063中的Z軸的跳轉(zhuǎn)信號(hào)位置是讀取跳轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)的指令位置。而機(jī)床的伺服系統(tǒng)都存在伺服位置偏差量，在確定跳轉(zhuǎn)信號(hào)位置時(shí)，必須考慮伺服位置偏差量。從系統(tǒng)自動(dòng)讀取的跳步位置減去伺服位置偏差量，即可求出正確的跳轉(zhuǎn)信號(hào)位置[8]。

通常跳轉(zhuǎn)功能在進(jìn)給速度倍率模式時(shí)無(wú)效，在計(jì)算伺服位置偏差量時(shí)，是按如下公式進(jìn)行。

伺服回路增益由參數(shù)1825中得到。

進(jìn)給跳轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取診斷畫(huà)面顯示的伺服位置偏差量。伺服位置偏差的診斷號(hào)為300號(hào)。從上面公式可以看出，改變跳轉(zhuǎn)進(jìn)給功能的進(jìn)給速度時(shí)，伺服位置偏差量也會(huì)發(fā)生變化[9-10]。

4.2 測(cè)量程序的調(diào)用

這里使用非模態(tài)調(diào)用指令G65，其調(diào)用格式為：

G65 P__L__＜自變量表＞；

P為被調(diào)用的程序號(hào)，L為重復(fù)調(diào)用次數(shù)，自變量表為傳遞到宏變量的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

4.3 測(cè)量程序編寫(xiě)

（1）調(diào)用程序編寫(xiě)

G65P1111Hh；

H為刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償號(hào)（#11）。

（2）測(cè)量宏程序編寫(xiě)

O1111；

#20=#4001；G00、G01、G02、G03 等模態(tài)信息

#21=#4003；G90、G91等模態(tài)信息

#22=#4109；F代碼

#1=300；原點(diǎn)與趨近點(diǎn)的距離

#2=100；傳感器與趨近點(diǎn)的距離

G28G91Z0；

#4=#5003；存機(jī)床原點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)值（在工件坐標(biāo)系中）

G00G90G53X200.0Y150.0；在機(jī)床坐標(biāo)系中使X、Y軸快速定位到傳感器上方

G91G43Z-#1H#11；Z軸快速下移#1的距離到趨近點(diǎn)，長(zhǎng)度補(bǔ)償有效

#5=#5003-#2；計(jì)算傳感器表面絕對(duì)坐標(biāo)值（在工件坐標(biāo)系中）

G31Z-［#2*2］F300；使用跳轉(zhuǎn)功能測(cè)量

G00G90G49Z#4；Z軸退回測(cè)量起始點(diǎn)（機(jī)床原點(diǎn)）

#6=#5063-#［11000+#11］；接觸到傳感器時(shí)的絕對(duì)坐標(biāo)（在工件坐標(biāo)系中）

IF［#6LE［#5-#2］］GOTO8；若刀具長(zhǎng)度不夠沒(méi)接觸到傳感器，則轉(zhuǎn)到N8

#［11000+#11］=#5063-#5；求刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值，存入補(bǔ)償號(hào)#11對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)變量 #［11000+#11］中

G#20G#21F#22；讀取當(dāng)前模態(tài)代碼信息

M99；

N8#3000=1（無(wú)法測(cè)量）；

4.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了驗(yàn)證程序自動(dòng)測(cè)量的正確性，編制確認(rèn)程序進(jìn)行驗(yàn)證，如圖3所示。將接觸式傳感器固定在機(jī)床工作臺(tái)上，其中心在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置為X200、Y150，將其檢測(cè)接口與PLC的輸入端連接，輸入信號(hào)（SKIP）的地址是X4.7。加工中心上安裝有兩把刀，1號(hào)刀的長(zhǎng)度為100，2號(hào)刀的長(zhǎng)度為120。先將1號(hào)刀換到主軸上，作為標(biāo)刀進(jìn)行對(duì)刀，以傳感器上表面為Z向零點(diǎn)，再將2號(hào)刀換到主軸上，用測(cè)量宏程序通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量2號(hào)刀的長(zhǎng)度補(bǔ)償值。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)得到PLC的觸發(fā)信號(hào)，即SKIP信號(hào)由“0”置“1”時(shí)，G31指令便會(huì)發(fā)生跳轉(zhuǎn)，緊接著由測(cè)量宏程序自動(dòng)完成2號(hào)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值的測(cè)量及存儲(chǔ)。按下面的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 刀具長(zhǎng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Experiment Site of Tool Length Measurement

（1）在1號(hào)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)刂分校斎霚y(cè)量前的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償量100.0。

（2）執(zhí)行下列程序，確認(rèn)動(dòng)作。

O0001；

G28G91X0Y0Z0；

G92X0Y0Z400.0；

G65P1111H1；

M30；

（3）用G31指令Z軸下降時(shí)，當(dāng)?shù)毒呓佑|到傳感器表面時(shí)，輸入跳轉(zhuǎn)信號(hào)。

（4）程序結(jié)束后，查看刀具補(bǔ)正畫(huà)面，如圖4所示。1號(hào)長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)刂分性O(shè)定的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償量為20。

圖4 刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值的自動(dòng)測(cè)量結(jié)果Fig.4 Automatic Measurement Result of Tool Length Compensation Value

4.5 結(jié)果分析

（1）測(cè)量起點(diǎn)絕對(duì)位置#4=400；（2）趨近點(diǎn)絕對(duì)位置#4-#1=100；（3）傳感器表面絕對(duì)位置 #5=#5003-#2=100-100=0；（4）由于 2號(hào)刀比1號(hào)刀長(zhǎng)20，刀具接觸到傳感器時(shí)的跳轉(zhuǎn)位置#5063=20；（5）刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值 #［11000+#11］=#5063-#5=20。通過(guò)分析，刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值應(yīng)為20，而實(shí)驗(yàn)得出的1號(hào)長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)刂分性O(shè)定的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償量為也20，理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果說(shuō)明這種方法的正確性和可行性，用宏功能編制程序?qū)崿F(xiàn)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償量的自動(dòng)測(cè)量，不需要購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)門(mén)的對(duì)刀儀，既節(jié)省了成本，又方便機(jī)床操作者使用，可以廣泛應(yīng)用在加工中心刀具自動(dòng)換刀時(shí)的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償設(shè)置中。