王 健，陳 琳

（佛山市技師學(xué)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(tǒng)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(qiáng)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(shù)控機(jī)床的不斷普及，由于其對工人的勞動強(qiáng)度低、工序集中、效率高、操作方便靈活的特點(diǎn)，越來越多的孔系零件被安排在數(shù)控機(jī)床上加工。但普通加工程序數(shù)據(jù)繁雜，要怎樣對數(shù)控加工程序進(jìn)行簡化，避免計(jì)算錯(cuò)誤，且易于修改，才能完成孔系的加工。

2 固定循環(huán)指令的基本概念

以FANUC為例的鉆孔循環(huán)指令（見表1）。

表1 FANUC為例的鉆孔循環(huán)指令

在數(shù)控加工中，孔加工的動作循環(huán)基本已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。一般動作可分為：孔位置定位、快速移至R面、工進(jìn)加工和快速退回等，如圖1 所示。系統(tǒng)將這樣一系列的加工動作預(yù)先編好程序存儲在系統(tǒng)中，再通過孔加工循環(huán)代碼調(diào)用實(shí)現(xiàn)簡化編程工作。這樣的動作循環(huán)G代碼稱為循環(huán)指令。

圖1 盤類零件

以FANUC系統(tǒng)鉆孔循環(huán)為例格式如下：

G98（G99）G90（G91）G_X_Y_Z_R_F_Q_K_

參數(shù)說明：

（1）X、Y為加工孔位置坐標(biāo)。

（2）Z為孔底坐標(biāo)，G90時(shí)Z為孔底坐標(biāo)，G91時(shí)Z為R點(diǎn)位置到孔底的距離（一般為負(fù)值）。

（3）R為安全平面位置。G90 時(shí)為R面的坐標(biāo)位置，G91時(shí)為初始點(diǎn)到R面的距離（一般為負(fù)值）。

（4）F為鉆孔切削進(jìn)給速度。

（5）當(dāng)G83時(shí)Q為每次進(jìn)給深度。

（6）K為鉆孔重復(fù)次數(shù)。

3 研究的主要內(nèi)容與方法

本文主要研究的主要內(nèi)容是在傳統(tǒng)的圓周、矩形陣列孔系加工編程中，程序繁多、數(shù)據(jù)計(jì)算量大、數(shù)值復(fù)雜等問題，導(dǎo)致加工中容易出錯(cuò)引發(fā)事故；通過運(yùn)用增量編程、宏程序編程、子程序編程、極坐標(biāo)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(shí)用性。

4 圓周孔系的編程方法

圓周孔系是指按一定規(guī)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(huán)指令也相同，不同的是每一個(gè)孔的位置不同。同一個(gè)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(huán)指令即可。所以，編程時(shí)的關(guān)鍵和難點(diǎn)在于如何確定孔的位置。

4.1 傳統(tǒng)坐標(biāo)編程法

坐標(biāo)編程法是指通過數(shù)學(xué)計(jì)算的方式計(jì)算出加工孔的位置坐標(biāo)值，再將所計(jì)算的位置坐標(biāo)值等數(shù)據(jù)編入鉆孔循環(huán)程序段中，運(yùn)行該程序，鉆孔即可完成。使用這種方法計(jì)算量較大，數(shù)據(jù)繁瑣且容易計(jì)算錯(cuò)誤，程序段多，在系統(tǒng)中輸入程序時(shí)，由于數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的小數(shù)位較多，極易造成輸入錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致零件加工報(bào)廢甚至損壞機(jī)床。

編程過程如下：根據(jù)圖1所示零件計(jì)算得出孔1、2、3的中心坐標(biāo)并編程：

孔1：（X153.341，Y41.088）。

孔2：（X112.253，Y112.253）。

孔3：（X41.088，Y153.341）。

根據(jù)計(jì)算坐標(biāo)數(shù)據(jù)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(gè)孔的鉆孔加工，至少需要12個(gè)以上的鉆孔程序段，程序數(shù)據(jù)復(fù)雜，空位置數(shù)值小數(shù)多，容易出錯(cuò)。這種編程方法在有規(guī)律的孔系中顯得笨拙，但在沒有規(guī)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(chǎn)生累積誤差，孔的定位精度較高。

4.2 宏程序與極坐標(biāo)結(jié)合編程法

宏程序可以運(yùn)用變量進(jìn)行編程，在程序中可以對變量進(jìn)行賦值，同時(shí)變量之間還可以進(jìn)行算術(shù)與邏輯運(yùn)算，改變執(zhí)行順序。

極坐標(biāo)可將一般的直角坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)變?yōu)榘霃胶徒嵌缺磉_(dá)，減少了對圓周孔系的位置計(jì)算。

宏程序的變量及變量引用、變量運(yùn)算：

變量表示方法（FANUC 為例）：一個(gè)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(tǒng)變量。

變量引用：將地址附后的數(shù)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(yùn)算：變量之間可進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的次序依次為函數(shù)運(yùn)算（SIN、ASIN、COS等）、乘和除運(yùn)算（*、/、AND 等）、加和減運(yùn)算（+、-、OR等）。如：#1=#2-#3*SIN[#4]。

條件表達(dá)式：

格式：IF[（條件表達(dá)式）] GOTOn ；

如：IF[#10 GT 0] GOTO 2；表示如果表達(dá)式條件滿足時(shí)，將轉(zhuǎn)移到N2的程序段。如果條件不滿足，將執(zhí)行下一個(gè)程序段。

極坐標(biāo)指令格式

G16 X Y （開啟極坐標(biāo)編程）

G15（取消極坐標(biāo)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(biāo)的轉(zhuǎn)換確定每個(gè)孔的中心位置，簡化了計(jì)算工作，再使用變量簡化程序?，F(xiàn)以FANUC系統(tǒng)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(zhuǎn)、轉(zhuǎn)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(biāo)編程，定位至孔位置

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

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(biāo)編程、抬刀

N110 M30;

由上述程序可見，用宏程序和極坐標(biāo)編程，省略了計(jì)算過程，避免了計(jì)算產(chǎn)生的錯(cuò)誤，程序簡潔，一個(gè)完整的程序也只有11個(gè)程序段，前5段為程序頭及變量賦值，程序的長短與孔的個(gè)數(shù)無關(guān)。通用性強(qiáng)。如要加工不同圓周、不同數(shù)量或不同深度的孔系，都只需改變相應(yīng)的變量賦值就可以，不需修改程序，可作為企業(yè)不同系列圓周孔系的很好模板。

4.3 增量方式與極坐標(biāo)結(jié)合編程法

固定循環(huán)的增量方式編程是指以增量的形式對固定循環(huán)中的數(shù)值進(jìn)行指定，對相對位置固定的孔系加工編程應(yīng)用相當(dāng)方便，只需在一個(gè)循環(huán)指令中指定相對的位置及重復(fù)的次數(shù)即可，再與極坐標(biāo)相結(jié)合完成圓周孔系的編程。

增量方式在固定循環(huán)中的應(yīng)用（FANUC為例）：

G98(G99) G91 G83 X_Y_Z_R_Q_K_F_;

參數(shù)說明：

G91：增量方式

G83：鉆孔固定循環(huán)

X、Y：G91時(shí)為當(dāng)前位置到加工孔的距離

Z：G91 時(shí)Z為R點(diǎn)位置到孔底的距離（一般為負(fù)值）。

R：為安全平面位置。G90 時(shí)為R面的坐標(biāo)位置，G91時(shí)為初始點(diǎn)到R面的距離（一般為負(fù)值）。

F：為鉆孔切削進(jìn)給速度。

Q：當(dāng)G83時(shí)Q為每次進(jìn)給深度。

K：為鉆孔重復(fù)次數(shù)。

如圖2 所示零件，同樣使用極坐標(biāo)的方式確定加工孔的位置坐標(biāo)，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(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速250r/min、冷卻液開

G16 G98 G83 X158.75. Y15. Z- 120. R5.Q5. F100;啟用極坐標(biāo)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(fù)11次，加工余下11個(gè)孔。

G15 G90 G80;

M30;

由上述程序可以看出，使用增量方式與極坐標(biāo)結(jié)合的方法，相對于上一種方法更為簡潔，免去了計(jì)算過程同時(shí)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(fù)次數(shù)即可。

5 矩形陣列孔系的編程方法

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

圖2 矩形孔系零件

5.1 傳統(tǒng)坐標(biāo)編程法

傳統(tǒng)坐標(biāo)編程法通過每一個(gè)加工孔坐標(biāo)輸入到孔加工程序中，運(yùn)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(shù)據(jù)量非常大，程序段多，在輸入時(shí)耗費(fèi)時(shí)間及容易出現(xiàn)輸入錯(cuò)誤，從而發(fā)生浪費(fèi)或事故。根據(jù)圖3所示零件各孔位置尺寸計(jì)算坐標(biāo)并編程：

圖3 矩形孔系零件

（以零件左下角作為原點(diǎn)）

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(tǒng)的坐標(biāo)編程法在孔較多的孔系中顯得笨拙，上圖100個(gè)孔完全使用傳統(tǒng)坐標(biāo)編程的話程序段至少需要100段以上，而且需要計(jì)算各孔的位置坐標(biāo)，但在沒有規(guī)律排列及較少的孔加工中應(yīng)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(jié)合的編程方法

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

以FANUC系統(tǒng)為例子程序功能介紹：

當(dāng)加工程序需要多次運(yùn)行一段同樣的軌跡時(shí)，可將這段軌跡編成子程序存儲在機(jī)床的程序存儲器中，每次在程序中需要執(zhí)行這段軌跡時(shí)便可以調(diào)用該子程序。

子程序格式：

O×××× 子程序名

………;

………; 程序內(nèi)容

M99; 返回主程序

在主程序中，調(diào)用子程序的格式：

M98 P×××××;

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

M98 P51001; 調(diào)用1001號子程序，調(diào)用5次。

M98 P1001; 調(diào)用1001號子程序，調(diào)用1次。

宏功能及增量方式在圓周孔系中以有相應(yīng)介紹，在此不再作相應(yīng)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(jié)合的方法進(jìn)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(zhuǎn)，轉(zhuǎn)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(gè)孔

N70 M98 P1001; 調(diào)用子程序，調(diào)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(jié)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(huán)，重復(fù)9次加工出一排余下9個(gè)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(jié)合的編程方法大大減小了程序的復(fù)雜性，簡化了程序，100 個(gè)孔一條完整的程序也才只有十多段程序，避免了孔位計(jì)算減小了勞動強(qiáng)度。

6 結(jié)論

通過上述各種編程方法的比較，傳統(tǒng)坐標(biāo)編程比較原始，計(jì)算量較大容易出錯(cuò)，但在沒有規(guī)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(biāo)簡化了孔位置的計(jì)算，使用宏功能及增量方式減少了程序量，適應(yīng)不同直徑圓周分布、不同數(shù)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(biāo)的重復(fù)輸入，增量方式避免了孔位置坐標(biāo)的計(jì)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(xiàn)更強(qiáng)大的優(yōu)越性，不但程序簡單，而且計(jì)算方便，通用性也很強(qiáng)。