魏國(guó)豐

(黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

FANUC系統(tǒng)數(shù)控車(chē)削G71指令編程研究

魏國(guó)豐

(黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

軸類(lèi)零件在進(jìn)行數(shù)控粗車(chē)時(shí)需把每一刀的路徑軌跡都計(jì)算出來(lái)，用來(lái)描述這些軌跡。這將導(dǎo)致計(jì)算量太大，且容易出錯(cuò)。如果采用復(fù)合固定循環(huán)指令G71可以按照?qǐng)D紙尺寸計(jì)算基點(diǎn)，簡(jiǎn)化編程，提高生產(chǎn)效率。為了更好地掌握該指令的使用方法，基于實(shí)例分析，詳細(xì)研究G71I類(lèi)和II類(lèi)指令的使用特點(diǎn)、編程禁忌和技巧等。結(jié)果表明：只有掌握G71I類(lèi)和II類(lèi)指令編程的不同要求，才能編制合格程序，達(dá)到高效加工的目的。

FANUC系統(tǒng)；數(shù)控車(chē)削；復(fù)合循環(huán)；G71；凹凸形狀變化

FANUC系統(tǒng)數(shù)控車(chē)削中固定循環(huán)指令是一種簡(jiǎn)化編程的指令，類(lèi)似于宏指令。一般分為簡(jiǎn)單固定循環(huán)(單一固定循環(huán))和復(fù)合固定循環(huán)(多重循環(huán))指令兩類(lèi)。簡(jiǎn)單固定循環(huán)編程指令雖然比基本指令能簡(jiǎn)化程序結(jié)構(gòu)，但其加工面的形狀受到一定限制，只能加工單一幾何特征的圓柱面與圓錐面。而復(fù)合固定循環(huán)對(duì)于形狀更復(fù)雜的表面，如包含多段圓柱與圓錐以及圓弧面等，只需給出精加工零件的形狀數(shù)據(jù)，便可自動(dòng)完成要求的粗加工的多次走刀運(yùn)動(dòng)，比調(diào)用子程序具有更高的切削效率，可方便程序的編制[1-3]。

FANUC系統(tǒng)數(shù)控車(chē)削中主要的復(fù)合固定循環(huán)指令有G70～G76等。其中,G71指令被稱(chēng)為內(nèi)外圓粗車(chē)復(fù)合循環(huán)指令，適合于毛坯為圓柱體(棒料)、長(zhǎng)徑比較大的軸類(lèi)零件的外徑和內(nèi)徑加工[4-6]。

1 G71指令分析

G71指令循環(huán)簡(jiǎn)圖如圖1所示。該指令有兩種類(lèi)型：I類(lèi)循環(huán)指令和II類(lèi)循環(huán)指令。I類(lèi)循環(huán)指令格式如下：

G71U(Δd)R(e);

G71P(ns)Q(nf)U(Δu)W(Δw)F(f)S(s)T(t);

順序號(hào)ns到nf的程序段用于精車(chē)加工形狀的程序段。這段指令一般緊接著G71指令編寫(xiě)，描述零件表面的輪廓形狀。

圖1 G71指令的動(dòng)作循環(huán)

其中，Δd是背吃刀量(半徑值指定)，不帶符號(hào)數(shù)值，為模態(tài)值，可由程序指定，也可由系統(tǒng)參數(shù)No.5132設(shè)定，移動(dòng)方向?yàn)锳→A′；e是退刀量，為模態(tài)值，可由程序指定，也可由系統(tǒng)參數(shù)No.5133設(shè)定；ns是精車(chē)加工程序第一個(gè)程序段的順序號(hào)，即A→A′程序段；nf是精車(chē)加工程序最后一個(gè)程序段的順序號(hào)，即點(diǎn)B為終點(diǎn)的程序段；Δu是X軸方向精加工余量(雙面余量，直徑值)的距離和方向；Δw是Z軸方向精加工余量的距離和方向；f,s,t是G71指令中的F,S,T功能，僅在粗車(chē)過(guò)程中有效，而包含在ns到nf程序段中的任何F,S,T功能只能在后續(xù)的G70精車(chē)過(guò)程中有效。

I類(lèi)循環(huán)在輪廓切削過(guò)程中不允許改變加工方向，對(duì)于外表面加工，X軸方向單調(diào)增加，即徑向不能有凹面。對(duì)于內(nèi)表面加工，X軸方向單調(diào)減小。沿Z軸的外形輪廓?jiǎng)t必須單調(diào)遞增或遞減。

順序號(hào)ns程序段(A→A′)必須用G00或G01指令指定，否則報(bào)警。該程序不允許有Z軸移動(dòng)，不能出現(xiàn)Z軸尺寸字Z。如果需要，必須另起一個(gè)程序段指定。A→A′段一般不切削，故用G00可提高加工效率。

順序號(hào)ns至nf之間的程序段由基本編程指令編寫(xiě)，不能調(diào)用子程序，也不能出現(xiàn)下列指令：

1)除G04之外的非模態(tài)(非續(xù)效)G代碼。

2)除G00、G01、G02和G03之外的其他01組G代碼。

3)06組(G20/G21)G代碼。

當(dāng)執(zhí)行G71時(shí)，用地址P和Q指定的順序號(hào)，在這個(gè)程序中不能重復(fù)出現(xiàn)。用Q指定的精加工形狀程序段的最后一個(gè)移動(dòng)指令，不能是倒角和過(guò)渡圓。在P和Q順序號(hào)之間的程序段中，不能用圖樣尺寸直接編程功能。

用恒線(xiàn)速度切削控制時(shí)，在ns至nf程序段中指定的G96或G97無(wú)效，而是由G71指令之前的程序段指定的G96或G97有效。

點(diǎn)A為循環(huán)起點(diǎn)，是調(diào)用切削循環(huán)前刀具的最后X，Z坐標(biāo)位置，由G71程序段之前的程序段指定。通常設(shè)置在最接近粗加工開(kāi)始的工件拐角，這個(gè)點(diǎn)的位置必須選擇恰當(dāng)，因?yàn)樗刂扑汹吔ぜ陌踩g隙以及首次粗加工的實(shí)際切削深度。要保證首次循環(huán)能夠切到工件，不走空刀，刀具循環(huán)起點(diǎn)A位置需符合下列條件[7-9]：

Φf<Φa<Φf-2×Δd-Δu.

式中：Φf為工件直徑；Φa為點(diǎn)A的X方向坐標(biāo)值；Δd為背吃刀量(半徑值)；Δu為X軸方向精加工余量。

當(dāng)Φa在上述范圍時(shí)，可保證首次切削能夠切削工件。

點(diǎn)A′和點(diǎn)B分別是加工輪廓的起點(diǎn)和終點(diǎn)。點(diǎn)C坐標(biāo)程序中不指定，由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)點(diǎn)A′和點(diǎn)B坐標(biāo)值、Δu、Δw和Δd等自動(dòng)計(jì)算并確定其坐標(biāo)值。

精加工余量的符號(hào)與刀具軌跡的移動(dòng)方向有關(guān)，即沿著刀具移動(dòng)軌跡移動(dòng)時(shí)，如果X方向坐標(biāo)值單調(diào)增加，U為正，反之為負(fù)；Z坐標(biāo)值單調(diào)減小，則W為正，反之為負(fù)。如圖2所示，如果假設(shè)點(diǎn)A′坐標(biāo)值為XA′,ZA′，點(diǎn)B坐標(biāo)值為XB,ZB。則XB>XA′→U>0；ZB0；XBZA′→W<0。

圖2 G71指令U和W的正負(fù)方向

如果從循環(huán)起點(diǎn)A到加工輪廓點(diǎn)A′的X軸方向?yàn)樨?fù)，則說(shuō)明控制系統(tǒng)將該循環(huán)作為外部切削處理；如果從循環(huán)起點(diǎn)點(diǎn)A到加工輪廓點(diǎn)A′的X軸方向?yàn)檎瑒t說(shuō)明控制系統(tǒng)將該循環(huán)作為內(nèi)部切削處理。

在循環(huán)開(kāi)始時(shí)，刀具首先由點(diǎn)A退到點(diǎn)C，移動(dòng)Δu/2和Δw的距離。刀具從點(diǎn)C平行于AA′移動(dòng)Δd，開(kāi)始第一刀的切削循環(huán)。第一刀加工到程序段終點(diǎn)時(shí)以與Z軸夾角45°的方向退出，并以離開(kāi)切削表面e的距離快速返回到Z軸的出發(fā)點(diǎn)，再以背吃刀量Δd進(jìn)行第2刀切削。刀具按層切法將余量去除，此時(shí)工件斜面和圓弧部分形成臺(tái)階狀表面。當(dāng)達(dá)到精車(chē)余量時(shí)，沿精加工余量輪廓加工一刀，使精車(chē)余量均勻。最后快速返回到點(diǎn)A，完成一個(gè)粗車(chē)循環(huán)[10-14]。

該指令不能在MDI(手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入)方式中使用，如果使用了則報(bào)警。

當(dāng)正在執(zhí)行G71指令時(shí)，可以停止循環(huán)而進(jìn)行手動(dòng)操作。但是，如要重新起動(dòng)循環(huán)時(shí)，刀具必須返回到循環(huán)停止時(shí)的位置。如果沒(méi)有返回到停止時(shí)的位置而重新起動(dòng)循環(huán)，手動(dòng)操作時(shí)的移動(dòng)量將附加在絕對(duì)值指令上，后面的軌跡將被移動(dòng)一個(gè)手動(dòng)操作的移動(dòng)量。

II類(lèi)循環(huán)指令其指令格式同I型，但存在以下方面的不同：

1)順序號(hào)ns程序段不必垂直進(jìn)刀，可以采用沿Z軸單調(diào)變化的形狀指令。當(dāng)精車(chē)加工程序中第一個(gè)程序段沒(méi)有Z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須指定W0，即必須指定兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。否則，刀尖將切入到零件側(cè)面。

2)車(chē)削后沿輪廓退刀。

3)該指令適用于FANUC系統(tǒng)(如新的0i/0i MATE系統(tǒng))中有加工內(nèi)凹結(jié)構(gòu)功能的數(shù)控車(chē)床。

II類(lèi)循環(huán)運(yùn)行從點(diǎn)P到點(diǎn)Q之間逐漸增大或減小輪廓，沿X軸的外形輪廓不必單調(diào)遞增或單調(diào)遞減，并且最多可以有10個(gè)凹面，如圖3所示。但沿Z軸的外形輪廓必須單調(diào)遞增或遞減。例如圖4所示的輪廓無(wú)法進(jìn)行加工。

圖3 G71II類(lèi)指令沿X軸的外形輪廓變化

圖4 G71II類(lèi)指令沿Z軸方向無(wú)單調(diào)變化的曲面

2 輪廓無(wú)內(nèi)凹結(jié)構(gòu)軸類(lèi)零件編程方案

一般輪廓無(wú)內(nèi)凹結(jié)構(gòu)軸類(lèi)零件可以采用I類(lèi)循環(huán)指令編程，如圖5所示，要進(jìn)行外圓粗車(chē)的軸，粗車(chē)背吃刀量為3 mm，退刀量為1 mm，精車(chē)余量X軸方向?yàn)?.5 mm，Z軸方向?yàn)?.3 mm，粗車(chē)進(jìn)給率0.5 mm/r，表面恒線(xiàn)速度為200 m/min。

圖5 G71外圓粗車(chē)循環(huán)實(shí)例

從圖5可知，該加工屬于外徑加工，X軸方向嚴(yán)格單調(diào)遞增，Z軸方向嚴(yán)格單調(diào)遞減，無(wú)內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，因此，U>0,W>0。該循環(huán)的循環(huán)起點(diǎn)為點(diǎn)O，因?yàn)?0<Φa<40+2×3-0.5，即40<Φa<45.5?？扇∽鴺?biāo)值為X41，Z0。該零件外形輪廓的各個(gè)基點(diǎn)坐標(biāo)分別為A(0,0)，B(11，-5.5)，C(11,-15.5)，D(17，-25.5)，E(17，-40.5)，F(xiàn)(32，-48)，G(32,-60.5)，H(40，-60.5)。采用絕對(duì)值編程，調(diào)用1號(hào)刀具和1號(hào)刀補(bǔ)加工，該加工參考程序?yàn)椋?/p>

O0001;程序號(hào)N10T0101;調(diào)用1號(hào)刀具和1號(hào)刀補(bǔ)N20G50S2000;限定主軸最高轉(zhuǎn)速2000r/minN30G96M03S200;恒線(xiàn)速度200m/min,主軸正轉(zhuǎn)N40G00X41Z0;快速定位到循環(huán)起點(diǎn)ON50G71U3.0R1.0;定義外徑粗車(chē)循環(huán),背吃刀量3.0mm,退刀量1.0mmN60G71P70Q140U0.5W0.3F0.5;精車(chē)余量X軸方向0.5mm,Z軸方向0.3mm,粗車(chē)進(jìn)給率0.5mm/rN70G01X0;精加工程序第一個(gè)程序段號(hào),加工輪廓起點(diǎn)A

N80G03X11Z-5.5R5.5;逆圓弧加工到點(diǎn)BN90G01Z-15.5;圓柱面加工到點(diǎn)CN100X17Z-25.5;圓錐面加工到點(diǎn)DN110Z-40.5;圓柱面加工到點(diǎn)EN120G02X32Z-48R7.5;順圓弧加工到點(diǎn)FN130G01Z-60.5;圓柱面加工到點(diǎn)GN140X40;端面加工到點(diǎn)H,精加工程序最后一個(gè)程序段號(hào),加工輪廓的終點(diǎn)N150G28U0W0T0100;返回參考點(diǎn),取消1號(hào)刀補(bǔ)N160M05;主軸停止N170M30;程序停止,并返回到程序起點(diǎn)

3 輪廓有內(nèi)凹結(jié)構(gòu)軸類(lèi)零件編程方案

有內(nèi)凹結(jié)構(gòu)軸類(lèi)零件即形狀凹凸變化零件(沿X軸的外形輪廓非單調(diào)遞增或單調(diào)遞減)如圖6所示，如果不采用G71指令可采用如下方法進(jìn)行編程[15]：

1)用G73指令來(lái)完成零件加工。G73循環(huán)加工指令可以實(shí)現(xiàn)此類(lèi)零件的加工，但是該指令加工過(guò)程中每一次循環(huán)切削的路徑軌跡都是相同的，只適合于毛坯形狀與最終要切削的形狀相似的情況，一般用在鑄、鍛后毛坯形狀與零件最終形狀相近時(shí)適合采用這個(gè)指令。若毛坯采用棒料，用G73指令加工會(huì)造成空刀太多，浪費(fèi)將近一半的切削時(shí)間，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。

2)不用循環(huán)指令來(lái)完成零件加工。若不用循環(huán)指令來(lái)完成零件加工，則需把每一層每一刀的路徑軌跡都計(jì)算出來(lái)，用來(lái)描述這些軌跡。這將導(dǎo)致計(jì)算量太大，且容易出錯(cuò)。

如果采用G71I類(lèi)指令加工如圖6所示工件時(shí)，由于I類(lèi)指令要求X，Z軸都必須單調(diào)變化，所以直接采用該指令是無(wú)法加工出所需輪廓。在實(shí)際加工中，需采用一定的技巧將要加工的零件按輪廓形狀分段編程，間接完成所需輪廓的加工。

圖6 形狀凹凸變化的軸類(lèi)零件

把要粗加工的工件輪廓分幾段進(jìn)行加工，分段的原則是使構(gòu)成每一段的軌跡都符合G71I類(lèi)指令的使用規(guī)則，即X，Z都單調(diào)增大或減小，每一段內(nèi)的軌跡不能出現(xiàn)X或Z增大又減小(或減小又增大)的情況。為了達(dá)到這個(gè)要求，要找出輪廓軌跡上X，Z增大和減小的轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為分段點(diǎn)。對(duì)于有轉(zhuǎn)折變化的連續(xù)圖素，往往要在轉(zhuǎn)折點(diǎn)將圖形打斷來(lái)實(shí)現(xiàn)分段。例如對(duì)于圖6中軸的AD段加工，B，C點(diǎn)是圓弧轉(zhuǎn)折點(diǎn)，需將AD段作以下分段處理：

AB段：X為單調(diào)增大，Z為單調(diào)減??；

BC段：X為單調(diào)減小，Z為單調(diào)減?。?/p>

CD段：X為單調(diào)增大，Z為單調(diào)減小。

用G71I類(lèi)指令編制分段輪廓的粗車(chē)固定循環(huán)加工程序時(shí)，應(yīng)先將刀具用指令(一般采用G00)移動(dòng)到每一段連續(xù)形狀的循環(huán)加工起點(diǎn)，然后調(diào)用G71循環(huán)完成相應(yīng)程序段。在每一段G71所調(diào)用的程序段后緊接著編寫(xiě)下一段的G71指令及其所調(diào)用的程序段。需要注意的是不能連續(xù)寫(xiě)完G71后再編寫(xiě)G71所調(diào)用的程序段，因?yàn)镚71指令執(zhí)行完后，并不回到G71指令所在的程序段，而是直接從G71所調(diào)用的程序段的最后一段程序段位置順序執(zhí)行。

如果數(shù)控系統(tǒng)具有G71II類(lèi)指令功能，編寫(xiě)圖6零件輪廓就顯得相當(dāng)方便。由于整個(gè)輪廓Z軸是單調(diào)減小，X軸既有單調(diào)遞增也有單調(diào)遞減，且凹面數(shù)目小于10個(gè)(本題只有1個(gè))，符合G71II類(lèi)指令使用條件，可以使用G71II類(lèi)指令直接完成編程。在編程時(shí)只是要注意在精車(chē)加工程序第一個(gè)程序段必須指定兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，即同時(shí)指定X軸和Z軸的移動(dòng)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

FANUC系統(tǒng)數(shù)控車(chē)削的內(nèi)外圓粗車(chē)復(fù)合固定循環(huán)G71指令通過(guò)定義零件的加工刀具軌跡來(lái)進(jìn)行零件的粗車(chē)，在程序中只需設(shè)置好背吃刀量、精車(chē)余量、進(jìn)給量等參數(shù)，則數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出刀具路徑，自動(dòng)對(duì)零件進(jìn)行多次加工，因此，只有理解它的功用、特點(diǎn)和使用方法，尤其是G71的I類(lèi)和II類(lèi)指令在編寫(xiě)輪廓具有凹凸形狀變化的軸類(lèi)零件程序的不同之處，并正確地加以合理應(yīng)用，才能大大地簡(jiǎn)化編程，提高加工效率。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Programming research for instruction G71 of FANUC system CNC turning

WEI Guofeng

(College of Electromechanical Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

When CNC rough turning waits for shaft, the path of each tool needs to be calculated out. This causes the computations to be too large and easy to get wrong.The use of multiple repetitive cycle instruction G71 can calculate base points according to the drawing dimension and simplify programming and improve the efficiency of production. To better understand the usage of this instruction, The characteristics of G71 instruction and the programming taboo and skills are studied in detail based on examples analysis in this paper. Results show that only handling the different requirements for the programming of G71 I type and II type instruction can program qualified programs to achieve high efficiency. The study has a certain reference for programming of the shaft with the shape concave and convex changing of its contour.

FANUC system; CNC turning;multiple repetitive cycle; G71; concave and convex shapes

TG659

A

1671-4679(2017)05-0046-05

2017-05-12

機(jī)電系統(tǒng)傳動(dòng)與控制創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(黑龍江工程學(xué)院2010年第一批)

魏國(guó)豐(1970-)，男，教授，研究方向：數(shù)控技術(shù)；光機(jī)電一體化技術(shù).

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.05.010