圆周孔系的数控编程方法研究

刘振超

（柳州铁道职业技术学院，柳州 545007）

0 引言

圆周孔系在端盖、法兰、箱体等零件中是非常常见的，传统的加工方法是利用钻模在普通钻床上加工，但工人劳动强度大、工序分散效率相对较低。随着数控机床的普及，由于其劳动强度低、工序集中、效率高、操作方便灵活的特点，越来越多的孔系零件被安排在数控机床上加工。但如何使数控加工程序简化，使操作工人能容易读懂便于修改，这是编程人员要思考的问题。

1 孔加工固定循环指令

在数控加工中，孔加工的动作循环已经典型化。例如，钻孔、镗孔的动作顺序是孔位平面定位、快速引进、工作进给和快速退回等，如图1所示。将这样一系列典型加工动作预先编好程序存储在系统中，再用包含G代码的一个程序段调用，可简化编程工作。这种包含了典型动作循环的G代码称为循环指令。

图1 孔加工固定循环动作示意图

FANUC系统固定循环指令的通用格式如下：

G98（G99)G _ X_Y_ Z_R_Q_P__K_F_L

参数说明：

1）X、Y为孔位数据，指被加工孔的位置。

Z为孔底数据， G90时，Z为孔底坐标；G91时，Z为R点到孔底的距离（多为负）。

2）R为安全平面位置。G90时，是 R面的坐标值；G91时，是初始点到R面的距离（常为负）。

3）Q 在G73或G83时指定每次进给深度，在G76或G87时指定刀具的让刀量，是增量值。

4）K在G73或G83时指定每次退刀量，K＞0。

5）P指定刀具在孔底的暂停时间，单位为秒。

6）F为切削进给速度。

7）L指定固定循环的次数。

部分G代码的含义是：

G81：一般钻孔循环指令，用于一般定点钻。

G82：带停顿的钻孔循环指令，执行该指令使孔的表面更光滑，孔底平整。常用于做沉头台阶孔。

G74：左旋攻螺纹循环。

单一孔的加工，只要执行一个固定循环指令即可。

2 圆周孔系的编程方法

所谓圆周孔系，是指分别在圆周上的一系列孔。如果孔的结构尺寸相同，则孔的固定循环指令相同，不同的是每一个孔所在的位置不同。同一个孔要完成不同的工序，如钻中心孔、钻孔和攻螺纹等，只要更换刀具和相应的固定循环指令即可，孔位置并没有变。孔系加工编程的关键和难点是确定孔的位置，在这里以钻孔工序为例，提出了孔系编程的四种方法。

2.1 坐标编程法

坐标编程法是通过数学计算获得孔位置的坐标值，将坐标值的数据编入钻孔循环G82程序段，然后运行该程序，钻孔即可完成。这种方法计算量大，数据繁琐且容易出错，程序段多，在加工现场输入程序时，由于数据小数较多易造成输入错误，从而使零件报废。如图2所示盘类零件，通过计算得孔1、2、3的中心坐标分别是：

孔 1 ：（X153.341，Y41.088）；

孔 2 ：（X112.253 ，Y112.253）；

孔 3 ：（X41.088， Y153.341 ）。

图2 盘类零件

根据孔位置坐标数据编写的程序如下：

…

G00 X153.341Y41.088 （定位到孔1）

G99 G82 G90 R5 Z-120 P2 F100 （钻孔）

G00 X112.253 Y112.253 （定位到孔2）

G99 G82 G90 R5 Z-120 P2 F100 （钻孔）

G00 X41.088 Y153.341 （定位到孔3）

G99 G82 G90 R5 Z-120 P2 F100 （钻孔）

…

根据上述程序段推断，要完成圆周12个孔的钻孔工序，则至少需要24个钻孔的程序段，程序冗长且数据复杂，容易出错。这种编程方法对有规律的孔系显得笨拙，但对一些没有规律的孔系的编程却是必然的方法选择，而且这种绝对定位的方式没有积累误差，孔的定位精度较高。

2.2 宏功能编程法

宏程序可以运用变量编程，能够对变量进行赋值，同时变量间还可以进行算术与逻辑运算，改变程序执行顺序。

宏程序的变量及变量引用、变量运算简介。

1）变量表示方法：一个变量由“#”和变量序号组成，如#1、#2、#101等。

2）变量引用：将地址符后的数值用变量来代替的方法称为变量引用。如X#4、Y#5、F#101等。

3）变量运算：变量之间可进行数学运算和逻辑运算，运算次序依次是函数运算（SIN、ASIN、COS等）、乘和除运算（*、/、AND等）、加和减运算（＋、－、OR等）。

例如：#1=#2+#3*SIN[#4]。

4）条件表达式：

格式：IF〔〈条件表达式〉〕GOTO n ；

例如：IF [ #10 GT 0 ] GOTO 2 ；这种格式表示如果表达式指定的条件满足时，转移到标有顺序号n的程序段。如果指定的条件不满足，执行下个程序段。

5）循环

格式：WHILE[〈条件表达式〉] DO m ；（m=1，2，3）

如： WHILE[〈条件表达式〉] DO m ；

…

ENDm；

当指定的条件满足时，执行WHILE从DO到END之间的程序。否则转而执行END之后的程序段。DO后的号和END后的号是指定程序执行范围的标号。

如图2中的零件，可以通过变量之间的运算确定每个孔的中心位置，这就大大简化了计算工作，使程序得到简化。现以FANUC系统的B类宏程序为例，编写图1零件的圆周孔系加工程序。

O1209（程序名）

N10G90G54G0Z100;（程序开始）

N20M03S200M08; （主轴以200r/min正转,冷却液开）

N30#1=15; （当前角度为15°）

N40#2=30; （角度递增值为30°）

N50#3=360;（最终角度）

N60#4=158.75;（圆周孔系所在的圆弧半径值）

N70#7=120；(钻孔深度)

N80WILE[#1LE#3] DO1;（条件判断）

N90#5=#4*COS#1；（计算孔位置的X坐标值）

N100#6=#4*SIN#1; （计算孔位置的Y坐标值）

N110G00X#5Y#6; （定位到要加工孔的上方）

N120G99 G82 G90 R5 Z-#7 P2 F100 ；（开始钻孔循环）

N130#1=#1+#2;（更新角度变量）

N140END1；（循环结束）

N150G00Z100;（抬刀）

N170M05M09; （主轴停，关冷却液）

N180M30; （程序结束）

由此可见，用宏功能编程，程序简洁，一个完整程序也就18个程序段，而且其中5段是变量赋值，程序的长度与孔的个数无关。宏程序不但精悍，而且功能强大，通用性强。如上例，要加工在不同圆周分布、不同个数的孔系或者孔深不同等，都可以通过改变相应的变量赋值就可以，不需要改变程序，对一些企业加工的系列孔系产品具有很好模板的作用。

2.3 用子程序与坐标旋转功能结合的编程方法

分析图2零件就可知道，12个孔的结构尺寸一样，孔加工循环的动作一样，所不同的仅仅是孔位置的不同。如果把孔加工循环的程序写成子程序，再用坐标选择功能确定每一个孔的位置，然后调用孔加工的子程序，这样编程既简单明了，编程方便，而且还不容易出错，在生产中使用起来非常方便。

FANUC系统旋转指令介绍：

指令格式 ：

G68 X__Y__P__（建立坐标旋转功能）

G69 （取消坐标旋转功能）

其中：

X、Y、Z 是旋转中心的坐标值；

P为旋转角度，单位是（°），0≤P≤360.°逆时针旋转时为“+”，顺时针旋转时为“—” 。

利用子程序与坐标旋转功能相结合，加工图1零件的程序如下：

O1210;（程序名）

N10 G54G90Z100；(工件坐标系选择)

N20 M03 S200；(主轴以200r/min正转)

N30 T0202；(刀库的2号刀位2号刀补)

N40 G90 G00 Z100；(快速移动到安全高度Z100处)

N50 G00 X0 Y0 Z0；(快速定位到工件坐标零点)

N60 G68 X0 Y0 P15；(旋转15º定位到第1个孔所在角度)

N70 M98 P2222；(调用子程序钻孔)

N80 G68 X0 Y0 P45； (旋转45º定位到第2个孔所在角度)

N90 M98 P2222； (调用子程序钻孔)

N100 C68 X0 Y0 P75；(旋转75º定位到第3个孔所在角度)

N110 M98 P2222； (调用子程序钻孔)…

N280 G68 X0 Y0 P345；

N290 M98 P2222；

N300 G00 X0 Y0 Z100； （快速抬刀）

N310 M05； （主轴停）

N320 M30； （程序结束）

O2222；（子程序名）

N10 G99 G82 X158.750 Y0 R5 Z-120 P2000 F100；（钻孔循环）

N20 G69; （取消旋转功能）

N30 M99；（子程序结束，返回主程序）

由程序O1210可见，程序基本在重复G68 X0Y0P_及M98P2222两个程序段，编程过程不需要繁杂的计算过程，用口算即能很快编制出程序，高效实用，简单清楚，比传统的坐标编程法要简练得多。但这种程序编写方法，孔数越多程序越长，不但程序的长度与孔的数量成正比，而且，一般孔加工如果需要经过点中心孔、钻孔、攻螺纹等多个工序，程序的长度同时与工序数也成正比。

2.4 选转功能与宏程序结合编程

其实零件中每个孔的位置在圆周上是均匀分布的，任意两孔之间角度增量相等，如果把角度增量设为变量，则每个孔的位置就可以通过变量运算来确定。运用旋转功能与宏程序结合编写的程序如下：

O1211;（程序名）

N10 G54G90Z100；(工件坐标系选择)

N20 M03 S200；(主轴以200r/min正转)

N30 T0202；(刀库的2号刀位2号刀补)

N40 G90 G00 Z100；(快速移动到安全高度Z100处)

N50 G00 X0 Y0 Z0；(快速定位到工件坐标零点)

N60 #1=15; （当前角度值）

N70 #2=30; （角度变量增量值）

N80 WILE[#1LE360] DO1; （条件判断）

N90 G68 X0 Y0 P#1；(旋转15º定位到第1个孔所在角度)

N100 G99 G82 X158.750 Y0 R5 Z-120 P2000 F100；（钻孔循环）

N110 G69; （取消旋转功能）

N120 #1=#1+#2；（更新角度变量）

N130 END1; （结束循环）

N300 G00 X0 Y0 Z100； （快速抬刀）

N310 M05； （主轴停）

N320 M30； （程序结束）

由程序O1211可知，由于旋转功能与宏程序的结合，程序变得更加简洁，与单纯的宏程序相比，程序更简单、清楚、易懂，编程也更容易。

3 结论

通过比较四种编程方法可知，坐标编程法比较原始，计算量大容易出错，但在无规律的孔系加工中，这是唯一可选的方法；利用机床的用户宏功能编写的宏程序精简、灵活、可适应不同直径圆周分布、不同孔数的加工，特别适合只是尺寸不同的系列零件生产；用子程序与坐标旋转功能结合的编程方法表现出简单清楚、高效实用的特点，对操作工人来说这是最容易读懂的程序；利用机床系统的选转功能与宏程序结合编程的方法，体现更强大的优越性，不但程序短小精悍，而且计算非常简单，程序灵活性、通用性都很强。

[1] 孙德茂. 数控机床铣削加工直接编程技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.

[2] 陈华, 陈炳森. 零件数控铣削加工[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2010.

[3] 张兆隆. 数控加工工艺与编程[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008.