基于模块化设计的管螺纹数控车削程序开发

殷 豪，孟庆津，吴 东

（中国工程物理研究院　机械制造工艺研究所，绵阳 621900）



基于模块化设计的管螺纹数控车削程序开发

殷 豪，孟庆津，吴 东

（中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，绵阳 621900）

摘 要：针对多种型号的圆锥管螺纹车削编程存在的问题，提出了采用模块化程序来提升机床数控系统的编程能力，以FANUC数控系统为例，通过对管螺纹结构及对机床数控系统编程能力的分析，阐述了定义系统用户宏程序代码的方法，实现了程序参数输入数量的优化设计。通过实际应用，验证了程序开发技术的可行性以及编程的高效性。

关键词：管螺纹；车削；宏程序；模块化设计

0　引言

管螺纹作为管道联接的一种形式，广泛地应用于输送液体、气体的中小尺寸管路的联结与密封［1］。目前，针对管螺纹的加工方法有多种，包括钳工加工、数控加工中心成形铣刀加工以及数控车床车削加工。其中，采用钳工加工螺纹工序多，效率低，所加工螺纹精度较差，密封效果欠佳，数控加工中心主要用于加工难以用车床装夹零件上的螺纹［2］，而数控车床车削是最常使用的圆锥管螺纹加工方法。不同型号的管螺纹仅尺寸不同，而几何结构、加工方法均相同。因此，针对不同型号尺寸的产品，需重复编制程序。并且，目前数控车床加工圆锥管螺纹的常用指令为螺纹切削复合循环指令，使用该指令在加工没有退刀槽的圆锥管螺纹时，螺纹有效终点，切削起点与终点的半径差等基点数值的计算较为繁琐，极易出错，严重影响产品的加工效率［3］。

针对目前管螺纹加工程序编制的问题，以FANUC数控系统为研究对象，通过定义系统用户宏程序代码，建立了管螺纹车削模块化程序。用户可直接调用指令快速完成管螺纹车削加工编程。

1　管螺纹车削指令代码的模块化设计

FANUC数控系统是通过G代码控制机床运动的［4］。为开发管螺纹专用指令代码，需定义系统用户宏程序，利用常规螺纹切削G代码、辅助G代码和变量计算相结合的模块化设计，简化指令程序，避免繁琐的编程操作。

为建立管螺纹车削宏程序模块，需规划加工信息代码和几何信息代码［5，6］。其中，加工信息代码是描述精加工重复次数、最小切削深度、精车预留量等加工信息的指令代码，可内置于螺纹切削复合循环指令中，减少输入变量，提高使用的便捷性。几何信息指令时以几何要素为基础的指令代码，描述的是加工零件的几何特征信息。管螺纹车削指令代码是以上两部分代码的组合，其运行流程如图1所示。

图1　管螺纹车削指令代码运行流程

如图1所示，管螺纹车削指令代码分4个模块。初始化模块可完成程序的初始化，4个地址分别输入管螺纹的4个最简参数。螺纹结构形式的分类在判定模块中完成，根据判定结果分别进行几何参数计算。计算结果最终输入螺纹切削复合循环指令和辅助指令可完成刀位点计算并控制机床加工运动。

2　指令程序模块技术实现

2.1参数优化分析

计算模块中各参数之间的计算与传递是管螺纹车削指令代码的关键环节。首先，需对管螺纹的结构进行分析，以便以最少的参数个数将其进行完整描述。以英制圆锥管螺纹为例，其牙型及外螺纹上各主要尺寸如图2所示，总共具有9个参数。直接利用其进行编程虽然可行，但极其繁琐［3］。通过对该螺纹结构进行分析，发现某些参数间具有耦合关系而并非完全独立，可进行参数简化，优化后的输入参数减为4个。因此，给所设计的管螺纹车削指令代码G77设定4个地址，分别代表4个参数。代码指令格式为：

图2　英制圆锥管螺纹示意图

其中，地址A代表管螺纹螺距P，地址B代表基准距离l，地址C代表螺纹基准直径的大径D，地址I代表螺纹的有效长度L。

2.2参数传递过程分析

简化后的4个参数并不能直接输入控制模块，根据图1所示螺纹结构的几何关系可推导参数传递矩阵，如式（1）所示。

其中u、w、i、k、f、Δd为螺纹切削复合循环指令G76输入参数，各参数根据不同数控系统有所不同，具体含义可参看数控车床编程手册。j为螺纹类型判定系数，当j=1，即进刀定位时X值大于基面直径D时，为外螺纹；当j=0，即进刀定位时X值小于基面直径D时，为内螺纹。对FANUC数控系统来说，G76指令格式为：

G76 P（m）（r）（a） Q（Δd min） R（d）；

G76 X（u） Z（w） R（i） P（k） Q（Δd） F（f）；

其中第一条指令为加工信息代码，对于用户来说，其各参数往往是常量，因此可内置于宏程序中，避免参数重复输入。第二条指令包含几何信息，通过上述参数传递矩阵，可将宏程序输入参数转化为该指令可使用的参数。此外，某些辅助指令需要特定的参数，但参数传递过程一般较为简单，在此不赘述。

2.3宏程序的封装与调用

指令代码封装是将开发的宏程序模块转换成机床本体指令，其方法是在系统参数中设置G代码数字与对应地址参数和开发宏程序号［4］。宏程序编制完成后经调试在MDI状态下将参数#6050～#6059变量定义为用户专用G代码，程序号设定为O9010～O9019，恢复参数保护后即可完成参数封装。本文宏程序号为O9017，将6057号参数改为所定义的G代码号77，可直接进行调用。

3　应用实例

以车削R1/8圆锥外螺纹为例，采用所开发的管螺纹切削程序G77指令对其进行加工编程，图3所示为车削加工示意图。

图3　管螺纹车削加工示意图

查手册可得加工R1/8圆锥外螺纹所需的4个参数，分别为：P = 0.907，l = 4.0，D = 9.728，L = 6.5。具体程序为：

上述程序同样适用于其他尺寸代号的内、外管螺纹车削加工，在程序编制时，只需输入管螺纹的上述4个基本尺寸要素。

4　应用实例

本文通过深入分析管螺纹结构以及数控车床系统指令，对管螺纹加工程序进行模块化设计，编写了系统用户宏程序代码，并用于实际生产，具体如下：

1）开发的管螺纹车削加工专用指令，避免了参数的人工计算。可实现多种尺寸规格管螺纹程序的快捷编制，提高生产效率。

2）对管螺纹加工编程进行了参数输入优化和参数传递矩阵建模，大量产品的实际生产证明了其精确性与可靠性。

3）模块化的设计便于程序的调试与更改，减少重复编程工作，便于后续持续开发与改进。

参考文献：

［1］ 王振勇.四种常用管螺纹综述［J］.液压与气动，2011，（01）：60-62.

［2］ 樊伟杰.英制圆锥管螺纹数控加工方案［A］.中国兵工学会2009年精密加工及数字化制造技术学术研讨会论文集［C］.2009.

［3］ 颜建强，唐重.G76指令车削圆锥管螺纹的编程技巧分析［J］.科学创新导报，2012，（09）：97-98.

［4］ 刘宏，罗丽丽，樊永强.三轴椭球精密曲面的数控双指令铣削加工技术［J］.制造业自动化，2015，（10）：21-23.

［5］ 张在平，佘抒萌.数控铣削编程中宏程序的应用［J］.科技资讯.2010（34）：37-37.

［6］ 汤郁.浅议宏程序在数控车编程中的应用［J］.科技信息.2011，（27）：78-79.

［7］ 赵明生，主编.机械工程手册［M］.机械工业出版社，1996.

Modules dependent design for CNC turning programming of pipe thread

YIN Hao， MENG Qing-jin， WU Dong

中图分类号：TH16

文献标识码：A

文章编号：1009-0134（2016）05-0083-03

收稿日期：2015-12-16

作者简介：殷豪（1988 -），男，湖南岳阳人，技师，主要从事数控精密加工及研究。