基于FANUC Series Oi Mate—TD系統(tǒng)的恒線速車削應(yīng)用

鐘慧蘭

摘 要：本文通過FANUC Series Oi Mate-TD系統(tǒng)中恒線速車削的實際應(yīng)用進行數(shù)據(jù)分析，詳細介紹了相關(guān)CNC參數(shù)的設(shè)置與注意事項，在對普通車削內(nèi)容進行補充的同時保證了數(shù)控車削零件的表面質(zhì)量一致性與加工效率。

關(guān)鍵詞：恒線速；車削；指令；限制

中圖分類號：TG519 文獻標志碼：A

0 引言

在普通車床上車削端面、圓錐面和圓弧面等變徑輪廓時，表面粗糙度很難達到一致，這也就是我們所常說的表面質(zhì)量一致性差。究其原因是由于普通車床在連續(xù)加工過程中只能維持某恒定的主軸轉(zhuǎn)速，隨著車削直徑尺寸的減小，切削速度也隨之降低，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降，更無法保證統(tǒng)一的表面質(zhì)量。若想改變普通車床的這一局限，只能對普通車床進行改裝，增加一控制系統(tǒng)亦可實現(xiàn)車削加工過程中保持恒定的切削速度，從而達到提高零件生產(chǎn)效率，與保證良好的表面質(zhì)量及一致性的需求。在一般的數(shù)控車床上可以通過恒線速控制功能，很輕松地解決普通車床無法實現(xiàn)的這一恒定切削速度控制。

1 切削線速度

所謂的線速度是切削線速度的簡稱，是指車床在車削工件時通常以主軸軸線為中心，刀具切削工件的切削點在工件圓周切線方向的瞬時速率，如圖1所示。線速度與主軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系可以通過以下公式進行說明：

式中：

V為切削線速度，單位m/min；

π為圓周率，取3.14；

D為切削點工件的直徑，單位mm；

n為主軸轉(zhuǎn)速，單位r/min。

由公式可以看出，車刀在保持一定的轉(zhuǎn)速進行切削時，隨著工件直徑的減小，切削線速度隨之降低，加工效率降低，表面質(zhì)量難以保證；車刀若保持一定的切削線速度進行切削時，隨著工件直徑的減小，主軸轉(zhuǎn)速將隨之升高，加工效率提升，表面粗糙度保持一致。

2 恒線速車削

恒線速車削又叫固定線速度切削，是指車床通過主軸轉(zhuǎn)速連續(xù)變化以保持實時切削位置的瞬時切削速度恒定不變的切削控制方式。在FANUC Series Oi Mate-TD數(shù)控系統(tǒng)中，恒線速（周速恒定）控制功能由G96指令實現(xiàn)，編程格式為：G96 S ；恒線速控制有效，恒轉(zhuǎn)速控制無效，指定切削線速度。恒轉(zhuǎn)速控制功能由G97指令實現(xiàn)，編程格式為：G97 S ；恒轉(zhuǎn)速控制有效，恒線速控制無效，指定主軸轉(zhuǎn)速。G96與G97為同組模態(tài)指令，一旦指定則一直有效，直至被同組的其他指令注銷為止。其中，G97為初態(tài)指令，CNC上電時默認G97有效。編程時必須將工件原點設(shè)在工件的回轉(zhuǎn)中心，才能保證恒線速控制的精確度。恒線速控制時，主軸轉(zhuǎn)速隨編程軌跡的X軸（徑向）絕對坐標值的絕對值的變化而變化，| X |值增大，轉(zhuǎn)速降低；| X |值減小，轉(zhuǎn)速升高。切削線速度始終保持為S值，由此主軸轉(zhuǎn)速與線速度的關(guān)系公式可以演變成：

恒線速車削時，主軸轉(zhuǎn)速隨工件直徑的減小而升高，刀具在車削至工件回轉(zhuǎn)中心時，轉(zhuǎn)速將達到極高，這將導(dǎo)致“飛車”，輕則損壞刀具、機床和工件，重則導(dǎo)致操作人員受傷，因此，在使用恒線速控制前都必須正確指定主軸最高轉(zhuǎn)速。最高轉(zhuǎn)速限制由G50指令實現(xiàn)，編程格式為：G50 S ；主軸最高轉(zhuǎn)速限制有效。

3 恒線速切削應(yīng)用

以圖2所示零件的車削為例說明在FANUC Oi TD系統(tǒng)中恒線速車削指令的應(yīng)用。

O0001； 程序名

G99； 轉(zhuǎn)進給指定

G00 X100 Z100； 快速定位至換刀點

T0101； 換外圓車刀

M03 S2000； 主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為2000r/min

G00 X7.86 Z2； 快速定位至精加工起點位置

G50 S2000； 主軸最高轉(zhuǎn)速限定為2000r/min，轉(zhuǎn)速2000r/min

G96 S100； 恒線速控制，線速度為100m/min

G01 Z0 F0.08； 刀尖切至R10圓弧起點，轉(zhuǎn)速為2000r/min

G03 X27.28 Z-12.38 R10； 刀尖切至R10圓弧終點，轉(zhuǎn)速2000r/min—1143r/min—1167r/min

G02 X41.74 Z-41.33 R32； 刀尖切至R32圓弧終點，轉(zhuǎn)速1167r/min—763r/min

G03 X56 Z-60 R28； 刀尖切至R28圓弧終點，轉(zhuǎn)速763r/min—569r/min

G97； 取消恒線速控制，轉(zhuǎn)速569r/min

G00 X100 Z100； 刀具返回換刀點

M02； 程序結(jié)束

%

根據(jù)關(guān)系式可以計算出上述程序在車削過程中的瞬時主軸轉(zhuǎn)速，用曲線圖像表示G96狀態(tài)下轉(zhuǎn)速與工件直徑的關(guān)系如圖3所示。受主軸轉(zhuǎn)速的上下限鉗制，恒線速控制的實際切削過程或?qū)⒊霈F(xiàn)兩段在最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速處進行恒轉(zhuǎn)速切削的過程，此時指定的G96狀態(tài)無效，中間變徑車削加工軌跡主軸轉(zhuǎn)速與直徑的關(guān)系基本呈雙曲線規(guī)律變化。

4 參數(shù)設(shè)置說明

CNC參數(shù)SSC（No.8133#0）決定是否使用恒線速控制，該參數(shù)為0時為不使用恒線速控制，即使用恒轉(zhuǎn)速控制；該參數(shù)為1時為使用恒線速控制。該參數(shù)的初始化狀態(tài)一般為1。本例中按機床說明書及具體的安裝情況，確定主軸最高轉(zhuǎn)速不超過2000r/min，主軸最低轉(zhuǎn)速不低于30r/min。G96的主軸最低轉(zhuǎn)速由參數(shù)No.3771設(shè)定，最高轉(zhuǎn)速由參數(shù)No.3772設(shè)定。若轉(zhuǎn)速超過參數(shù)設(shè)定值，則轉(zhuǎn)速被鉗制在參數(shù)給定的轉(zhuǎn)速上，No.3772為0時不進行轉(zhuǎn)速鉗制。G50 S 設(shè)置的主軸最高轉(zhuǎn)速應(yīng)不超過參數(shù)設(shè)定值，否則指令轉(zhuǎn)速鉗制無效。車床上始終以X軸進行恒線速控制，對應(yīng)的參數(shù)No.3770設(shè)定值為0。數(shù)控操作面板中的主軸倍率旋鈕有效，可選用50%～120%的8個檔位倍率。參數(shù)SOC（No.3708#5）為0時，速度鉗制在應(yīng)用主軸速度倍率前執(zhí)行，此時主軸轉(zhuǎn)速有時會超過G50 S；設(shè)定的轉(zhuǎn)速；該參數(shù)設(shè)為1時，速度鉗制在應(yīng)用主軸速度倍率后執(zhí)行，主軸轉(zhuǎn)速被鉗制在參數(shù)No.3772所設(shè)定的上限轉(zhuǎn)速上，而與本參數(shù)的設(shè)定無關(guān)。

注意事項：

（1）只有CNC參數(shù)SSC（No.8133#0）設(shè)定為0時，G96指令有效。

（2）恒線速車削時一般采用轉(zhuǎn)進給（G99），以確保恒定的進給速度，提高零件表面質(zhì)量。

（3）注意在G96指令前必須先合理定義指令與參數(shù)以限制主軸最高轉(zhuǎn)速，否則刀具在行進至工件回轉(zhuǎn)中心或接近回轉(zhuǎn)中心時將出現(xiàn)“飛車”，造成事故。當理論轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)速上限值時，主軸限制為上限轉(zhuǎn)速。

（4）G50 S ；定義的最高轉(zhuǎn)速在重新設(shè)定前是保持的，最高轉(zhuǎn)速限制值在G96狀態(tài)下有效，G97狀態(tài)下不受設(shè)其設(shè)定值的限制，但設(shè)定值仍然保持。

（5）G96被G97取消且沒有指定S值，則主軸轉(zhuǎn)速以G96方式的最后主軸轉(zhuǎn)速作為G97狀態(tài)的轉(zhuǎn)速。

（6）恒線速控制有效時，S后面的數(shù)值為線速度值，主軸轉(zhuǎn)速由| X |決定。因此必須設(shè)定參數(shù)No.3770為0，且工件坐標系的Z軸與工件回轉(zhuǎn)中心必須重合。

（7）在機床鎖定進行空運行圖形軌跡模擬時，G96方式仍然有效，且轉(zhuǎn)速隨X軸絕對坐標值的絕對值變化而變化，主軸倍率調(diào)節(jié)有效。

（8）恒線速控制時，刀具行進軌跡的主軸瞬時轉(zhuǎn)速可以通過公式

計算得出。如程序示例中主軸轉(zhuǎn)速的變化：2000r/min→1143r/min→1167r/min→763r/min→569r/min，這樣既保證了恒定的切削速度，也盡可能地使車床主軸在車削過程中保持平穩(wěn)的變化，而不是突變。

（9）在G96狀態(tài)下一般不能出現(xiàn)G00程序段，因為這樣可能會造成意外的危險狀況。如果出現(xiàn)G00程序段，G96仍然有效，但在快速定位過程中主軸轉(zhuǎn)速容易驟降或驟增，在刀具到達目標位置點而尚未升至| X |所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時將等待轉(zhuǎn)速提升到位后再執(zhí)行后續(xù)程序段。

（10）在執(zhí)行G96程序段前，最好先計算出G96起始點的主軸轉(zhuǎn)速，然后把轉(zhuǎn)速變化量分攤到前面的程序段中，以確保G96起始點的轉(zhuǎn)速與前面G97指定的轉(zhuǎn)速差距不要過大，否則也將引起主軸轉(zhuǎn)速突變、引發(fā)危險。如程序示例中G96程序段前的轉(zhuǎn)速設(shè)定為2000r/min，在執(zhí)行G96程序段后轉(zhuǎn)速變動量為0，這樣既可以避免轉(zhuǎn)速的突變危險，更能減少甚至消除刀具的等待時間，進而提高加工效率。

（11）G96在螺紋車削時同樣有效，但為了保證螺紋加工精度，螺紋車削時一般不采用恒線速控制，而采用恒轉(zhuǎn)速控制下進行螺紋車削。

結(jié)語

通過前文所述恒線速控制應(yīng)用示例可以看出，基于FANUC Series Oi Mate-TD系統(tǒng)的恒限速車削可以通過G96與G97指令來設(shè)置與取消，其他數(shù)控系統(tǒng)亦可通過該指令實現(xiàn)恒線速車削，但不同機床生產(chǎn)廠家采用的伺服電機不同，系統(tǒng)中主軸轉(zhuǎn)速的上下限設(shè)置、CNC參數(shù)位置與定義也不盡相同，因此使用時必須先查找機床用戶手冊，確定好轉(zhuǎn)速范圍后再使用。恒限速車削的轉(zhuǎn)速范圍是使用好恒線數(shù)車削的關(guān)鍵。在車削加工過程中由于恒定的切削速度大大改善了被加工工件的表面質(zhì)量，而主軸轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)轉(zhuǎn)變也保證了操作安全，進一步提高了恒線速車削指令在應(yīng)用過程中的有效性與安全性。恒線速控制的使用作為數(shù)控車床的一項基本功能，是對普通車床的技術(shù)的補充與提升，也是數(shù)控機床操作者所必須掌握的基本技能。

參考文獻

[1]FANUC Series Oi-MODEL D/FANUC Series Oi Mate-MODEL D車床系統(tǒng)用戶手冊[S].2008.

[2]FANUC Series Oi-MODEL D/FANUC Series Oi Mate-MODEL D參數(shù)說明書[S].2008.

[3]韓鴻鸞，叢軍滋.數(shù)控加工工藝學(xué)[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2012.

[4]沈建峰.數(shù)控機床編程與操作（第三版 數(shù)控車床分冊）[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2011.