摘要： FANUC 32I數控系統中，新增圓錐插補功能，刀路均勻流暢，使一些相對復雜的曲線路徑在手工編程中成為現實，廣泛應用于旋轉類曲面的銑削加工，取得了很好的加工效果，謹以錐螺紋和球窩曲面為例，淺談圓錐插補功能的擴展與運用。
1、引言
在FANUC 32I數控系統中，G02/G03指令被賦予更多的功能，除了常規的圓弧插補和螺旋線插補外，通過指定旋轉次數或者每轉的半徑增量值，即可進行平面螺線插補，在此螺線插補的基礎上再增加一個垂直于圓弧平面的直線軸運動，即可進行圓錐插補。圓錐插補的刀具路徑，幾乎適用于所用旋轉曲面的精加工，整條路徑由一組規律變化的錐螺旋線組成，路徑中沒有進給速度和進給方向的突然轉變，從下刀到抬刀一氣呵成，刀路行距均勻，簡潔流暢，具有不可比擬的優勢，學以致用后可以解決很多編程中遇到的難題。本人長期使用FANUC數控系統，早期的0I版本，注重于系統的兼容性和穩定性，一般只配置標準的插補功能，將一些特殊的曲線編程寄托于用戶宏程序的使用與開發。掌握宏程序需要很高的數學知識和邏輯思維，令很多編程員望而怯步，無奈之余，只能借助于自動編程軟件。FANUC 32I數控系統站在普通用戶的角度，增加了很多實用功能，其中的圓錐插補可以說是一次跨時代的進步，使一些相對復雜的曲線路徑在手工編程中成為現實，圓弧和螺旋線插補是FANUC系統的基礎功能，在此不做贅述，圓錐插補卻很少被編程員所了解。本人根據自己多年掌握的編程經驗，以錐螺紋和球窩曲面為例，淺談圓錐插補的擴展與運用，希望對大家有所幫助。
2、錐螺紋
圖一 特制油管扣錐螺紋
圖二 錐螺紋銑削路徑
錐螺紋廣泛應用于密封元件和管路連接，與直螺紋的區別在于：螺旋線沿導程方向延伸的同時，半徑因錐角作用逐漸放大或縮小。受此影響，每一圈螺旋線的起點和終點都不在同一圓柱面上。很難用標準的螺旋線插補編程，錐螺紋銑削一直是數控編程的難點，即使一些主流的編程軟件也沒有什么好的辦法，普遍采用等分直線段擬合螺旋線的方法，理論上勉強可以接受。但實際上存在一定的輪廓誤差，加工效果較差，在線段的連接處，刀具出現短暫的停滯，反映在螺紋牙型表面上，是一圈斷斷續續的接刀痕跡，拋光也無濟于事。低配置的數控機床尤為明顯，由于刀具動作跟不上程序運行的節拍，銑削后的螺旋線最終演變為N邊形輪廓線，失去應有的加工精度。數控高手各顯其能，靈活運用宏程序推出了很多錐螺紋編程方法，其中以變量控制螺旋線插補實現錐螺紋銑削的方法最為經典，打破了數控銑床長期使用三維線段擬合錐螺紋的傳統觀念，得到了編程員的一致認可，不足之處是必須更改相關的參數，受系統版本和機床性能的限制，存在一定的風險和差異，FANUC 32I系統的圓錐插補功能徹底解決了這一難題，螺紋部分一個程序段就可以搞定，數控機床像執行普通螺旋線指令一樣，輕松自如的完成錐螺紋銑削，即省去了自動編程的長篇大作，又避免了宏程序的復雜運算，大幅提高了螺紋質量和加工效率，有效擴展了手工編程的范圍。
編程格式：
G17 G02/G03 X_ Y_ Z_ I_ J_ K_ Q_ L_ F_
X_ Y_ Z_是指錐螺紋終點的坐標值；
I_ J_ 從螺旋起點到中心的矢量值，與圓弧插補相同；
K_ 螺旋線旋轉一周的高度增減值（行距）；
Q_ 螺旋線旋轉一周的半徑增減值；
L_ 重復次數（不帶小數點的正值）；
F_ 進給速度；
當I/J/K與Q、L發生定義沖突時，可視情況省略其中的兩項。
以（圖一）特制油管扣為例，設工件上表面和錐螺紋中心線為G54加工坐標系原點，選用φ30單齒螺紋銑刀，主軸正轉，自下而上順銑加工，程序中的螺紋終點坐標值，按螺距和錐度的整數倍進行圓整處理，省略[Q]半徑增減值和[L]重復次數，由系統自動計算，程序如下：
T01 M06；
M03 S1000；
G17 G54 G90 G40 G49 G0 X0 Y0；
G0 G43 Z-60 H01； (下刀至螺紋起始深度)
G41 X28.5 Y-5 D01；（啟動刀具半徑補償）
G03 X33.5 Y0 R5 F300；（圓弧切入至螺紋徑向尺寸）
G03 X35.5 Y0 Z3.5 I-33.5 J0 K2.54 F300；（圓錐插補銑削螺紋,省略Q L，由系統自動計算）
G0 G40 X0 Y0；（在安全高度直接退刀）
G91 G28 Z0；
M5 M30；
加工錐螺紋先要加工螺紋錐孔，孔的尺寸和錐度直接影響螺紋質量，銑削螺紋錐孔，與銑削錐螺紋沒有太大的區別，同樣適用于圓錐插補，只不過螺旋線的行距更密一些，此時只需將螺紋銑刀更換為鏜刀或者銑刀，重新設置圓錐插補的兩個參數即可，注意螺旋線的開始方向改為自上而下順銑，因為螺紋孔的銑削方式與螺紋的旋向無關。順銑的效果要好一些，自上而下加工便于觀察和測量，根據錐孔編程經驗和機床驗證，螺旋線行距K=0.2,即可以得到很好的錐孔精度，執行程序，輕松完成螺紋錐孔的銑削。為了便于裝配和操作安全，螺紋錐孔一般都要求45°倒角，我們可以參照錐孔格式，再增加一段圓錐插補，修改Q=K，即可完成孔口倒角。本例中選用φ30立銑刀，自上而下順銑加工錐孔，程序如下：
T02 M06；
M03 S2000；
G17 G54 G90 G40 G49 G0 X0 Y0；
G0 G43 Z4.0 H01；
G41 X34.0 Y-5 D01；（啟動刀具半徑補償）
G03 X32.0 Y0 Z-60 I-34.0 J0 K-0.2 F500；（圓錐插補銑削錐孔,省略Q L,由系統自動計算）
G03 X27.0 Y-5 R5 F500；（圓弧切出方式退刀）
G0 Z1.0； （抬刀至安全高度）
G01 X38.2 Y0 F300；（進給至孔口倒角大端起點）
G03 X35.2 Y0 Z-2 I-38.2 J0 K0.2 Q0.2 F500；（圓錐插補銑削倒角）
G0 G40 X0 Y0；（取消半徑補償）
G91 G28 Z0；
M5 M30；
經螺紋測量儀和標準扣規雙重檢驗，銑削后的錐螺紋表面精度和各項尺寸完全符合圖紙要求，加工效率也在原來的基礎上提高了一倍。程序一直沿用到今天，深受操作者的喜愛。
3.球窩曲面
圖三 球窩曲面
圖四 球窩編程示意圖
球窩，又稱凹形半球面，主要應用于鋼球定位和萬向軸連接，工廠多采用數控銑削的方法，用小直徑的球頭銑刀，通過編程路徑去銑削較大直徑的球窩。選擇什么樣的切削方式，才能達到光潔圓滑，沒有瑕疵的球面效果，是編程思路的關鍵。Mastercam編程軟件中，適用于球窩銑削的最佳路徑是流線刀路中的螺旋線切削方式。這是真正意義上的3D等步距加工，可惜的是：軟件采用等分三維線段擬合螺旋線的傳統方法，加工中存在一些弊端。認真研究FANUC 32I系統的圓錐插補功能，與其有著驚人的相似之處，擴展思路，能否靈活應用于球窩曲面的精加工？答案是肯定的。
圓錐插補沿著球窩圓周方向生成流線切削刀路?？梢跃_控制曲面的殘脊高度和整體誤差，因而可以得到圓滑過渡的加工表面。球頭銑刀以球窩最大半徑方向為起始點，沿錐螺旋線切削至球窩底部。加工路徑一氣呵成，沒有刀具停頓和切削方向的轉變，沒有進刀、退刀留下的痕跡，優勢不言而喻。前面的錐螺紋銑削案例中，圓錐插補中的行距保持不變，半徑也自始至終按固定值增減變化。球窩不同于錐孔，依靠固定的編程格式很難做到，編程的關鍵是解決相鄰兩圈錐螺旋線半徑和深度不斷變化的問題。我們可以將宏程序變量融入圓錐插補，根據球窩曲面的特征，以XOZ平面的切削點起始角度為單位，將流線刀路等分為90圈首尾相連的錐螺旋線，以變量控制圓錐插補中的行距和半徑變化值，既可以達到曲面編程的目的（圖四）。
以（圖三）SR15球窩曲面為例，選用φ12球頭銑刀，以球心為刀位點直接按刀具運動軌跡編程，設定工件球窩中心為G54坐標系零點，按XZ平面內切削點起始角度為自變量，由上自下加工，程序如下：
變量設置：
#1=0 （切削點起始角度值） #2=1 （角度步進值）
#3=15 (球窩半徑) #7=6 (球頭銑刀半徑)
T01 M06；
M03 S2000；
G17 G54 G90 G40 G49 G0 X0 Y0；
G0 G43 Z0 H01；（起始高度）
G01 X[#3-#7-5] Y-5 F300；
G03 X[#3-#7] Y0 R5 F300； (圓弧切入進刀)
N10 #24=[#3-#7]×COS#1； （螺旋線起點X坐標值計算）
#14=[#3-#7]×COS[#1+#2]； （螺旋線終點X坐標值計算）
#26=[#3-#7]×SIN[#1+#2]； （螺旋線終點Z坐標值計算）
G03 X#14 Y0 Z-#26 I-#24 J0 L1 F300；（圓錐插補銑削一圈）
#1=#1+1； （角度變量遞增）
IF [#1 LE 90] GOTO 10； （終止條件比較）
G91 G28 Z0；
M5 M30；
圖五 球窩精加工刀具運行軌跡
通過刀具運行軌跡（圖五），可以看出圓錐插補相對于其他曲面加工方式，具有路徑清晰、下刀切入點容易控制等優點，非常適合旋轉曲面的精加工。從加工角度考慮，圓錐插補銑削過程中，球頭銑刀的切削刃始終與球窩加工曲面保持切點接觸，吃刀深度一致，進給速度均勻，就像削蘋果一樣，達到很好的加工效果。編程的巧妙之處在于圓錐插補與宏程序變量的完美結合，在圓錐插補的格式中設置變量，對變量賦值并設定相互之間的數學方程式與邏輯關系，一圈錐螺旋線恰好是一個加工循環，系統有足夠的時間進行處理和運算，程序執行過程更加流暢。經批量加工和追蹤檢驗，球窩輪廓精度和表面粗糙度全部符合技術要求，創造出很高的經濟效益。
4、注意事項：
圓錐插補過程中，基于系統設置的加減速功能有效，越靠近螺旋中心，進給速度越慢，當螺旋線旋轉一周的半徑增減值較大時，編程時盡量不使用刀具半徑補償，而是直接對刀位點運動軌跡編程，這樣可以避免不必要的錯誤和報警。當程序指定的螺旋線終點位置與系統根據（I/J/K/Q/L）自動計算出的實際位置存在偏差，并超過參數（NO.3471）設定的范圍時，會出現（PS5123）報警，程序停止運行。解決方法：
一、對圓錐插補中的各項數值進行圓整處理，有關聯的設置盡量保持整倍函數關系。如果指定的圓心矢量 [I/J/K]與半徑增量值[Q]及重復次數[L]存在不可調和的矛盾時，可以省略其中的兩個，由系統自行計算。
二、在參數（NO.3471）中設定較大的允許偏差值。即使程序中存在一定的計算誤差，也不影響正常運行。
值得注意的是：在極坐標插補、比例縮放、法線方向控制有效時，不能使用圓錐插補。圓錐插補中，也不能使用任意倒角、倒圓功能。
5、結語：
本文以錐螺紋和球窩曲面為例，詳細介紹了圓錐插補功能的擴展與應用。FANUC數控系統博大精深，每一次版本升級都會增加新的亮點，始終代表著高端數控機床的發展趨勢，數控編程員要認真學習和領悟系統內置的各種插補功能，勇于嘗試不同的切削方式和加工方法，逐步積累經驗，形成自己的編程特色。
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