分析探讨数控加工中的问题

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我国铁路运输高速重载发展的方向，对铁道车轴质量要求越来越高。因此铁道用车轴的生产工艺和装备要求不断提升。我厂是南车集团车轴生产的主要基地之一，车轴机加工生产线经过多次的技术改造，正逐步采用数控设备，目前数控机床已占50％以上。数控机床以其良好的加工稳定性和高柔性，极大地提高了我厂车轴的整体质量。但在近几年中，通过数控加工出现的问题车轴也有不少，其中有RD2、RE2A、RD3A、出口越南、印尼等国车轴。这些问题轴大部分是由于栽刀或尺寸超差，而造成不应有的经济损失。因此，分析探讨数控加工中避免问题轴产生的方法具有一定的意义。
1．数控加工中问题车轴产生原因分析
（1）编程与操作习惯的影响  数控机床操作者一般有一定手工编程能力。编制车轴NC程序，无论其工艺还是数值计算都不复杂，因此编程较易上手。但往往不好的编程习惯或在机床操作上存有一些差异而引发误动作。如果实际编程中，采用G50指令设定坐标系，先予执行，而后直接操作启动用返参自动建立坐标系的程序（刀补后建立工件坐标系），运行时则出现误动作。这是由于此程序在G50设定值上进行了刀补偏置，而非原程序中相对返参自动坐标系。生产中，像这样编程与操作习惯不同而造成产品报废的例子，屡见不鲜。
（2）设备故障的影响  数控机床纵然可靠性较高，但不注意加强维护，也会出故障，尤其是隐性故障。一般数控机床开机都要进行回零（即返参考点位置），返参故障是机床常见故障之一。由返参考点引起的位置错误，只有在加工时才能发现。如果使用返参自动建立坐、标系，刀具补偿设定工件坐标系进行编程，而机床又发生返参位置错误，工件栽刀事故就难以避免。我厂生产中也时有发生。这也是当前数控设备坐标轴逐步采用绝对编码器的原因，从而使机床无须返参操作。
（3）试加工与操作者水平的影响  我厂生产的车轴品种较多，生产批量大小也不同，NC编程时常是要现场手工编制。因此程序录入错误有之，由于操作者水平不高或过于自信者有之，造成在程序调试运行中的误动作时有发生。
2．基于宏指令通用程序的编制
7 L! X% `+ I/ d$ n# I7 N/ E（1）车轴（RD2、RE2等）通用NC程序实例  铁道车轴几何形状一般基本相同，因此可以从编程的角度出发，使用变量，利用宏程序相同操作的可重复性和宏指令的算术、逻辑运算功能，编制NC通用程序，迎过程序控制的方法，来探讨避免产生问题轴的途径。我们依据上述分析，在实际生产中，以车轴轴身加工为例进行了编程尝试，并以RD2货车轴轴身加工任务为例 （如图1），进行说明。

5 W9 f6 Q$ Y, r4 K0 K3 n, _9 V我厂的数控机床主要以FANUC-OTD系统为主。由于该系统版本早，面板没有运算符编辑键；同时，现场也不具备与计算机通信的手段，因此只能应用A类宏程序，即用G65 Hxx P#xx Q#xx R#xx或G65 Hxx P#xx Qxx Rxx输入格式编制宏程序。指令中H代码是基本指令，以实现算术和逻辑运算（如H01赋值、H02-H05为加减乘除运算法等）；P、Q、R地址后 “xx”指微米级数值；“#xx”是变量号。图2是超路线简图，实例程序如下。
' {+ S$ C1 _2 ^
! X6 g0 H$ @6 @. Z$ P+ |O1111；主程序（RD2）
' q) v4 e6 O/ \/ |5 o  XN10 M43*（主轴挂挡位3）
N20 MO3*
0 z( H/ S! ~0 I0 k" nN30 M98 O9990*
N40 M98 O9995*
% `/ E+ H" h9 }$ D* \8 z9 }N50 T0212*
1 C. {. m. j6 D( |- ^N60 M98 O9997*
$ C* R) ~/ c0 `1 f( _! ?7 aN70 T0414*
N8O M98 O9998*
  ^5 {3 q; I+ C' f. xN90 T0111*
N100 M98 O9999*
N110 M98 O9990*
* R* c5 ^; x$ k+ d. t; AN120 M30
; ?; Q' L  X/ W" RO9990；初始化子程序（取消偏置、刀补及循环等）
N10 G18 T0000* N30 C40*
9 n( I6 m6 H9 uN20 C54 G80 G99* N40 M99*
O9995；位置检查与建立坐标系子程序
1 \* h, K2 L7 b; c, `7 J4 d8 jN05 M98 O9990*
N10 G65 H01 P#120 Q#5041*（赋工件坐标值）
& [* S( B! n$ ?) NN20 C65 H01 P#121 Q#5042*
( W# s$ ^4 e3 s' XN30 G65 H01 P#122 Q#5021*（赋机床坐标值）
N40 G65 H01 P#123 O#5022*
N50 G65 H02 P#148 Q#530 R#122*
, ]) v$ H8 m/ }& MN60 G65 H02 P#149 Q#531 R#123*
' ^5 ], r9 i2 @$ @N70 G50 X#148 Z#149*（设立工件坐标系）
N80 M99*
* y. j8 {, Y- XO9996；圆弧节点运算子程序（计算圆弧节点坐标）
N10 G65 H03 P#505 Q#500 R#501*
N20 G65 H05 P#102 Q#505 R2*
N30 G65 H03 P#103 Q#502 R#102*
4 ~" @7 l$ `7 o2 hN40 C65 H28 P#506 Q#502 R#103*
8 W& W9 A% W# _( ?! J$ ^' XN50 M99*
6 ?6 u2 e4 _' A8 d; D7 a& @O9997；右粗车子程序
N10 M98 O9996*
N20 G65 H81 P120 Q样509 R0*（粗车次数条件判断）
N30 G65 H02 P#111 Q#501 R15000*
N40 G65 H02 P#113 Q#501 R4000*
) d% N& h" B" _" ]2 @3 W8 VN50 G65 H02 P#110 Q#500 R201000*
( q; P/ [$ A8 @2 i3 y0 Z! xN60 G00 X#111 Z-#506*
N70 G01 X#113 F#507*
N80 G03 U#505 W#506 R#502 F#507*
. j  g+ |0 k. p# n! M; d" N7 u% T/ UN90 G01 U3.0*
/ u  X, R' C, }' |& t7 DN100 GOO X#110 Z0*
N120 M99*
O9998；左粗车子程序
N10 M98 O9996*
% ~2 q9 I& j# o; PN20 G65 H81 P120 Q#508 R0*（粗车次数条件判断）
3 b+ X. S% b( t' Z/ B9 bN30 C65 H02 P#107 Q#501 R5000*
N40 G65 H03 P#108 O#503 R#506*
N50 G65 1102 P#109 O#501 R4000*
N60 G65 H02 P#110 Q#500 R201000*
4 q( Y- o3 c* mN70 G00 X#107 Z-#108*
  y' V0 [; U6 ~$ s. S3 u- W+ fN80 G01 X#109 F#507*
N90 G02 U#505 W-#506 R#502 F#507*
N100 G01 U3.0*
N110 G00 X#110 Z0*
N120 M99*
O9999；精车子程序
N10 M98 O9996*
% }2 M/ G; a" ^- ]- }' rN60 G65 H02 P#110 Q#500 R201000*
N70 G65 H02 P#105 Q#500 R3000*
N80 G65 H03 P#106 Q#503 R#506*
/ M+ v- l6 D5 Q8 f" I9 n4 s6 a* ON90 G00 X#105 Z0*
0 ?, q9 i$ W4 x* vN100 G01 X#500 F#504*
N110 G02 U-#505 W-#506 R#502 F#504*
N120 G01 Z-#106*
N130 G02 U#505 W-#506 R#502 F#504*
N140 G01 U3.0*
N150 G00 X#110 Z0*
N160 M99*
) s& W7 Q% u" s/ c& u2 a  a
  f& J6 I" Y! s( a! ^. D中国南车集团铜陵车辆厂
（2）车轴通用程序中安全策略实例加工程序中，核心是采用了主程序（01111）调用子程序结构。主程序中除按照工艺要求选择刀具外，没有其他插补指令，因此程序结构简单，使操作者现场编程的安全性增强。实际编程中，工艺人员根据加工车轴的基本尺寸下达工艺卡片即可，操作者依据工艺卡片修改变量值。由于新程序只是修改相应变量值，因此完全避免了加工调试环节所造成的误废发生。程序中设计了初始化子程序调用（O9990），以避免其他程序运行后可能造成的干扰。
在车轴NC通用程序中，我们重点设计了位置检测和设定坐标系子程序（O9995），其作用一是保证该程序与其他程序的对刀方法以及操作者的操作习惯相一致；二是使工件坐标系的建立仅依据机床参考点位置。我厂FANUC-OTD数控机床的机床参考点位置掉电时是可以保持记忆的。这样，主程序除可以与其他程序一样在机床任意位置可启动运行外，同时也无须返参考点的操作（在机床参考点位置未被改变时），机床如同坐标轴采用了绝对编码器一样。因此避开了机床返参故障。
在粗车子程序中（O9997、O9998），还可通过添加H81功能（条件判断语句），增加粗车次数，以满足不同车轴余量不同的需要。更加保证车轴加工安全。实例程序中简化为粗车一次。
, Q% {- m8 q! j! _" M* g, W3．小结
) F& E% `* d9 ]上述NC通用程序的特点是结构简洁、清晰、易读，通过一次使用成功后，基本不需大的修改。通过参数设定，还可以隐藏子程序，使程序有更好的安全性。
( U1 [4 n4 L* f0 G6 {6 s6 N生产中，我们用宏指令编制的车轴通用程序加工半光轴轴身（RD2、RE2、RB2、印客轴），实际应用证明，此方法有效地防止了数控加工过程中各种问题轴的产生。不管生产批量的大小，都极大地简化了编程，减少了错误，减轻了程序维护工作量。
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