摘要： FANUC 32I数控系统中，新增圆锥插补功能，刀路均匀流畅，使一些相对复杂的曲线路径在手工编程中成为现实，广泛应用于旋转类曲面的铣削加工，取得了很好的加工效果，谨以锥螺纹和球窝曲面为例，浅谈圆锥插补功能的扩展与运用。

  
 
      1、引言

     在FANUC 32I数控系统中，G02/G03指令被赋予更多的功能，除了常规的圆弧插补和螺旋线插补外，通过指定旋转次数或者每转的半径增量值，即可进行平面螺线插补，在此螺线插补的基础上再增加一个垂直于圆弧平面的直线轴运动，即可进行圆锥插补。圆锥插补的刀具路径，几乎适用于所用旋转曲面的精加工，整条路径由一组规律变化的锥螺旋线组成，路径中没有进给速度和进给方向的突然转变，从下刀到抬刀一气呵成，刀路行距均匀，简洁流畅，具有不可比拟的优势，学以致用后可以解决很多编程中遇到的难题。本人长期使用FANUC数控系统，早期的0I版本，注重于系统的兼容性和稳定性，一般只配置标准的插补功能，将一些特殊的曲线编程寄托于用户宏程序的使用与开发。掌握宏程序需要很高的数学知识和逻辑思维，令很多编程员望而怯步，无奈之余，只能借助于自动编程软件。FANUC 32I数控系统站在普通用户的角度，增加了很多实用功能，其中的圆锥插补可以说是一次跨时代的进步，使一些相对复杂的曲线路径在手工编程中成为现实，圆弧和螺旋线插补是FANUC系统的基础功能，在此不做赘述，圆锥插补却很少被编程员所了解。本人根据自己多年掌握的编程经验，以锥螺纹和球窝曲面为例，浅谈圆锥插补的扩展与运用，希望对大家有所帮助。

      2、锥螺纹

                                     图一  特制油管扣锥螺纹  

                        图二  锥螺纹铣削路径

     锥螺纹广泛应用于密封元件和管路连接，与直螺纹的区别在于：螺旋线沿导程方向延伸的同时，半径因锥角作用逐渐放大或缩小。受此影响，每一圈螺旋线的起点和终点都不在同一圆柱面上。很难用标准的螺旋线插补编程，锥螺纹铣削一直是数控编程的难点，即使一些主流的编程软件也没有什么好的办法，普遍采用等分直线段拟合螺旋线的方法，理论上勉强可以接受。但实际上存在一定的轮廓误差，加工效果较差，在线段的连接处，刀具出现短暂的停滞，反映在螺纹牙型表面上，是一圈断断续续的接刀痕迹，抛光也无济于事。低配置的数控机床尤为明显，由于刀具动作跟不上程序运行的节拍，铣削后的螺旋线最终演变为N边形轮廓线，失去应有的加工精度。数控高手各显其能，灵活运用宏程序推出了很多锥螺纹编程方法，其中以变量控制螺旋线插补实现锥螺纹铣削的方法最为经典，打破了数控铣床长期使用三维线段拟合锥螺纹的传统观念，得到了编程员的一致认可，不足之处是必须更改相关的参数，受系统版本和机床性能的限制，存在一定的风险和差异，FANUC 32I系统的圆锥插补功能彻底解决了这一难题，螺纹部分一个程序段就可以搞定，数控机床像执行普通螺旋线指令一样，轻松自如的完成锥螺纹铣削，即省去了自动编程的长篇大作，又避免了宏程序的复杂运算，大幅提高了螺纹质量和加工效率，有效扩展了手工编程的范围。
 
 
     编程格式：

G17 G02/G03 X_ Y_ Z_ I_ J_ K_ Q_ L_ F_
X_ Y_ Z_是指锥螺纹终点的坐标值；
I_ J_ 从螺旋起点到中心的矢量值，与圆弧插补相同；
K_ 螺旋线旋转一周的高度增减值（行距）；
Q_ 螺旋线旋转一周的半径增减值；
L_ 重复次数（不带小数点的正值）；
F_ 进给速度； 
 
     当I/J/K与Q、L发生定义冲突时，可视情况省略其中的两项。
 
     以（图一）特制油管扣为例，设工件上表面和锥螺纹中心线为G54加工坐标系原点，选用φ30单齿螺纹铣刀，主轴正转，自下而上顺铣加工，程序中的螺纹终点坐标值，按螺距和锥度的整数倍进行圆整处理，省略[Q]半径增减值和[L]重复次数，由系统自动计算，程序如下：
 
T01 M06；
M03 S1000；
G17 G54 G90 G40 G49 G0 X0 Y0；
G0 G43 Z-60 H01； (下刀至螺纹起始深度)
G41 X28.5 Y-5 D01；（启动刀具半径补偿）
G03 X33.5 Y0 R5 F300；（圆弧切入至螺纹径向尺寸）
G03 X35.5 Y0 Z3.5 I-33.5 J0 K2.54 F300；（圆锥插补铣削螺纹,省略Q L，由系统自动计算）
G0 G40 X0 Y0；（在安全高度直接退刀）
G91 G28 Z0；
M5 M30；
 
 
      加工锥螺纹先要加工螺纹锥孔，孔的尺寸和锥度直接影响螺纹质量，铣削螺纹锥孔，与铣削锥螺纹没有太大的区别，同样适用于圆锥插补，只不过螺旋线的行距更密一些，此时只需将螺纹铣刀更换为镗刀或者铣刀，重新设置圆锥插补的两个参数即可，注意螺旋线的开始方向改为自上而下顺铣，因为螺纹孔的铣削方式与螺纹的旋向无关。顺铣的效果要好一些，自上而下加工便于观察和测量，根据锥孔编程经验和机床验证，螺旋线行距K=0.2,即可以得到很好的锥孔精度，执行程序，轻松完成螺纹锥孔的铣削。为了便于装配和操作安全，螺纹锥孔一般都要求45°倒角，我们可以参照锥孔格式，再增加一段圆锥插补，修改Q=K，即可完成孔口倒角。本例中选用φ30立铣刀，自上而下顺铣加工锥孔，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；（启动刀具半径补偿）
G03 X32.0 Y0 Z-60 I-34.0 J0 K-0.2 F500；（圆锥插补铣削锥孔,省略Q L,由系统自动计算）
G03 X27.0 Y-5 R5 F500；（圆弧切出方式退刀）
G0 Z1.0； （抬刀至安全高度）
G01 X38.2 Y0 F300；（进给至孔口倒角大端起点）
G03 X35.2 Y0 Z-2 I-38.2 J0 K0.2 Q0.2 F500；（圆锥插补铣削倒角）
G0 G40 X0 Y0；（取消半径补偿）
G91 G28 Z0；
M5 M30；
 
      经螺纹测量仪和标准扣规双重检验，铣削后的锥螺纹表面精度和各项尺寸完全符合图纸要求，加工效率也在原来的基础上提高了一倍。程序一直沿用到今天，深受操作者的喜爱。

 
      3.球窝曲面

                                      图三   球窝曲面

                           图四  球窝编程示意图

     球窝，又称凹形半球面，主要应用于钢球定位和万向轴连接，工厂多采用数控铣削的方法，用小直径的球头铣刀，通过编程路径去铣削较大直径的球窝。选择什么样的切削方式，才能达到光洁圆滑，没有瑕疵的球面效果，是编程思路的关键。Mastercam编程软件中，适用于球窝铣削的最佳路径是流线刀路中的螺旋线切削方式。这是真正意义上的3D等步距加工，可惜的是：软件采用等分三维线段拟合螺旋线的传统方法，加工中存在一些弊端。认真研究FANUC 32I系统的圆锥插补功能，与其有着惊人的相似之处，扩展思路，能否灵活应用于球窝曲面的精加工？答案是肯定的。

     圆锥插补沿着球窝圆周方向生成流线切削刀路。可以精确控制曲面的残脊高度和整体误差，因而可以得到圆滑过渡的加工表面。球头铣刀以球窝最大半径方向为起始点，沿锥螺旋线切削至球窝底部。加工路径一气呵成，没有刀具停顿和切削方向的转变，没有进刀、退刀留下的痕迹，优势不言而喻。前面的锥螺纹铣削案例中，圆锥插补中的行距保持不变，半径也自始至终按固定值增减变化。球窝不同于锥孔，依靠固定的编程格式很难做到，编程的关键是解决相邻两圈锥螺旋线半径和深度不断变化的问题。我们可以将宏程序变量融入圆锥插补，根据球窝曲面的特征，以XOZ平面的切削点起始角度为单位，将流线刀路等分为90圈首尾相连的锥螺旋线，以变量控制圆锥插补中的行距和半径变化值，既可以达到曲面编程的目的（图四）。

    以（图三）SR15球窝曲面为例，选用φ12球头铣刀，以球心为刀位点直接按刀具运动轨迹编程，设定工件球窝中心为G54坐标系零点，按XZ平面内切削点起始角度为自变量，由上自下加工，程序如下：

变量设置：
#1=0 （切削点起始角度值）    #2=1 （角度步进值） 
#3=15  (球窝半径)            #7=6  (球头铣刀半径)
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；   (圆弧切入进刀)
N10 #24=[#3-#7]×COS#1；   （螺旋线起点X坐标值计算）
#14=[#3-#7]×COS[#1+#2]；  （螺旋线终点X坐标值计算）
#26=[#3-#7]×SIN[#1+#2]；          （螺旋线终点Z坐标值计算）
G03 X#14 Y0 Z-#26 I-#24 J0 L1 F300；（圆锥插补铣削一圈）
#1=#1+1；                          （角度变量递增）
IF [#1 LE 90] GOTO 10；            （终止条件比较）        
G91 G28 Z0；                                             
M5 M30；

                         图五  球窝精加工刀具运行轨迹

     通过刀具运行轨迹（图五），可以看出圆锥插补相对于其他曲面加工方式，具有路径清晰、下刀切入点容易控制等优点，非常适合旋转曲面的精加工。从加工角度考虑，圆锥插补铣削过程中，球头铣刀的切削刃始终与球窝加工曲面保持切点接触，吃刀深度一致，进给速度均匀，就像削苹果一样，达到很好的加工效果。编程的巧妙之处在于圆锥插补与宏程序变量的完美结合，在圆锥插补的格式中设置变量，对变量赋值并设定相互之间的数学方程式与逻辑关系，一圈锥螺旋线恰好是一个加工循环，系统有足够的时间进行处理和运算，程序执行过程更加流畅。经批量加工和追踪检验，球窝轮廓精度和表面粗糙度全部符合技术要求，创造出很高的经济效益。

      4、注意事项：
 

     圆锥插补过程中，基于系统设置的加减速功能有效，越靠近螺旋中心，进给速度越慢，当螺旋线旋转一周的半径增减值较大时，编程时尽量不使用刀具半径补偿，而是直接对刀位点运动轨迹编程，这样可以避免不必要的错误和报警。当程序指定的螺旋线终点位置与系统根据（I/J/K/Q/L）自动计算出的实际位置存在偏差，并超过参数（NO.3471）设定的范围时，会出现（PS5123）报警，程序停止运行。解决方法：

     一、对圆锥插补中的各项数值进行圆整处理，有关联的设置尽量保持整倍函数关系。如果指定的圆心矢量 [I/J/K]与半径增量值[Q]及重复次数[L]存在不可调和的矛盾时，可以省略其中的两个，由系统自行计算。

     二、在参数（NO.3471）中设定较大的允许偏差值。即使程序中存在一定的计算误差，也不影响正常运行。

     值得注意的是：在极坐标插补、比例缩放、法线方向控制有效时，不能使用圆锥插补。圆锥插补中，也不能使用任意倒角、倒圆功能。

      5、结语：

  
     本文以锥螺纹和球窝曲面为例，详细介绍了圆锥插补功能的扩展与应用。FANUC数控系统博大精深，每一次版本升级都会增加新的亮点，始终代表着高端数控机床的发展趋势，数控编程员要认真学习和领悟系统内置的各种插补功能，勇于尝试不同的切削方式和加工方法，逐步积累经验，形成自己的编程特色。