基于FANUC 31i数控系统的凸轮磨削方法

基于FANUC 31i数控系统的凸轮磨削方法
邓杨;李静;李彪;张伟
【摘要】围绕凸轮轴随动磨削原理求解凸轮随动磨削中磨削运动参数，对FANUC31i开放式数控系统的高速切削循环功能以及学习控制原理进行研究，在MK8340高速凸轮轴随动磨床上进行试验验证。

通过宏执行器以高速脉冲形式将磨削运动参数分配存储至系统 P-Code 变量中，结合高速切削循环功能实现了凸轮轴随动磨削运动，并采用学习功能完成了伺服控制器的自学习优化，进而改善了凸轮随动磨削运动的伺服跟踪性能，使凸轮轴高速随动磨削加工精度和效率得到提高。

【期刊名称】《精密制造与自动化》
【年(卷),期】2016(000)001
【总页数】4页(P17-20)
【关键词】随动磨削FANUC;31i高速切削循环P-Code
【作者】邓杨;李静;李彪;张伟
【作者单位】上海大学上海市机械自动化及机器人重点实验室上海 200072;上海大学上海市机械自动化及机器人重点实验室上海 200072;上海大学上海市机械自动化及机器人重点实验室上海 200072;上海大学上海市机械自动化及机器人重点实验室上海 200072
【正文语种】中文
凸轮轴是活塞发动机关键零部件之一，主要用于控制气门的开启与闭合动作，由于气门运动规律关系到一台发动机的动力和运转特性，而凸轮轴表面加工质量很大程度上影响着发动机性能优劣[1]。

为有效提高凸轮轴表面轮廓精度及加工磨削质量，本文基于MK8340/1500凸轮
轴数控切点跟踪磨床，配备FANUC 31i数控系统，针对凹弧段凸轮表面轮廓利用随动磨削原理[2-4]求解磨削运动参数，机床采用双砂轮回转结构，并通过调用
G05高速切削循环指令完成加工过程。

凸轮轴非圆磨削加工通常采用单砂轮随动磨削加工完成，磨床头架即C轴带动工
件旋转，砂轮架根据指令沿X轴往复运动跟踪工件进行磨削。

考虑砂轮磨削带有
凹弧段凸轮轮廓时的加工效率及磨削精度，采用多项式方法重构凹弧段曲线轮廓，即粗加工阶段大直径砂轮，走刀轨迹为重构后的凸轮轴轮廓，精加工阶段采用小直径砂轮完成整周磨削，图1为凸轮轴加工实验环境。

为保证当量磨削厚度相等及提高表面质量，实验中采用的恒线速磨削方法[5-6]有
效避免了恒角速磨削时因工件上各磨削点移动速度不同引起的冲击和振动。

采用五次多项式重构凸弧曲线时，首先将凸轮升程表极坐标数据转化为直角坐标系数据，计算凹弧段轮廓值及每个轮廓点对应斜率。

在凹弧段附近选用新点作为重构曲线起始点，利用多项式求解结果替换凸轮凹弧段原始值构成新轮廓。

根据随动磨削原理、砂轮架运动模型[7]及凸轮升程表重新计算凸轮转角c和基圆中心至砂轮中心距离
x间的对应关系，生成工件粗加工磨削参数表。

粗加工阶段中将新值写入数控系统高速循环加工P-Code扩展变量中，采用大砂轮磨削。

在机床的使用过程中，包括用户宏程序在内的一些NC程序可能一旦创建则不需要修改，通过宏编译器将其编译成可执行程序并存入F-Rom中，利用系统宏执行器调用运行，极大提高程序的可靠性及保密性。

该类可编译执行的程序称为P-Code 程序，程序中使用的变量为P-Code变量。

通常系统用户宏程序可用变量不足1000个，P-Code变量可以看作普通用户宏程序变量的扩展，同时使用P-Code变量在执行速度上表现更快。

针对凸轮轴高速磨削过程中数控系统自带P-Code变量不足问题，FANUC提供了P-Code扩展功能，本实验根据实际加工要求选择高速循环加工扩展变量D：
#2000000~#3999999。

FANUC 31i数控系统中可通过选P-Code变量菜单，搜索查看指定变量号的P-Code变量，但是不能通过存储卡或者其他方式直接导出。

批量传出P-Code变量可以使用FOCAS 1/2函数通过以太网或者HSSB接口对P-Code变量进行读写，利用宏执行器功能同样能够完成上述操作，实验中采用第一种变量读写方式。

FANUC数控系统提供了基于C++、Basic、C#等语言环境的编程接口，用户可以通过VC或者VB引用该函数库进行编程，制作专用的CNC界面等。

自FOCAS1版本更新以来，FOCAS2开始支持30i/31i/32i系列CNC，FOCAS2是针对FANUC系统HMI底层的开发工具，其提供的Fwlib32.Dll动态链接库主要用于与上位机应用程序通过以太网进行通讯。

FOCAS函数库一般用作监视包括加工程序和刀偏在内的CNC侧信息，同时也可更改CNC侧数据，例如宏变量、P-Code 变量等并实现FANUC数控机床联网。

P-Code变量读写操作过程中主要使用cnc_rdpmacro以及cnc_wrpmacro两个函数，具体定义和声明方式如下[8]:
Declare Function cnc_rdpmacro Lib “fwlib32.dll” (ByVal FlibHndl As Integer, ByVal a As Long, Odb As ODBPM) As Integer
参数含义：
FlibHndl [in] //句柄，建立连接时获得
a[in] //指定P-Code变量号
Odb[out] //使用ODBPM数据结构
读出的P-Code变量数值
在凸轮轴实际高速加工过程中，由于砂轮磨削速度极高，容易导致伺服滞后，产生较大加工误差[9]。

数控系统学习控制功能通过读取比较误差值以修正加工指令，
实现加工结果的精确控制，极大提高了工件切削精度。

学习控制功能嵌入CNC加工过程进行误差修正原理示意图，如图2所示。

学习控制器通过从第一个加工循环中取得位置误差并创造补偿数据，补偿值同前一循环中旧数据比较并不断替代，从而减小位置误差。

凸轮高速磨削加工利用学习控制功能时需要使用FANUC提供的专用轴卡和伺服软件，规格型号分别为A02B-0303-H088、A02B-0303-H590#90D3/90E3。

高速切削循环误差修正过程中，常见的学习控制工作方式有四种，分别为中断方式、补偿数据中断方式、连续方式、补偿数据连续方式。

两类中断方式学习数据在指定学习循环次数内不断更新，当循环次数达到参数BRCT（2513）设定值后，学习
停止，系统使用最后一次数据完成余下加工指令。

两类连续方式中学习数据伴随高速循环加工指令周期不断更新，直至加工结束。

学习控制工作方式在系统中可以通过修改系统参数进行切换，或者在程序中利用
G10指令更换参数。

加工过程中学习控制中断/连续方式切换及补偿数据方式是否有效则采用参数2443#4（LCON）和2443#6（ICM）控制，详细设定如表1所示：
高速切削循环功能主要将加工轮廓转换为数据组，通过宏执行器以高速脉冲形式进行分配，并使用G05指令执行数据组[9]。

3.2.1 循环变量配置
本实验高速循环加工扩展变量D：#2000000~#3999999中，在保证各类数据互
不影响的前提下，根据实际高速循环周期内的运行点数，合理划分扩展变量D存
储范围如下：
#2000000~#2009999 //存放头参数
#2010000~#2509999 //存放x变量
#2510000~#3009999 //存放c变量
高速循环加工扩展变量D具体配置如下[10]:
#2000000用于定义高速循环加工数据的循环次数，设定范围1-999。

#2000001、#2000017、#2000033…作为头变量设定循环重复次数，设定值范围：0-32767，若设定值为0或1则循环只执行1次。

#2000002、#2000018、#2000034…用于设定1个循环后要执行的循环号（1-999），若该循环为最后一个循环，值设为0。

#2000003、#2000019、#2000035…表示数据项数量，通常用于设定一个高速循环内运动坐标点数。

#2000004表示数据类型，在变量中采用二进制码表示十进制值。

例如
#2000004=3，其中参数3转化为二进制是000011，代表第1、2轴值为1，第3~6轴值为0，参数0表示数据分配为常数，参数1表示数据分配为变量或固定值。

#2000005~#2000010 ,#2000011~#2000016分别表示第1-6轴变量分配及各轴数据总和。

具体头变量结构配置如图3所示。

编写高速循环程序调用G05指令时，调用格式应符合数控系统规定。

对示例程序段：G05 P10001 L2 进行P-Code变量配置如图4所示，程序中循环运行顺序参考如下：
cycle1:第一个循环连接循环二，重复次数1
cycle2:第二个循环连接循环三，重复次数3
cycle3:第三个循环后程序结束，重复次数2
循环执行顺序结果：
cycles:1,2,2,2,3,3 1,2,2,2,3,3
图4中变量2 000 005=20 100表示第1轴运行的坐标值放在以变量2 010 000
开始的一组变量中，参数值大小20 100通过设置系统参数P7503#4=1将存储分配数据开始变量号2 010 000除以100获得，参数赋值P7503#4为0时，表示
变量号除以10。

3.2.2 高速切削循环程序调用
随动磨削中，凸轮轴根据设定的坐标值往复运动，C轴转一圈，X轴往返一次。

系统宏变量功能配置完成后，高速循环加工程序编写示例如下：
01000
G05 P10001 L2 调用第一个循环，循环次数为2次
G04 X5 暂停5秒
G00 X0 C0 返回初始位置
M30
需要注意的是连续/中断模式下在每次执行2个及以上连续G05程序段时，需在后一个G05指令前添加G04暂停主程序并进行相应数据缓存清除工作。

G05的插补时间参数设定使用变量：7501#4#5#6，具体配置详见表2。

数控凸轮轴磨床进行凸轮磨削加工时，其中X轴砂轮架运动利用FANUC伺服电
机驱动滚珠丝杠实现横向进给，C轴工件转动采用FANUC力矩电机直接驱动完成。

实验加工对象为机车发动机用凸轮轴，凸轮轴上按顺序分别配有进气凸轮、排气凸轮及油泵凸轮，其总长为459.4 mm。

在MK8340数控高速凸轮轴磨床上通过采
用双砂轮回转结构对该凸轮轴上的油泵凸轮进行磨削加工试验，其中表3所示为
油泵凸轮具体工艺磨削参数。

磨削过程中采用恒线速规律控制，基于五次多项式曲线重构后的凸轮轮廓加工表面无烧伤且粗糙度较小。

通过ADCOLE综合测量仪检测出的磨削后的油泵凸轮最大
升程误差为-0.024 mm，凹弧段最大误差为-0.011 mm。

在保证加工精度的前提下，结合数控系统高速切削功能实现凸轮轴随动磨削提高了工件加工效率。

依据凸轮轴随动磨削原理，采用五次多项式重构凸轮片凹弧段曲线轮廓，利用FANUC提供的P-Code扩展功能模块存储凸轮轮廓表面磨削运动参数。

在
MK8340数控高速凸轮轴磨床上，采用FANUC高速插补功能完成了6N330凸轮轴试验加工，对基于凸轮凹弧段的双砂轮复合磨削方法进行了实际加工验证。

实验结果表明，重构后的凸轮曲线轮廓适用于实际加工，完全符合生产加工精度要求。

用户通过数控系统中高速切削循环及P-Code扩展变量存储功能实现了凸轮轴磨床高速随动磨削，极大简化了操作过程，提高了工作效率。

[1] 王歆令,李静,沈南燕等.机车发动机用凸轮轴磨削工艺[J].组合机床与自动化加工技术,2013,(8):95-98.
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[3] 邓朝晖,彭欢欢,万林林等.凹面轮廓凸轮轴成形磨削工艺研究[J].现代制造工程,2014(10):1-4.
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[7] 周沈淼,孙克己.凸轮磨削轨迹算法实现与验证[J].精密制造与自动
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[8] NCGuidePro FOCAS2 Function 用户手册.
[9] 奚叶敏.学习控制功能在数控凸轮轴磨床上的应用[J].精密制造与自动
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[10] FANUC手册：FANUC Series 30i/31i-A,31i-A5 High-speed cycle machining.。