數(shù)控宏程序在數(shù)控車床中的應(yīng)用

申毅莉

（梧州學(xué)院 電子信息工程系，廣西 梧州543002）

1 宏程序的含義及理論基礎(chǔ)

一般意義而言，數(shù)控指令是指ISO 代碼指令編程，即每一指令的功能是固定的，由系統(tǒng)廠家生產(chǎn)，使用者只需且只能按照機(jī)床的控制規(guī)定編程即可。但有時(shí)這些指令滿足不了用戶的需求，系統(tǒng)因此提供了用戶宏程序平臺(tái)，用戶可以對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行一定的功能擴(kuò)展，即在數(shù)控系統(tǒng)宏程序功能的平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，其開發(fā)出來的程序就是宏程序［1］。宏程序是數(shù)控系統(tǒng)中一種具有計(jì)算能力和決策能力的數(shù)控程序，即采用參數(shù)化編程就稱之為宏程序。

1.1 適用于宏程序加工的內(nèi)容

（1）加工工藝的優(yōu)化。加工工藝的優(yōu)化主要是數(shù)控加工程序的優(yōu)化，要求操作者非常方便、快速地調(diào)整生產(chǎn)過程的加工參數(shù)（如刀具尺寸、刀具補(bǔ)償值、層降、步距、計(jì)算精度等），宏程序在這方面有強(qiáng)大的優(yōu)越性。使用宏程序編程加工時(shí)，只需針對(duì)各項(xiàng)加工參數(shù)所對(duì)應(yīng)的自變量賦值做出個(gè)別調(diào)整，就能調(diào)整到最優(yōu)化的狀態(tài)。

（2）保證幾何參數(shù)曲面的加工。機(jī)械零件的形狀主要是各種凸臺(tái)、凹槽、圓孔、斜平面、回轉(zhuǎn)面等組合體。構(gòu)成其幾何因素?zé)o外乎點(diǎn)、直線、圓弧、各種二次圓錐曲線（橢圓、拋物線、雙曲線）等，這些都是基于三角函數(shù)、解析幾何的數(shù)學(xué)應(yīng)用。上述的直線或曲線在數(shù)學(xué)上均可以用三角函數(shù)表達(dá)式、解析方程式以及參數(shù)方程加以表達(dá)。因此宏程序具有廣泛的應(yīng)用空間，能發(fā)揮較強(qiáng)的作用。

（3）特殊螺紋的加工。有一些很特殊的應(yīng)用，如變螺距螺紋加工，運(yùn)用宏程序切削變螺距螺紋，在循環(huán)中只需要每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，對(duì)螺距進(jìn)行遞增（遞減）一定量，這樣就可以實(shí)現(xiàn)加工過程中螺距的變化。

（4）宏程序與普通編程的比較。宏程序與普通編程存在一定的區(qū)別，如表1 所示。

從表1 中可以看出，宏程序與普通編程之間的差別。宏程序編程更靈活。

表1 宏程序與普通編程的簡(jiǎn)要對(duì)比

1.2 宏程序的理論基礎(chǔ)

（1）橢圓走刀軌跡的宏程序編程指令O8001

（2）雙曲線走刀軌跡的宏程序編程指令O8002

（3）拋物線走刀軌跡的宏程序編程指令O8003

變量說明：

對(duì)于橢圓與雙曲線，#1 為X 軸變量，#2 為Z 軸的自變量，#3 為長(zhǎng)半軸尺寸，#4 為短半軸尺寸，#5 為Z 軸自變量每次步進(jìn)的量，#6 為加工終點(diǎn)的Z 軸坐標(biāo)值。

對(duì)于拋物線，#1 為X 軸變量，#2 為Z 軸的自變量，#3為P 的數(shù)值，#4 為Z 軸自變量每次步進(jìn)的量，#5 為加工終點(diǎn)的Z 軸坐標(biāo)值。

以上三個(gè)宏程序只需要保存于數(shù)控系統(tǒng)中，其程序號(hào)在車床上如同G01，G02/G03 插補(bǔ)指令一樣，就可以實(shí)現(xiàn)橢圓、雙曲線、拋物線這三種非圓曲線的走刀。

2 FANUC 車床宏程序的典型零件加工實(shí)例

2.1 選擇及確定加工方案

2.1.1 零件分析

如圖1 所示的工件為一個(gè)常用的帶橢圓的手柄零件，其橢圓與直線相切，左端為M20 的單頭普通三角螺紋。外形表面粗糙度要求為Ra1.6，要求較高，倒角尺寸為R2，總長(zhǎng)尺寸公差為0.1mm。

圖1 橢圓手柄零件

2.1.2 比較和確定零件加工方案

方案1：普通車床加工。加工橢圓曲面時(shí)，由于普通車床無法實(shí)現(xiàn)車床兩軸聯(lián)動(dòng)，無法保證曲面的尺寸及曲面過渡，因此普通車床無法加工橢圓手柄。

方案2：普通編程加工。普通編程只能加工直線或圓曲線，對(duì)于非圓曲線，則需要分解成N 個(gè)點(diǎn)，同時(shí)需要每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，采用直線擬合加工，但是想在橢圓上分解出N 個(gè)點(diǎn)來，并找到每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)是非常困難的，因此無法使用普通編程加工。

方案3：宏程序編程加工。對(duì)于非圓、有規(guī)律曲線的加工，宏程序可以重復(fù)循環(huán)使用，程序短小精悍，可以實(shí)現(xiàn)程序小模塊化，方便編程與使用，其加工速率高，能達(dá)到2000～3000m/s，加工的表面質(zhì)量高，能達(dá)到表面粗糙度Ra1.6。

方案4：自動(dòng)編程。對(duì)于一般的曲面，自動(dòng)編程基本能實(shí)現(xiàn)，而自動(dòng)編程所得到的程序非常龐大，容易超出系統(tǒng)的容量，只能DNC 在線加工；同時(shí)自動(dòng)編程所生成的程序在系統(tǒng)需要大量的計(jì)算，因此在速度大于800m/s 以上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)遲緩、斷續(xù)的現(xiàn)象，加工表面質(zhì)量不高，要達(dá)到粗糙度Ra1.6，則需要安排在磨床進(jìn)行精磨，增加工序。

綜上所述，方案3 優(yōu)于其余的三種方案，因此采用方案3；下文中將宏程序與自動(dòng)編程程序進(jìn)行對(duì)比。

2.2 橢圓手柄工藝分析

材料為45 鋼，毛坯尺寸為φ40×115mm 的圓形棒料。

2.2.1 宏程序加工手柄加工工藝分析

工件的右端面為橢圓，不易于車床上一般的三角卡盤裝夾，因而先加工左端的外輪廓，后加工右端的橢圓。加工左端時(shí)，由于有螺紋，如果先加工左端、后加工右端，裝夾左端會(huì)損壞螺紋，并且螺紋M20×1 比較小，可使用板牙加工即可。如果需要加工比較大的螺紋，可以在完成右端加工時(shí)，用銅皮包裹，再用三角卡盤裝夾。

2.2.2 選擇機(jī)床及刀具

采用FANUC 數(shù)控系統(tǒng)臥式車床。由于有斜面，為了使刀具與工件的斜面在走刀加工過程中不產(chǎn)生干涉或過切，因此應(yīng)根據(jù)斜面的斜度選擇合適的刀具角度。

Z 軸方向上單邊尺寸差：（36-26）/2=5mm；

X 軸方向上尺寸差：70-46=24mm；

單邊斜度為：arctan（5/24）=11.768°；

刀偏角：90°-11.768°=78.232°。

為了防止在加工過程中產(chǎn)生過切，在加工右端時(shí)，刀偏角度必須小于78.232°，因此在3 號(hào)與4 號(hào)刀架上安裝偏角為75°外圓菱形合金刀。

2.2.3 選擇切削用量

參考車削用量表以及經(jīng)驗(yàn)值，粗加工時(shí)車削用量為：主軸轉(zhuǎn)速1000r/min，進(jìn)給量f=100mm/min；精加工時(shí)車削用量為：主軸轉(zhuǎn)速2000r/min，進(jìn)給量f=50mm/min。

留給精車的余量為0.1～0.5mm，考慮精車刀具有R0.2 的圓弧倒角，為了避免車削φ20mm 到φ26mm 之間的階梯時(shí)出現(xiàn)過切或未切，并且參考車削用量表、經(jīng)驗(yàn)值以及刀具刀尖圓弧半徑大小，X 向、Z 向均取0.2mm 的精車余量；同時(shí)由于右端面（即帶橢圓弧端）采用G73 循環(huán)指令，并且粗車分5 次車削，因此U 值設(shè)定=實(shí)際尺寸-第一刀切入量-精車余量。其中，實(shí)際尺寸=（最大回轉(zhuǎn)直徑-最小回轉(zhuǎn)直徑）/2=（36-0）/2=18mm；第一刀切入量=實(shí)際尺寸/分割刀數(shù)=18/5=3.6mm；精車余量為0.2mm；因此：U 值=5-1-0.2=3.8mm；

2.2.4 加工工藝步驟

①夾右端4～5 個(gè)齒，約60mm，粗車左端端面和外圓，留出0.2mm 的精加工余量。

②換刀精加工左端外圓，尺寸到達(dá)φ19.90mm（螺紋大徑）、φ22mm、R2、C2、20mm、5mm 到圖紙要求

③掉頭、用薄銅皮包左端，裝夾左端，找正裝夾。

④粗加工右端面、外圓、留出0.2mm 的精車余量。

⑤換刀精車右端，達(dá)到圖紙尺寸和形位公差要求（精車時(shí)，在刀具上加油石，可以去毛刺）。

⑥使用游標(biāo)卡尺（GB/T 21389-2008）、千分尺（GB/T 1216-2004）檢查工件的各個(gè)尺寸，以保證達(dá)到加工的要求。

根據(jù)上述橢圓手柄零件加工工藝，可編寫刀具卡、工藝卡，如表2、3 所示。

2.3 橢圓手柄宏程序編程加工

橢圓手柄宏程序編程的流程圖如圖2 所示。

根據(jù)圖2所示流程圖，數(shù)控宏程序賦值說明表如表4所示。

（1）工件左端加工程序?yàn)椋?/p>

表2 刀具使用卡

表3 數(shù)控加工工藝卡

圖2 宏程序循環(huán)流程圖

表4 宏程序賦值說明表

（2）右端加工程序?yàn)椋?/p>

（3）O8001橢圓宏程序

從以上程序可看出，手柄上的非圓部分使用的宏程序比較短小，改變了傳統(tǒng)的非圓曲線自動(dòng)編程方式。

2.4 橢圓手柄自動(dòng)編程加工

運(yùn)用MasterCAM 加工橢圓手柄零件，自動(dòng)編程在加工橢圓圓弧與斜面無法交接，因而無法用G73 的固定循環(huán)代碼，因此在加工過程中，左右兩端的交接處在斜面與橢圓的相交處。自動(dòng)編程生成程序的流程圖如圖3 所示。

圖3 MasterCAM 生成程序流程圖

自動(dòng)編程程序?qū)崿F(xiàn)過程（步驟）：

（1）由于手柄外輪廓有橢圓，而MasterCAM 自動(dòng)編程軟件與繪圖軟件之間存在軟件的兼容性，且CAD 與CAM 無法實(shí)現(xiàn)圖形，使得該零件需要通過CAXA 電子圖板2007 將2008CAD 零件圖進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，并且能使MasterCAM 軟件兼容該零件圖。

（2）MasterCAM 調(diào)用零件圖，并選擇兩軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床，設(shè)置材料以及夾具，如圖4、圖5 所示。

圖4 材料設(shè)置

圖5 卡盤設(shè)置

（3）設(shè)置刀具，車削速度V=800r/min，單邊車削深度為1mm，進(jìn)給率為100mm/min，對(duì)零件進(jìn)行粗車，所得走刀路線如圖6、圖7 所示。

圖6 粗車走刀路線

圖7 粗車效果

圖8 精加工走刀路線

圖9 精加工效果

（4）設(shè)置精加工路線以及刀具，車削速度為1200r/min、進(jìn)給率為50r/min，得到的精加工路線如圖8、圖9 所示。

（5）輸出程序，在生成數(shù)控加工程序進(jìn)行后置處理。

2.5 宏程序與自動(dòng)編程加工實(shí)體模型的對(duì)比分析

2.5.1 宏程序加工參數(shù)

由加工零件的模型看，宏程序模型根據(jù)實(shí)際加工中打板形式，通過調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率來獲取最佳精加工參數(shù)，如表5 所示。

由于加工過程中參數(shù)的改變，因而每段中所獲得的表面粗糙度有所不同，在第三段加工中，其光滑度達(dá)到了鏡面車削，粗糙度達(dá)到Ra1.6，比圖紙中所需的要求高一個(gè)等級(jí)。

2.5.2 宏程序與自動(dòng)編程加工對(duì)比分析

宏程序加工與自動(dòng)編程加工對(duì)比分析如表6 所示。

表5 宏程序?qū)嶓w模型加工參數(shù)對(duì)比

表6 宏程序加工與自動(dòng)編程加工對(duì)比

通過上述兩表可以看出，宏程序加工出來橢圓手柄模型比自動(dòng)編程獲得的效果要好，并且宏程序加工橢圓手柄零件能達(dá)到預(yù)期的效果。

3 結(jié) 語

本文通過FANUC 數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)用簡(jiǎn)單的語言總結(jié)宏程序的理論基礎(chǔ)及幾種編程方式，提出一種可以直接用于主程序的宏程序，使宏程序運(yùn)用更加靈活。

在數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)中，使用宏程序編程編出橢圓、雙曲線、拋物線三種非圓曲線的程序指令，使用程序代替走刀指令，突破數(shù)控系統(tǒng)中僅有的G01 直線插補(bǔ)、G02/G03 圓弧插補(bǔ)走刀指令，實(shí)現(xiàn)宏程序可以直接采用由程序組成的指令進(jìn)行走刀加工，其在橢圓手柄的加工中得以驗(yàn)證。

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