宏程序在凹、凸半球面銑削加工中的應用

柳 青

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宏程序在凹、凸半球面銑削加工中的應用

柳 青

(岳陽職業(yè)技術學院 湖南岳陽 414000)

非圓曲線編程是手工編程中的難點，而球面是數控銑床加工中最為常見的非圓曲線。以內、外半球加工為例， 詳細介紹了FANUC系統(tǒng)數控銑床加工球面的宏程序編寫及程序注解，并指出了在編制程序時的注意事項。使用宏程序加工零件可以大大簡化數控程序，達到精確和高效的目的。

球面 宏程序 變量 參數方程

宏程序是程序編制的高級形式，它應用了大量的編程技巧，例如數學模型的建立、加工刀具及切削用量的選擇等，這些使得利用宏程序加工的零件精度很高[1-2]。特別是對于中等難度的零件，使用宏程序進行編程加工要比自動編程加工快得多，同時如果編寫大批量相類似零件的時候只需要改動幾個數據就可以了，沒必要進行大量重復的編程，所以能應用手工編程的地方盡量不要使用自動編程。球面是在宏程序的編制中經常出現的一種圖形，要求編制者能掌握球面的相關方程，并能夠熟練地應用方程式，實現對各種形式的球面進行編程和加工。

1 宏程序

宏程序就是使用了宏變量的程序、由用戶編寫的專業(yè)程序，類似于子程序，可以使用規(guī)定的指令代號以便調用。宏程序的代號稱為宏指令。

用戶宏程序是提高數控機床性能的一種特殊功能，其最大特點就是將有規(guī)律形狀或尺寸的加工零件用最短的程序段表達出來，具有很好的易讀性和易修改性，編寫出來的程序非常簡潔、邏輯嚴密、通用性強，而且機床在執(zhí)行此類程序時，相比執(zhí)行CAD/CAM軟件生成的程序更加快捷，反應更加迅速。

在一般的程序編制中，程序中的地址字符為常量的，一個程序只能描述一個幾何形狀，所以缺乏靈活性和適用性。宏程序中地址字符為變量的(也稱宏變量)，可以根據需要通過賦值語句加以改變，使程序具有通用性。配合循環(huán)語句、分支語句和子程序調用語句，可以編制各種復雜零件的加工程序[3]。

2 球面的程序設計與加工方法

在對球圓面曲面規(guī)則公式進行程序編制時，一般從曲面的規(guī)則公式或參數方程中，選擇其中一個變量做自變量，另一個變量作為自變量的函數，并將公式或方程轉化為自變量的函數表達式，再用數控系統(tǒng)中的變量(#i或i)來表示這個函數表達式，最后根據這個曲面的起始點和移動步距，采用不同深度、不同半徑的圓來擬合球面，如圖1和圖2所示進行程序設計。

圖2 凹球面的擬合

3 凹球面的加工實例

1)零件圖紙及要求：

用直徑為10 mm的球銑刀在FANUC-0i系統(tǒng)機床上銑削加工S20的凹球面，如圖3所示。

圖3 加工SR20凹球面

2)建立數學模型

參數方程如下：

=0(0°～90°，設定初始值為0)

=*cos，=*sin

=20(球半徑，mm)－5(刀具半徑，mm)

3)分析加工路線

首先，建立工件坐標系，確定球零件上表面的中心為、、軸的零點，機床坐標系設置在G54寄存器中。在工件內垂直下刀，不采用半徑補償。

4)NC編程

采用參數方程編寫如下NC程序段。

O1111；程序名

G17G21G80G90G54G40G49G69；運行初始狀態(tài)設置

MO3 S800； 設定主軸轉速

G000O2； 快速運動到工件外下刀點

#1=20 凹球半徑

#2=5 刀具半徑

#3=0 加工起始角度

#4（）=#1－#2 刀具中心距

WHILE[#3LE90]DO1 角度小于等于90°繼續(xù)循環(huán)

#5=#4*sina[#3] 刀具下刀點值的計算

#6=#4*cos[#3] 刀具下刀點值的計算

G01#6Z－#5150 直線運動到下刀點

G03-#6 圓弧運動

#3=#3+1 角度增量，每次增加1度

END1 循環(huán)結束

G0050 抬刀

M30 程序結束并返回程序起點

5)加工分析

在精加工凹球面時要進行排料粗加工，否則刀具加工量太大會引起刀具的破壞或加工尺寸偏差較大[4]。常采用以下兩種開粗加工方式：一種方式是用立銑刀進行螺旋式下刀開粗；另一種方式是將程序中球半徑改小，先掏出個小凹球后再進行加工。

4 凸球面的加工實例

1)零件圖紙及要求：

用直徑為10 mm的立銑刀在FANUC-0i系統(tǒng)機床上銑削加工S20的凸球面，如圖4所示。

圖4 加工SR20凸球面

2)建立數學模型

設定球的半徑為，刀具半徑為，參數方程：

=0(0°～90°，設定初始值為0)

=*sin+，=*cos-

3)分析加工路線

建立工件坐標系，確定球零件上表面的中心為、、軸的零點，機床坐標系設置在G54寄存器中。在工件外垂直下刀，不采用半徑補償，定球的最高頂點為0。

4)NC編程

采用參數方程編寫如下NC程序段。

O1111； 程序名

G17G21G80G90G54G40G49G69；運行初始狀態(tài)設置

MO3 S800； 設定主軸轉速

G000O2； 快速運動到工件外下刀點

#1=20 凹球半徑

#2=5 刀具半徑

#3=0 加工起始角度

WHILE[#3LE90]DO1 角度小于等于90°繼續(xù)循環(huán)

#4=#1*sina#3+#2 刀具下刀點值的計算

#5=#1cos#3-#1 刀具下刀點值的計算

G01X#4Z#5F150 直線運動到下刀點

G03I-#4 圓弧加工

#3=#3+1 角度增量，每次增加1°

(根據加工要求而定可將值改小或增大)

END1 循環(huán)結束

G0050 抬刀

M05 主軸停轉

M30 程序結束并返回程序起點

5)加工分析

在精加工凸球面時要進行排料粗加工，否則刀具加工量太大會引起刀具破壞或加工尺寸偏差較大[4]。常采用以下開粗加工方式：先用立銑刀進行螺旋式下刀開粗將球體部分加工成圓柱體，再將球半徑值改大加工一次，再根據實際尺寸修改球半徑進行精加工。

4 編制程序時的注意事項

在FANUC系統(tǒng)中宏程序應用比較廣泛，編寫宏程序可以在機床數控系統(tǒng)的操作面板上直接用MDI方式，也可以在計算機上編寫程序，通過RSN-32接口傳輸到機床數控系統(tǒng)。不論用什么方式編程，宏程序可分為A類和B類。A類宏程序是以G65 H～P#～Q#～R#～的格式編寫的，而B類宏程序則是以直接的公式和語言編寫的，與C語言很相似。其中H～用H01～H99表示宏程序的各種功能。另外#～表示宏程序中一個存放數值的固定地址稱為變量，可分為4種類型：(1)局部變量:#1～#33是宏程序中局部使用的變量，用于自變量轉移，只能存儲數據，如運算結果。當斷電時其值全部清除；調用宏程序時，自變量對局部變量賦值。(2)公用變量:在不同的宏程序中意義相同，對主程序調用的各子程序或各宏程序都是公用的，用戶可以自由使用。當斷電時變量#100～#199的值全部被清除，而變量#500～#531即使斷電數據仍然保存。(3)系統(tǒng)變量:由#后跟4位數字來定義，它能獲取機床處理器或NC內存中的只讀或讀/寫信息，包括與機床處理器有關的交換參數、機床狀態(tài)參數、加工參數等系統(tǒng)信息。(4)空變量:#0總是空的，沒有值能賦給該變量。掌握好變量是應用好宏程序的關鍵。

5 結語

使用宏程序加工零件不僅大大簡化了數控程序，并且提高零件的加工精度，宏程序在實際加工中得到了廣泛的運用。以上所述只是其中的一實例，雖然不能替代CAD/CAM軟件，但在簡化手工編程的方面起到了重要的作用。

[1] 趙剛.數控銑削編程與加工[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007.

[2] 馮志剛.數控宏程序編程方法技巧與實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[3] 金福吉.數控大賽試題答案點評[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2008.

[4] 王愛玲.數控機床加工工藝[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2006.