基于HNC-21T數(shù)控系統(tǒng)非圓曲線輪廓宏指令編程的應(yīng)用研究

楊光龍 王華麗 劉芳

摘?要：非圓曲線輪廓即公式曲線輪廓，宏程序在解決非圓曲線輪廓和復(fù)雜工件輪廓加工中得到了廣泛的應(yīng)用，但對于很多計算機高級語言編程基礎(chǔ)較差或者是數(shù)學(xué)計算能力較差的數(shù)控車削加工編程人員來說常常難以掌握。通過對華中數(shù)控車削HNC-21T系統(tǒng)公式曲線輪廓宏指令編程的分析、計算研究，形成了數(shù)控車削系統(tǒng)公式曲線輪廓宏指令編程的模板，使數(shù)控編程人員在生產(chǎn)實踐中，只要能看懂生產(chǎn)零件圖，根據(jù)編程模板，就可以快速、準確地編寫出復(fù)雜工件輪廓的數(shù)控加工程序。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車;非圓曲線;宏指令;編程

中圖分類號：TG527文獻標識碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.006Open Science Identity（OSID）

Application Research on Macro Command Programming of Non-circular

Curve Profile Based on HNC-21T CNC System

Yang Guanglong，Wang Huali，Liu Fang

（Guizhou Agricultural Vocational College，Guiyang 551400，China）

Abstract： Non-circular curve contour is the formula curve contour.?Macro program has been widely used in solving non-circular curve contour and complex workpiece contour machining， but it is often difficult for many CNC turning programmers who have poor basic programming language or poor mathematical calculation ability.By analyzing and calculating the macro command programming of formula curve contour of HNC-21T system in Huazhong CNC turning， the macro command programming template of formula curve contour of CNC turning system is formed， which enables CNC programmers to quickly and accurately write the CNC machining program of complex workpiece contour as long as they can understand the production part drawing and according to the programming template in production practice.

Key words：NC turning ; non-circular curve; marco-instruction; programme

0?引言

在數(shù)控車削加工中經(jīng)常會碰到非圓曲線輪廓的工件，所謂非圓曲線輪廓即公式曲線輪廓，其工件輪廓曲線可以用函數(shù)公式來描述，比如拋物線、橢圓等。對于這類車削零件在編寫數(shù)控加工程序時，如果采用傳統(tǒng)的手工編程方法，其計算的工作量較大、處理的時間較長，并且很容易出現(xiàn)錯誤，難以滿足數(shù)控車削加工生產(chǎn)實際的需求。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，先進的數(shù)控系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，為數(shù)控編程操作者提供了廣闊的空間，運用宏指令編程是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的一個十分重要的新功能，在數(shù)控加工領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。在各級數(shù)控技能大賽和數(shù)控操作工技能等級考試中，宏指令編程是主要的考核知識點之一[1]。在企業(yè)的生產(chǎn)實踐中，用數(shù)控車削機床來加工非圓曲線輪廓的工件時，經(jīng)常也要用到宏指令編程，然而，許多數(shù)控操作工人因為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差對數(shù)控宏指令編程并不是十分熟悉，對非圓曲線輪廓宏指令編程難以掌握。因此，以基于華中世紀星HNC-21T數(shù)控車削系統(tǒng)為例，分析研究車削非圓曲線輪廓宏指令的編程方法、編程步驟，形成公式曲線宏指令編程模板，使數(shù)控操作人員在生產(chǎn)實踐中，只要能看懂零件生產(chǎn)圖，根據(jù)非圓曲線輪廓宏指令變量編程的步驟，經(jīng)過簡單的函數(shù)公式變形與變換，套用宏指令變量編程模板，就能快速、準確地編寫出復(fù)雜工件輪廓的數(shù)控加工程序，并能滿足圖紙的加工精度要求，同時結(jié)合編程實例，介紹了非圓曲線輪廓宏指令編程模板的具體應(yīng)用。

1?非圓曲線輪廓宏指令編程方法分析與計算

工件上的非圓曲線輪廓是可以用函數(shù)表達式來描述的，如橢圓輪廓用橢圓方程式來描述，通過對函數(shù)表達式進行變形與變換，重新確定函數(shù)的自變量和因變量;根據(jù)曲線輪廓的坐標值來確定函數(shù)變量的取值范圍，具體分析與計算過程如下。

1.1?公式曲線函數(shù)中自變量確定方法

（1）在華中數(shù)控車削編程系統(tǒng)中常用Z坐標來表示軸向尺寸值，用X來表示徑向尺寸值，即直徑值。因此，將公式曲線函數(shù)中的兩個變量對應(yīng)地更換為X和Z，并對公式曲線函數(shù)式進行變形與變換，定義其中任意一個變量X或Y作為自變量，其零件的加工效果相同。

（2）在確定公式曲線函數(shù)的自變量時，由于變量范圍越大，可走刀次數(shù)越多，零件的加工精度就越高。因此，通常要選擇變量X或Z的變化范圍較大的一個變量作為公式曲線函數(shù)的自變量。如圖1所示的橢圓槽階梯軸零件，橢圓槽的輪廓曲線是從起點S到終點T，其變量Z坐標值的變化范圍是0～16 mm，X坐標值的變化范圍從圖中明顯可以看出比Z坐標值的變化范圍要小得多，因此，取變化范圍較大的Z坐標作為該公式曲線函數(shù)的自變量比選定變化范圍較小的X坐標作為自變量更合適，加工精度更高。在企業(yè)的生產(chǎn)實踐中設(shè)計資料證明，由于軸類零件的長度尺寸一般均大于徑向尺寸，所以軸類零件常常選定Z坐標作為公式曲線函數(shù)自變量。

（3）根據(jù)公式曲線函數(shù)表達式在變換或計算時的簡便情況來決定選擇X或Z作為自變量。在圖3所示的三次方函數(shù)非圓曲線輪廓零件圖中，其非圓曲線輪廓的函數(shù)表達式為

Z=0.005X3（1）

式（1）中含有變量X的多次方，如果我們將變量Z坐標定義為自變量，則關(guān)于Z坐標自變量的公式函數(shù)表達式變換為

X=3Z0.005（2）

這不難看出式（2）中含X有三次開方函數(shù)，使得在采用宏指令編程時不便于用宏指令來表達，因此，如將X坐標定義為自變量則比較合適，同時也方便程序的表達與計算。

（4）華中世紀星HNC-21T數(shù)控車削系統(tǒng)變量表示形式為#號后面跟1～4位數(shù)字，其中，#0～#49是宏程序中使用的局部變量，常用于存放宏程序中的坐標數(shù)據(jù)，斷電時丟失為空。為了清楚和方便表達X和Z坐標變量，在這里將與X坐標相關(guān)的函數(shù)變量設(shè)為以#1開頭的數(shù)據(jù)形式，例如：#1、#11、#12、#13等變量，同時將與Z坐標相關(guān)的函數(shù)變量設(shè)為以#2開頭的數(shù)據(jù)形式，例如：#2、#21、#22、#23等變量。在生產(chǎn)實踐中，其宏變量的定義也可以完全根據(jù)數(shù)控程序員或操作工人的習(xí)慣來進行定義，不會影響數(shù)控加工的質(zhì)量和效果[2]。

1.2?確定函數(shù)中自變量的起始點和終止點的坐標值

公式曲線函數(shù)圖像均有自身的平面坐標系，自變量的起始點和終止點的坐標值就是相對于函數(shù)圖像自身坐標系的坐標值。這里起始點的坐標值為公式曲線函數(shù)自變量的初始值，終止點的坐標為公式曲線函數(shù)自變量的終止值，這些坐標值都是結(jié)合零件實際輪廓與函數(shù)圖像來計算的。在圖1所示的橢圓槽階梯軸零件中，首先確定橢圓線段的Z向坐標為自變量（#2），橢圓曲線起始點S相對于自身的坐標系的Z向坐標值為Z1=+8 mm，橢圓曲線輪廓實際的終止點T的Z向坐標值為Z2=-8 mm。所以公式曲線函數(shù)自變量#2的初始值為+8 mm，終止值為-8 mm。在如圖2所示的拋物線非圓曲線輪廓零件圖中，首先確定拋物線段的Z向坐標作為公式曲線函數(shù)的自變量，仍用宏變量#2表示，不難看出起始點S的Z向坐標值是Z1=25.626-10=15.626 mm，終止點T的Z向坐標值是Z2=25.626-10-14.026=1.6 mm。因此自變量#2相對于函數(shù)自身坐標系的初始值為15.626 mm，終止值為1.6 mm。

在圖3所示的零件圖中，因公式曲線函數(shù)表達式中變量X含有三次方，因此選擇X坐標為公式曲線函數(shù)的自變量比較合適，計算也較方便，宏變量用#1表示，起始點S相對于函數(shù)自身坐標系坐標值

X1=28.171 - 12 = 16.171 mm（3）

終止點T的坐標為

X2=320.005=7.368 mm（4）

因此如式（3）（4）自變量#1的初始值為16.171 mm，終止值為7.368 mm。

1.3?通過函數(shù)變換，建立關(guān)于宏變量的函數(shù)表達式

華中世紀星HNC-21T數(shù)控車削系統(tǒng)配備了較強的類似于高級語言的宏程序功能，用戶可以使用宏變量進行算術(shù)運算、邏輯運算和函數(shù)的混合運算。在圖1所示零件中，公式曲線輪廓函數(shù)表達式如果設(shè)X坐標為因變量，Z坐標為自變量，則公式曲線函數(shù)表達式為式（5）

X=5*SQRT[1-Z*Z/10/10]（5）

根據(jù)HNC-21T數(shù)控系統(tǒng)宏變量編程表示方法，用宏變量#1表示X，用宏變量#2表示Z，即得公式曲線函數(shù)宏變量表達式（6）

#1=5*sqrt[1-#2*#2/10/10]（6）

在如圖2所示零件中，設(shè)X坐標為因變量，Z坐標為自變量，則公式曲線函數(shù)表達式為式（7）

X=SQRT[Z/0.1]（7）

將X、Z分別用宏變量#1、#2表示，即得#1相對于#2的公式曲線函數(shù)宏變量表達式（8）

#1=SQRT[#2/0.1]（8）

在如圖3所示零件中，設(shè)Z坐標為因變量，X坐標為自變量，則公式曲線函數(shù)表達式為式（9）

Z = 0.005 * X * X * X（9）

根據(jù)HNC-21T數(shù)控系統(tǒng)宏變量編程表示方法，用宏變量#1表示X，用宏變量#2表示Z，即得公式曲線函數(shù)宏變量表達式（10）

#2 = 0.005* #1 * #1 * #1（10）

1.4?確定編程坐標系原點與公式曲線函數(shù)自身坐標系原點間的關(guān)系

編程坐標系即工件坐標系，公線曲線輪廓是相對于函數(shù)自身的坐標系生成的圖像曲線。HNC-21T數(shù)控系統(tǒng)宏指令編程必須要明確編程坐標系原點與函數(shù)曲線自身坐標系原點的關(guān)系，即他們之間在坐標軸上的偏移距離。在如圖1所示的零件中，橢圓曲線自身圖像的原點相對于右端面中心編程原點在X軸方向上的偏移量為ΔX=+15 mm，在Z軸方向上的偏移量為△Z=- 30 mm;如圖2所示的零件圖相關(guān)特征為：非圓曲線輪廓函數(shù)自身圖像原點相對于右端面中心的編程原點在X軸方向上的偏移量為ΔX=+20 mm，在Z軸方向上的偏移量為△Z=- 25.626 mm。

在如圖3所示的零件中，三次方函數(shù)曲線圖像自身坐標原點相對于右端面中心的編程原點在X軸方向上的偏移量為ΔX =+28.171 mm，在Z軸方向上的偏移量為△Z=-9.144 mm。

2?非圓曲線輪廓宏指令編程模板

2.1?將函數(shù)中的X作為自變量的宏指令編程通用方法

以X作為自變量，對公式曲線函數(shù)表達式進行變換，用宏變量#1替代表達式中的自變量X，用宏變量#2替代表達式中的因變量Z。根據(jù)零件加工精度設(shè)自變量步長為ΔU，則非圓曲線輪廓段的精加工宏程序編程通用方法如下

#1=X1 （X1是函數(shù)自身坐標系下曲線輪廓起始點S的X坐標值，并將該值賦值給自變量#1）

WHILE#1 GE X2（循環(huán)條件判斷，X2是函數(shù)自身坐標系下曲線輪廓終止點T的X坐標值）

#2=f（#1）（以#1為自變量，#2為因變量，進行函數(shù)變換）

#11=±#1+ΔX（#11為編程坐標系下的X坐標值，如編程選用正輪廓，則自變量#1前冠以正，反之冠以負。ΔX為函數(shù)自身坐標系原點相對于編程坐標系原點在X軸上的偏移量）

#22=#2+ΔZ（#22為編程坐標系下的Z坐標值，ΔZ為函數(shù)自身坐標系原點相對于編程坐標系原點在X軸上的偏移量）

G1 X[2*#11] Z[#22]（G1為直線插補加工指令）

#1=#1-ΔU （自變量#1以步長ΔU作自減運算）

ENDW（結(jié)束WHILE循環(huán)）

2.2?將函數(shù)中的Z作為自變量的宏指令編程通用方法

以Z作為自變量，對公式曲線函數(shù)表達式進行變換，用宏變量#2替代表達式中的自變量Z，用宏變量#1替代表達式中的因變量X。根據(jù)零件加工精度設(shè)自變量步長為ΔW，則非圓曲線輪廓段的精加工宏程序編程通用方法如下：

#2=Z1 （Z1是函數(shù)自身坐標系下起曲線輪廓起始點S的Z坐標值，并將該值賦值給自變量#2）

WHILE#2 GE Z2（循環(huán)條件判斷，Z2是函數(shù)自身坐標系下曲線輪廓終止點T的Z坐標值）

#1=f（#2）（以#2為自變量，#1為因變量，進行函數(shù)變換）

#11=±#1+ΔX （#11為編程坐標系下的X坐標值，如編程選用正輪廓，則因變量#1前冠以正，反之冠以負。ΔX為函數(shù)自身坐標系原點相對于編程坐標系原點在Z軸上的偏移量）

#22=#2+ΔZ（#22為編程坐標系下的Z坐標值，ΔZ為函數(shù)自身坐標系原點相對于編程坐標系原點在Z軸上的偏移量）

G1 X[2*#11] Z[#22] （G1為直線插補加工指令）

#2=#2-ΔW（自變量#2以步長ΔW作自減運算）

ENDW（結(jié)束WHILE循環(huán)）

3?非圓曲線輪廓宏指令編程模板的具體應(yīng)用

根據(jù)華中世紀星HNC-21T數(shù)控車削系統(tǒng)指令格式，運用非圓曲線輪廓宏指令編程模板，結(jié)合HNC-21T數(shù)控車削系統(tǒng)粗加工循環(huán)指令，可以實現(xiàn)公式曲線輪廓的快速、準確編程，具體應(yīng)用示例如下：

根據(jù)圖1所示零件進行工藝分析，設(shè)毛坯直徑為25 mm，確定切削參數(shù)，則外輪廓的粗加工和精加參考程序如下：

%1（程序頭）

T0101（調(diào)用01號車刀，選用01號刀具偏置補償）

G90 M3 S800（絕對坐標編程，機床主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速800 r·min-1）

G0 X35 Z2 （刀具快速移動到粗車循環(huán)指令的起點）

G71 U1 R0.5 P10 Q20 X0.6 F120（G71為粗車循環(huán)指令，精車余量為0.6 mm）

N10 G1 X10 F60 S1200（精加工程序的起始段）

Z-10

X24

Z-22 （非圓曲線輪廓的起始點S）

#2=8 （將8賦值給為自變量#2）

WHILE #2 GE [-8]（循環(huán)條件判斷，自變量#2的終止值為-8）

（用#1、#2代替函數(shù)表達式中的X、Z）

#11=-#1+15（選用負輪廓編程，因些變量#1前冠以負號;ΔX=15）

#22=#2-30 （ΔZ=-30）

G1 X[2*#11] Z[#22] （直線插補加工指令）

#2=#2-0.5（自變量#2以步長0.5作自減運算）

ENDW（循環(huán)結(jié)束）

N20 G1 Z-50（精加工程序終止段）

G0 X120 Z85（快速定位到退刀點）

M30 （程序結(jié)束）

4?結(jié)語

宏程序是數(shù)控系統(tǒng)的一種特殊功能，它可以實現(xiàn)對零件的復(fù)雜形狀或非圓曲線輪廓用簡短的加工程序進行描述，程序具有易讀性和易修改性。運用非圓曲線輪廓宏指令編程模板，只要看懂生產(chǎn)零件圖，直接套用編程模板，就可以快速、準確地編寫出復(fù)雜工件輪廓的數(shù)控加工程序。數(shù)控加工生產(chǎn)實踐證明，不論采用什么方法，在最短的時間內(nèi)，快速編寫出合格的數(shù)控加工程序，并加工出合格的零件，這才是我們所要追求的[3]。

參考文獻：

[1] 禹誠.數(shù)控車削加工中公式曲線宏程序編程模板在數(shù)控大賽中的應(yīng)用[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2007（3）：22-24.

[2] 馬莉.數(shù)控車宏程序編程模板的設(shè)計及應(yīng)用[J].科技傳播，2012（5）：25-27.

[3] 馬莉.基于宏程序的橢圓手柄數(shù)控編程加工研究[J].湖北農(nóng)機化，2019（11）：15-17.