宏程序指令在非圓曲線數(shù)控加工中的應(yīng)用

曹陽， 劉心宇

（黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱150040）

0 引言

簡單地說，宏程序就是通過公式編程來加工數(shù)控零件的。通過數(shù)控系統(tǒng)的宏程序功能，可以運(yùn)用如算術(shù)、邏輯和函數(shù)等運(yùn)算方法進(jìn)行編程，同時(shí)宏程序還具有強(qiáng)大的循環(huán)、分支、子程序等調(diào)用功能。本文介紹了宏程序的概念、宏程序的優(yōu)勢及宏程序在非圓曲線數(shù)控加工中的應(yīng)用。對于各種不規(guī)則形狀的復(fù)雜零件加工程序的編制可以極大地減少計(jì)算量，精簡程序。

1 宏程序在數(shù)控加工中的作用

數(shù)控編程是數(shù)控加工的重要內(nèi)容之一，首先要進(jìn)行零件圖樣分析，根據(jù)分析確定加工工藝過程，如加工刀頭軌跡、控制介質(zhì)、走刀數(shù)據(jù)等，進(jìn)一步校對并確認(rèn)程序，進(jìn)行首件試加工[1]。數(shù)控編程有人工編程和自動自動編程兩種形式，對于形狀規(guī)則簡單的零件，可以進(jìn)行人工編程，但對于幾何形狀不規(guī)則或過于復(fù)雜的零部件來說，人工編程工作量大，是不適用的，此時(shí)就需要借助計(jì)算機(jī)來進(jìn)行自動編程。自動編程是通過數(shù)控編程語言進(jìn)行加工源程序的編寫，最后生成加工程序。近幾年，隨著數(shù)控加工技術(shù)的飛速發(fā)展，很多數(shù)控系統(tǒng)都為用戶提供了編程輔助功能，能夠滿足用戶需要的數(shù)控功能的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算及程序流程，并且應(yīng)用靈活、形式自由。

數(shù)控編程的重要部分就是宏程序，它是加工程序重要的編程語言?！昂辍痹谟?jì)算機(jī)科學(xué)里有批量處理的概念，在數(shù)控加工中也是如此。宏程序能夠很大程度地簡化編程，對于外形類似、尺寸不同、相同工藝、不同位置參數(shù)的系列零件非常好用。同時(shí)宏程序指令還適合拋物線、橢圓、雙曲線等非圓無插補(bǔ)指令的加工程序編制，應(yīng)用范圍廣。

宏程序就是采用變量的方式進(jìn)行數(shù)控編程，以達(dá)到切削復(fù)雜曲面的方法[2]。宏一般分為A類宏和B類宏，它們的區(qū)別在于格式輸入不同，在oi系統(tǒng)中B類宏的應(yīng)用更廣泛一些。宏程序最關(guān)鍵的兩個(gè)因素：宏變量和常量。舉例說明：G00 X20.0，其中20.0是不變的常量，表示在X軸作快速定位。當(dāng)引入變量#1=20.0，則#1代表一個(gè)變量。再引用G00程序，G00 X[#1]，這里G00是#1，而#1是20.0，說明變量的引入后作用是等效的。二者的區(qū)別是：如果要改變刀具的位置，用G00程序就需要改變語句，而引用變量后就不需要改變程序，僅僅需要改變變量值即可。其中變量可以代表程序中的各類數(shù)據(jù)，如尺寸、G指令編號、刀補(bǔ)號等。如果數(shù)值改變，只需要改變變量的值，而不用修改程序，這樣給程序設(shè)計(jì)帶來了極大的靈活性，這也是宏程序的優(yōu)點(diǎn)，這樣就可以用幾行程序替代一個(gè)程序段。

2 宏程序中的概念和用途

2.1 宏變量

編程中的變量用途主要有4個(gè)：將變量賦值傳送給程序；運(yùn)算；與其他表達(dá)式的比較，決定并實(shí)現(xiàn)是否跳轉(zhuǎn)功能的條件分支；遞增（減）量。其中運(yùn)算是最主要的功能，運(yùn)算包括：算術(shù)運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算和比較操作。以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為例，系統(tǒng)變量表示形式為# +（1～4位數(shù)字），宏程序變量種類有3種：

1）#0～#49代表局部變量，作用范圍是當(dāng)前程序（在同一程序號內(nèi)），用于存放當(dāng)前宏程序中的數(shù)據(jù)，斷電時(shí)丟失為空。舉例：N60 #0=1和N80 #1=40×COS[#0×PI/180]。其中#1～#33代表變量，它用于自變量轉(zhuǎn)移，即在宏程序中局部使用的變量。

2）#50～#199代表全局變量，作用范圍是零件的整個(gè)加工程序，全局變量對于由主程序調(diào)用的各子程序及其他各宏程序來說，是可以通用的?？梢?，名稱（編號）相同的變量，且?guī)в邢嗤闹?，不論是主程序還是子程序，就代表的是同一個(gè)變量。一旦在某個(gè)地方改變這個(gè)變量的大小，所有其它和它關(guān)聯(lián)的地方都受影響。當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，#500～#509變量值則可以保存，#100～#149變量的值會全部被清除。如圖1所示，局部變量和全局變量的作用范圍是不同的。

圖1 局部變量和全局變量的作用

3）由# 與4位數(shù)字組成的變量，代表系統(tǒng)變量。它的作用范圍是能夠獲取機(jī)床處理器和NC內(nèi)存中的所有系統(tǒng)信息。其中，#1000～#1199 系統(tǒng)變量能獲取包括與機(jī)床處理器有關(guān)的交換參數(shù)、機(jī)床狀態(tài)獲取參數(shù)、加工參數(shù)等系統(tǒng)信息。不同的系統(tǒng)變量代表不同的特殊意義，其代表的信息是數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部已經(jīng)定義過的。例如，#1000變量表示的是存儲機(jī)床當(dāng)前的位置X，而#1001表示存儲機(jī)床當(dāng)前位置Y。因此，系統(tǒng)變量的數(shù)值不允許自由使用，不可以隨意改變其數(shù)值和用途。

2.2 常量

常量與數(shù)學(xué)概念想通，即把固定的值賦予相應(yīng)的符號。例如:PI表示圓周率π；TRUE表示條件成立；FALSE表示條件不成立。

3 宏程序的指令

3.1 運(yùn)算符與表達(dá)式

宏程序中所有的常量和變量都可以通過運(yùn)算符和表達(dá)式進(jìn)行表示。因此宏程序的運(yùn)算可通過數(shù)學(xué)符號來表示，過程類似于數(shù)學(xué)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算。

算數(shù)運(yùn)算符：+，-，×，/；條件運(yùn)算符：EQ（=），NE（≠），GT（＞），GE（≥），LT（＜），LE（≤）；邏輯運(yùn)算符：AND,OR,NOT；函數(shù)運(yùn)算符：SIN, COS, TAN, ATAN, ATAN2, ABS,INT, SIGN, SORT, EXP。

表達(dá)式是用運(yùn)算符連接起來的常數(shù)和宏變量構(gòu)成的表達(dá)式，因此表達(dá)式是宏程序中最有效的、最能發(fā)揮其特征的形式。

3.2 賦值語句

把常數(shù)或表達(dá)式的值送給一個(gè)宏變量稱為賦值。變量的賦值方法有2種，即直接賦值和引數(shù)賦值，其中直接賦值的方法較為直觀、方便，其書寫格式為：宏變量=常數(shù)或表達(dá)式。賦值后的語句就可以在程序中進(jìn)行運(yùn)算，舉例：#100=100.0，#101=30.0+20.0。

控制指令起到控制程序流向的作用。在一個(gè)程序中，可以通過GOTO、IF語句的變化來控制程序的流向，分支循環(huán)語句有有3種表達(dá)方式：GOTO語句，代表無條件分支；IF或then語句代表?xiàng)l件分支;WHILE語句while... 代表循環(huán)。條件判別語句IF、ELSE、ENDIF的執(zhí)行方式是：判斷條件是否滿足，當(dāng)條件式不滿足時(shí)，向后執(zhí)行ENDm的后面的程序段。這類語句有2種形式：

3.3 宏程序/子程序的調(diào)用

宏程序是批量處理的程序，會完成一個(gè)特定的功能，因此在定義宏程序上，可以像定義子程序一樣的方法。通常定義宏程序的格式有兩種：G65 P（宏程序名）+<變量賦值>；M98 P（宏程序名）+<變量賦值>。

一般情況下，數(shù)控系統(tǒng)無法直接對橢圓、雙曲線等非圓曲線加工程序進(jìn)行插補(bǔ)加工[3]。例如，加工一個(gè)橢圓截面的手柄形狀工件。需要數(shù)學(xué)的間接處理方法：用直線段或圓弧段去逼近非圓曲線。求出每個(gè)直線段或圓弧段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，就是節(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)行直線或圓弧插補(bǔ)。

以橢圓弧加工為例：在橢圓弧上設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)M，該點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都可以通過橢圓的長軸和短軸及節(jié)點(diǎn)與中心的連線與長軸夾角α獲得。程序如圖2所示。

圖2 橢圓弧加工程序調(diào)用

通過計(jì)算用變量把M點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)賦值，然后進(jìn)行直線插補(bǔ)，加工出近似橢圓弧的曲線。用幾行程序就可以加工出橢圓，足可見宏程序的便捷。

4 應(yīng)用宏程序?qū)崿F(xiàn)對橢圓曲線的加工

1）加工原理。以α角為主要參數(shù)，1°遞進(jìn)增加，求得節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。對每次得到的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直線插補(bǔ)，讓車刀進(jìn)行車削。所有的節(jié)點(diǎn)都找到后，把所得線段連接后就得到近似橢圓。

2）編寫加工程序。如圖3所示，對橢圓曲線進(jìn)行加工程序編寫：虛線框中程序部分之前是準(zhǔn)備部分。以下為相應(yīng)的注釋：

圖3 橢圓曲線加工程序

通過以上的過程，就可以實(shí)現(xiàn)橢圓的加工成型，通過宏程序指令，用短短的7行程序就完成了加工復(fù)雜曲線的程序編制。

3）加工實(shí)例對比。以二級轉(zhuǎn)子試驗(yàn)件加工為例，加工設(shè)備為CINCINNATI CFV900四軸數(shù)控銑床，F(xiàn)ANUC操作系統(tǒng)，材質(zhì)為鈦合金。普通人工編程通過取點(diǎn)描繪加工曲線，計(jì)算量大。若取點(diǎn)不夠或數(shù)量少，曲線精度不夠，導(dǎo)致加工后走刀痕跡明顯，零件表面光潔度不夠，而且容易出現(xiàn)廢品（如圖4）。通過宏程序編制加工程序，不僅比人工計(jì)算取點(diǎn)大大地減少了運(yùn)算量，而且提高了精度（如圖5）。

5 結(jié)論

由此可見，對于復(fù)雜的數(shù)控加工零件，特別是非圓曲線的加工，基本上都可以用這種數(shù)學(xué)方法進(jìn)行逼近和近似處理。正如上面提到的橢圓，想要畫出精確的曲線，我們只需要在程序中定義橢圓公式，每次改變Z坐標(biāo)變量固定值，宏程序就會自動計(jì)算出相對應(yīng)的X坐標(biāo)并繪制加工曲線，進(jìn)行切削?？梢哉f，宏程序并不是十分復(fù)雜，了解它的規(guī)律和應(yīng)用的特點(diǎn)后便很容易掌握，可提高加工效率。

圖4 零件精度不夠且易產(chǎn)生廢品

圖5 宏程序?qū)崿F(xiàn)的精確的曲線加工