基于宏程序的非圓曲面數(shù)控車削編程

張 華，李增平 ，何世松

（1.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330000；2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，南昌 330000）

0 引言

數(shù)控系統(tǒng)一般只能進(jìn)行直線和圓弧的插補(bǔ)運(yùn)算，一旦待加工的零件表面存在諸如拋物線、雙曲線、橢圓線和漸開線等非圓曲線時(shí)，就只能采取自動(dòng)編程或宏程序編程等方式解決了。

非圓曲面類零件的數(shù)控程序編制較難，加工質(zhì)量難保證，成為了影響生產(chǎn)進(jìn)度的主導(dǎo)制約因素。回轉(zhuǎn)體零件中存在的非圓曲面，若能用數(shù)學(xué)方程式表達(dá)，則可利用數(shù)控系統(tǒng)提供的使用變量編程的功能，以解決由于采用擬合法加工非圓曲線所帶來(lái)的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題，并能有效控制形狀與尺寸誤差。

1 用戶宏程序

隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控車床在加工零件的過(guò)程中，除了提供一般的準(zhǔn)備功能、輔助功能指令和調(diào)用子程序指令以外，還出現(xiàn)了允許使用變量并可以進(jìn)行算術(shù)與邏輯運(yùn)算、循環(huán)及轉(zhuǎn)移等功能。這種類加工程序剛好解決了上述問(wèn)題，使零件的加工質(zhì)量大大提高。對(duì)于不同的數(shù)控系統(tǒng)其采用的編程方法有所不同，比如西門子SINUMERIK系統(tǒng)采用R參數(shù)編程，F(xiàn)AGOR系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程，而FANUC系統(tǒng)采用宏程序編程等等。在FANUC數(shù)控系統(tǒng)中提供了兩類用戶宏程序，即A類和B類。FANUC 0系列采用A類型用戶宏程序，而FANUC 0i系列則采用B類型的用戶宏程序。這里以FANUC 0i數(shù)控系統(tǒng)的B類宏程序?yàn)槔f(shuō)明宏程序在拋物面加工中的應(yīng)用。

1.1 變量

與普通程序相比，用戶宏程序中是使用變量來(lái)代替常量進(jìn)行編程的，并且還可以使用宏指令對(duì)變量進(jìn)行賦值、運(yùn)算等處理。變量的表示方式在宏程序中有規(guī)定，要求以“#”及后面的變量號(hào)組成，如#100等。變量號(hào)也可以用表達(dá)式指定，但表達(dá)式必須用中括號(hào)封閉起來(lái)，如#[#22+100]等。

其中變量分為四種類型，即空變量、局部變量、公共變量和系統(tǒng)變量。其變量號(hào)和功能如表1所示。

表1 變量號(hào)及其功能

1.2 變量的運(yùn)算和控制指令

1.2.1 變量的運(yùn)算

用戶宏程序中，變量可以進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。比如賦值、算術(shù)運(yùn)算、函數(shù)計(jì)算、邏輯運(yùn)算與各種進(jìn)制的轉(zhuǎn)換等。

1.2.2 控制指令

控制指令主要是控制用戶宏程序主體的程序流程。根據(jù)控制方式不同分為條件轉(zhuǎn)移和非條件轉(zhuǎn)移兩類。其中條件轉(zhuǎn)移根據(jù)條件不同又分為3類，即IF[＜條件式＞] GOTO n（n為順序號(hào)）、WHILE[＜條件式＞] DO m（m為順序號(hào)）……END m和IF[＜條件式＞] THEN。

1）條件轉(zhuǎn)移語(yǔ)法規(guī)則

（1）IF[＜條件式＞] GOTO n（n為順序號(hào)）

如果＜條件式＞成立，從順序號(hào)為n的程序段以下開始執(zhí)行；如果＜條件式＞不成立，則執(zhí)行下一個(gè)程序段。

（2）WHILE[＜條件式＞] DO m（m為順序號(hào)）

……END m

當(dāng)＜條件式＞成立，從DO m的程序段到END m的程序段重復(fù)執(zhí)行；如果＜條件式＞不成立，則從m的下一個(gè)程序段執(zhí)行。其中DO和END后面的號(hào)是指定程序執(zhí)行范圍的標(biāo)號(hào)，標(biāo)號(hào)為1、2、3，若用其他的值會(huì)發(fā)生P/S報(bào)警。

（3）IF[＜條件式＞] THEN

如果[＜條件式＞]滿足，執(zhí)行預(yù)先決定的宏程序語(yǔ)句，并只執(zhí)行一個(gè)宏程序語(yǔ)句。

2）無(wú)條件轉(zhuǎn)移語(yǔ)法規(guī)則為：GOTO n。

2 宏程序編程思想

在用戶宏程序中，由于可以使用變量來(lái)代替具體數(shù)值，因而在加工同一類零件時(shí)，如能有一個(gè)通用宏程序，用戶只需將實(shí)際加工零件的值賦予變量即可，而不需要對(duì)每一個(gè)零件都編一個(gè)程序，這樣可以極大地提高工作效率。下面以非圓曲面的回轉(zhuǎn)體類零件中拋物面為例來(lái)說(shuō)明如何建立這樣的一個(gè)宏程序。假設(shè)一個(gè)加工通用拋物面的宏程序，拋物線的開口距離為V，拋物線方程為X2=-2PZ，如圖1所示。

圖1 拋物線曲線類零件示意圖

車削此回轉(zhuǎn)體零件時(shí)，假設(shè)工件坐標(biāo)原點(diǎn)在拋物線頂點(diǎn)上，采用直線逼近法，即在X向分段，以0.2～0.5mm為一個(gè)步距，并把X作為自變量，Z作為X的函數(shù)。為了編制一個(gè)可以適用于加工不同的拋物線、不同起始點(diǎn)和不同步距的零件，在宏程序中只用變量，而不用具體數(shù)據(jù)。使用時(shí)在主程序中調(diào)出該宏程序的用戶宏指令段內(nèi)為上述變量賦值，用戶就可以加工出不同拋物線、不同起始點(diǎn)和不同步距的拋物面回轉(zhuǎn)體零件，從而大大提高了編程效率和零件的加工生產(chǎn)效率。

根據(jù)上述工藝分析，可編制出用戶宏程序的流程圖，如圖2所示。

圖2 宏程序編制流程圖

3 非圓曲面零件的宏程序應(yīng)用舉例

零件圖如圖3所示：毛坯直徑為Φ40mm，總長(zhǎng)為102mm，材料為45#鋼棒料。該零件的編程難點(diǎn)主要在右端拋物線這里，因此我們只分析拋物線的數(shù)控加工程序編制。

采用公共變量#101作為X軸變量，#100作為Z軸變量，加工拋物面時(shí)，拋物線方程原點(diǎn)與工件零點(diǎn)重合。粗加工刀具路徑如圖4所示。這種加工方法避免使用G73指令產(chǎn)生的“空切”現(xiàn)象，提高了生產(chǎn)效率。

圖3 零件圖

圖4 粗加工拋物面部分的走刀路徑

根據(jù)圖3，經(jīng)計(jì)算后求得拋物線方程為X2=-15.31Z。該零件的拋物面部分?jǐn)?shù)控加工程序如下：

O0001；

……

#101=17.5；#101為X軸變量，置初始值17.5

#102=1.5；#102X方向步距值變量，設(shè)為1.5

#103=0；

WHILE[#101GT#103]DO1；

#101=#101-#102；X方向減去一個(gè)步距

IF[#101LT#103]THEN#101=#103；

#104=[#101*#101/15.31]；

G01 Z2.0 F1；

G42 X[2*#101] F0.12；

G01 Z[-#104+0.5]；留0.5mm精加工余量

G40 U1.0；

END1；

……

這里只給出了粗加工的部分程序，精加工程序簡(jiǎn)單易編，在此省略。在實(shí)際加工前，可應(yīng)用數(shù)控加工仿真軟件對(duì)上述粗加工程序進(jìn)行驗(yàn)證，以確保程序正確無(wú)誤。

4 結(jié)論

借助數(shù)控系統(tǒng)提供的宏程序功能編制拋物面回轉(zhuǎn)體零件的數(shù)控加工程序，使非圓曲面的數(shù)控車削加工零件的表面質(zhì)量得到提高，加工誤差大大減小，從而產(chǎn)品合格率得到極大提升。使用宏程序編程之后，可以在編程中用變量代替具體的數(shù)值，這樣加工同一類工件時(shí)，只需將實(shí)際數(shù)值賦值給變量即可，而不必對(duì)每一個(gè)零件編程，因而可極大地提高數(shù)控編程與加工效率。

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