基于宏程序的數控車削加工流程圖設計

馮大鵬

(佛山科學技術學院，廣東佛山528000)

宏程序在復雜軸類零件加工中的應用越來越廣泛。宏程序具有靈活、通用和智能的特點。宏程序編寫體現出設計人員工藝設計水平和編程能力，要求設計者不但要具備基本機械工藝數控編程知識，還要有深厚的數學建模和計算機語言知識，這無疑增加宏程序編寫難度。而在數控編程加工領域，具有上述綜合知識和能力的一線工程技術人員并不多。為此，可以借助一定的方法來提高技術人員的宏程序編程設計能力，程序流程圖就是其中的方法之一。無論采用哪一種數控系統軟件，不論是富有經驗的設計人員還是剛剛涉及宏程序的新手，都可以采用程序流程圖作為設計和檢查宏程序的依據。對于復雜零件的編程，流程圖的指導作用更是必不可少。如果能對流程圖的設計及其對宏指令編程的指導作用分析透切，將使設計者少走彎路，有助于編程人員順利編出準確合理的宏程序。

流程圖是程序設計者對解決零件加工工藝問題的方法、思路或算法的一種描述，和一般的程序流程圖相比，數控加工流程圖具有一般流程圖的基本結構:順序、選擇、循環。其中，循環結構是較為復雜的一種結構，數控加工所有的程序都離不開循環。由于數控加工的特點，加工循環又呈現出多樣性和復雜性。因此，在研究宏程序流程圖設計方法時，可從分析循環結構入手，探討數控加工流程圖的構成及變化規律。

1 數控加工流程圖設計的基本方法

數控加工流程圖設計的基本方法是根據加工工藝路線，提取出變量，根據變量變化規律，建立循環體并確定循環流出條件。

數控加工循環有單循環和多重嵌套循環模式。

1.1 變量的提取

不同的數控系統所定義的變量含義較廣，從程序設計角度來看，變量不過是程序中數據的臨時存放場所，是可以改變的數，需要通過賦值或代入方法來確定。在設計流程圖時，變量的選擇取決于加工工藝的需要，這就需要將零件加工路線列出來，分清楚哪些是程序編制過程中的變量，哪些是常量。一般來說，變量主要有以下幾類:切削余量變量，一般以單向遞減的形式出現，如果是復合循環指令內含宏程序，變量就會以指令所指定的切深遞減的形式表現出來;數學函數上的自變量，也是以遞減或遞增的形式出現的。有一些變量并不以增量形式變化，僅用于傳遞參數，如當宏表達式復雜時，出現用于過渡的中間變量。另外一些變量是用于控制加工精度、調整工藝參數，如步距變量、切削速度、切深變量，這些變量的形成與加工工藝有密切關聯。

1.2 單循環結構的流程圖設計

單循環由以下要素構成:初始化;增量;條件表達式。初始化就是對循環控制變量賦初值;增量就是定義循環控制變量每循環一次后，按什么方式變化;條件表達式用于決定什么時候退出循環。在應用流程圖設計宏程序時，循環結構可以用if 語句與條件表達式聯合表示，也可以用while 語句與條件表達式聯合表示，其含義與一般程序設計中的循環語句類似，設計者可根據需要來決定使用哪一種方式。

從單循環的結構可以看出，循環實質上是指變量以增量方式變化，達到設定條件后就退出循環。單循環主要用于一些特殊加工，如切槽和切斷。

例如，切斷直徑為d的軸，采用間歇進刀方式，其切削速度與被加工直徑成正比。這種切斷模式有利于保持合理的切斷速度，防止切斷時出現的切削后角突然加大的現象。

采用單循環，其中變量d 反映了直徑遞減變化狀態，變量f反映了切削速度隨被加工直徑減少而變小的規律。單循環基本模式見圖1。

圖1 單循環基本模式

1.3 兩重嵌套循環流程圖設計

1.3.1 兩重嵌套循環的基本模式

一個循環語句的循環體內包含另一個完整的循環結構，稱為循環嵌套。一個程序中宏循環嵌套最多三重，不過數控加工多采用兩重嵌套循環，用于粗加工流程。

在兩重循環中，外循環的變量一般為切削余量變量，由于大多數零件的廓形都可以通過建立數學模型，用基本函數的形式表示出來，因此，內循環一般為函數自變量增量變化，通過方程變換得出因變量，計算出刀具插補運動坐標，其軌跡符合加工路線要求。自變量的取值范圍根據加工零件的尺寸來選定，在流程圖上，用賦初值作為變量取值的開始，用條件判斷語句結束循環。

在兩重循環的基本模式(圖2)中，外循環包含一個內循環。作為結束循環的測試，內循環和外循環各含有一個條件判斷結構，以此確定變量的變化范圍或取值條件。

圖2 兩重循環的基本模式

在工程實踐上，由于加工工藝需要，兩重循環還有多種變化形式。

1.3.2 嵌套循環中內循環的串聯設計

一個外層循環體中可以包含多個內層循環結構，即為內循環串聯。

圖3所示零件分別由非圓曲線A和B組成，如果以單一方向作為自變量進行增量循環，無論對于曲線A或曲線B而言，自變量的變化幅度太大，導致零件表面粗糙度相差較大，加工質量不佳。為解決這一問題，在設計流程圖時，曲線A以x為自變量，曲線B以z為自變量，在同一外循環中，自變量與因變量進行互換。因此，在這種自變量互換的內循環中，結束循環的判斷條件分別是x 和z坐標，此時，流程圖見圖4。

圖3 實例零件一

圖4 內循環串聯的基本模式一

加工圖5所示指數型超聲變幅桿時，AB段曲率變化較快，對放大性能影響較敏感，無論是粗加工還是精加工都需要較小步距和進給速度;而加工BC段時，為避免數控系統計算量加大，影響速度的提升和加工效率，需要采用較大的步距和進給速度。因此，在進行同一路線切削時，分段采用兩種步距和進給速度，BC段采用較大的步距，而AB段采用較小的步距。點B坐標要預先根據曲線斜率變化及實驗數據設置，其流程圖見圖6。

圖5 實例零件二

圖6 內循環串聯的基本模式二

當內循環串聯時，第一個內循環的流出應指向另一個內循環的起點，此時應注意防止刀位的突變，并與加工工藝相符。

1.3.3 復合循環指令中的內循環設計

這是嵌套循環的另一種表達方式。其中，宏程序作為一種內循環，而外循環由復合循環指令控制，如G71。通過對流程圖的分析，這是一種特殊的兩重嵌套循環，適合用于部分數控系統上，如華中數控系統，其中復合循環指令G71 承擔了類似于外循環的功能，此時，內循環的運動不限于作平行于z軸的進給運動。循環開始賦值是開始段號，轉跳條件是結束段號，見圖7。

1.3.4 內循環的流出設計

一般來說，內循環到達曲線終點，插補完成，需要回到下一層繼續加工。

在流程圖設計中，必然會遇到控制循環次數的問題，否則循環程序將無法結束，即陷入“死循環”。通常采用條件控制辦法，這種條件控制語句可能有一個，也可能有多個，并按一定順序出現。其出現原因有以下幾種:

(1)工藝參數的變換，包括步距、進給速度等。

(2)減少空刀，提高加工效率。

同時出現的多個條件控制語句在邏輯上存在著“或”的關系，即只要達到條件之一即可跳出內循環。因此，其出現順序應符合編程人員的設計需要。

圖7 復合循環指令中的內循環設計

例如，加工雙曲線輪廓零件，其直徑單調增加，材料毛坯為等徑軸。

由于宏程序形成的刀路實際上是等距線，與毛坯形狀相差大，為了避免空程走刀，循環中設置了提前轉跳條件——循環控制直徑，如果刀位超出該直徑，則提前結束循環，轉入下一層加工，其粗加工流程圖見圖8。

圖8 內循環的流出設計示例

1.4 三重嵌套循環的處理方法

當需要運用到三重循環或以上時，可考慮運用子程序調用的方式來實現，這樣可使流程圖簡化。即將最內層的循環做成一個子程序，通過上一層循環調用，這樣可解決所在程序嵌套數量的限制問題，同時也可以提高所在層程序的簡潔性。

2 結束語

在當前數控加工技術逐漸成熟的背景下，零件的數控加工工藝也趨于成熟和穩定，其程序流程圖的設計也將遵循一定的模式，只要把握好流程圖的設計規律，設計人員就不難設計出簡潔合理的流程圖，這將對編程人員應用宏指令編制復雜零件程序有較大的幫助，通過流程圖，可以認識數據或變量的流動狀態，確定循環的嵌套形式和轉跳路線，在應對不同的數控系統和語言規范時，思路更清楚，程序表達更合理。

【1】鄭英，劉讓賢，王艷.基于流程圖的加工中心模塊化數控編程[J].組合機床與自動化加工技術，2007(1):97－99.

【2】朱顯明，馬洪波.華中數控車削系統拋物線宏程序編制解析[J].CAD/CAM與制造業信息化，2010(1):104－105.

【3】陳銀清.宏程序編程在數控加工中的應用研究[J].機床與液壓，2009，37(5):42－45.

【4】王宏.數控宏程序編程的三個關鍵步驟[J].機械制造與自動化，2007(5):48－50.

【5】王衍，王桂平，馮睿.程序設計方法及在線實踐指導[M].杭州:浙江大學出版社，2010.