數(shù)控宏程序在數(shù)控車床中的應用

申毅莉

（梧州學院 電子信息工程系，廣西 梧州543002）

1 宏程序的含義及理論基礎

一般意義而言，數(shù)控指令是指ISO 代碼指令編程，即每一指令的功能是固定的，由系統(tǒng)廠家生產，使用者只需且只能按照機床的控制規(guī)定編程即可。但有時這些指令滿足不了用戶的需求，系統(tǒng)因此提供了用戶宏程序平臺，用戶可以對數(shù)控系統(tǒng)進行一定的功能擴展，即在數(shù)控系統(tǒng)宏程序功能的平臺上進行開發(fā)，其開發(fā)出來的程序就是宏程序［1］。宏程序是數(shù)控系統(tǒng)中一種具有計算能力和決策能力的數(shù)控程序，即采用參數(shù)化編程就稱之為宏程序。

1.1 適用于宏程序加工的內容

（1）加工工藝的優(yōu)化。加工工藝的優(yōu)化主要是數(shù)控加工程序的優(yōu)化，要求操作者非常方便、快速地調整生產過程的加工參數(shù)（如刀具尺寸、刀具補償值、層降、步距、計算精度等），宏程序在這方面有強大的優(yōu)越性。使用宏程序編程加工時，只需針對各項加工參數(shù)所對應的自變量賦值做出個別調整，就能調整到最優(yōu)化的狀態(tài)。

（2）保證幾何參數(shù)曲面的加工。機械零件的形狀主要是各種凸臺、凹槽、圓孔、斜平面、回轉面等組合體。構成其幾何因素無外乎點、直線、圓弧、各種二次圓錐曲線（橢圓、拋物線、雙曲線）等，這些都是基于三角函數(shù)、解析幾何的數(shù)學應用。上述的直線或曲線在數(shù)學上均可以用三角函數(shù)表達式、解析方程式以及參數(shù)方程加以表達。因此宏程序具有廣泛的應用空間，能發(fā)揮較強的作用。

（3）特殊螺紋的加工。有一些很特殊的應用，如變螺距螺紋加工，運用宏程序切削變螺距螺紋，在循環(huán)中只需要每轉動一圈，對螺距進行遞增（遞減）一定量，這樣就可以實現(xiàn)加工過程中螺距的變化。

（4）宏程序與普通編程的比較。宏程序與普通編程存在一定的區(qū)別，如表1 所示。

從表1 中可以看出，宏程序與普通編程之間的差別。宏程序編程更靈活。

表1 宏程序與普通編程的簡要對比

1.2 宏程序的理論基礎

（1）橢圓走刀軌跡的宏程序編程指令O8001

（2）雙曲線走刀軌跡的宏程序編程指令O8002

（3）拋物線走刀軌跡的宏程序編程指令O8003

變量說明：

對于橢圓與雙曲線，#1 為X 軸變量，#2 為Z 軸的自變量，#3 為長半軸尺寸，#4 為短半軸尺寸，#5 為Z 軸自變量每次步進的量，#6 為加工終點的Z 軸坐標值。

對于拋物線，#1 為X 軸變量，#2 為Z 軸的自變量，#3為P 的數(shù)值，#4 為Z 軸自變量每次步進的量，#5 為加工終點的Z 軸坐標值。

以上三個宏程序只需要保存于數(shù)控系統(tǒng)中，其程序號在車床上如同G01，G02/G03 插補指令一樣，就可以實現(xiàn)橢圓、雙曲線、拋物線這三種非圓曲線的走刀。

2 FANUC 車床宏程序的典型零件加工實例

2.1 選擇及確定加工方案

2.1.1 零件分析

如圖1 所示的工件為一個常用的帶橢圓的手柄零件，其橢圓與直線相切，左端為M20 的單頭普通三角螺紋。外形表面粗糙度要求為Ra1.6，要求較高，倒角尺寸為R2，總長尺寸公差為0.1mm。

圖1 橢圓手柄零件

2.1.2 比較和確定零件加工方案

方案1：普通車床加工。加工橢圓曲面時，由于普通車床無法實現(xiàn)車床兩軸聯(lián)動，無法保證曲面的尺寸及曲面過渡，因此普通車床無法加工橢圓手柄。

方案2：普通編程加工。普通編程只能加工直線或圓曲線，對于非圓曲線，則需要分解成N 個點，同時需要每個點的坐標，采用直線擬合加工，但是想在橢圓上分解出N 個點來，并找到每個點的坐標是非常困難的，因此無法使用普通編程加工。

方案3：宏程序編程加工。對于非圓、有規(guī)律曲線的加工，宏程序可以重復循環(huán)使用，程序短小精悍，可以實現(xiàn)程序小模塊化，方便編程與使用，其加工速率高，能達到2000～3000m/s，加工的表面質量高，能達到表面粗糙度Ra1.6。

方案4：自動編程。對于一般的曲面，自動編程基本能實現(xiàn)，而自動編程所得到的程序非常龐大，容易超出系統(tǒng)的容量，只能DNC 在線加工；同時自動編程所生成的程序在系統(tǒng)需要大量的計算，因此在速度大于800m/s 以上時，會出現(xiàn)遲緩、斷續(xù)的現(xiàn)象，加工表面質量不高，要達到粗糙度Ra1.6，則需要安排在磨床進行精磨，增加工序。

綜上所述，方案3 優(yōu)于其余的三種方案，因此采用方案3；下文中將宏程序與自動編程程序進行對比。

2.2 橢圓手柄工藝分析

材料為45 鋼，毛坯尺寸為φ40×115mm 的圓形棒料。

2.2.1 宏程序加工手柄加工工藝分析

工件的右端面為橢圓，不易于車床上一般的三角卡盤裝夾，因而先加工左端的外輪廓，后加工右端的橢圓。加工左端時，由于有螺紋，如果先加工左端、后加工右端，裝夾左端會損壞螺紋，并且螺紋M20×1 比較小，可使用板牙加工即可。如果需要加工比較大的螺紋，可以在完成右端加工時，用銅皮包裹，再用三角卡盤裝夾。

2.2.2 選擇機床及刀具

采用FANUC 數(shù)控系統(tǒng)臥式車床。由于有斜面，為了使刀具與工件的斜面在走刀加工過程中不產生干涉或過切，因此應根據(jù)斜面的斜度選擇合適的刀具角度。

Z 軸方向上單邊尺寸差：（36-26）/2=5mm；

X 軸方向上尺寸差：70-46=24mm；

單邊斜度為：arctan（5/24）=11.768°；

刀偏角：90°-11.768°=78.232°。

為了防止在加工過程中產生過切，在加工右端時，刀偏角度必須小于78.232°，因此在3 號與4 號刀架上安裝偏角為75°外圓菱形合金刀。

2.2.3 選擇切削用量

參考車削用量表以及經驗值，粗加工時車削用量為：主軸轉速1000r/min，進給量f=100mm/min；精加工時車削用量為：主軸轉速2000r/min，進給量f=50mm/min。

留給精車的余量為0.1～0.5mm，考慮精車刀具有R0.2 的圓弧倒角，為了避免車削φ20mm 到φ26mm 之間的階梯時出現(xiàn)過切或未切，并且參考車削用量表、經驗值以及刀具刀尖圓弧半徑大小，X 向、Z 向均取0.2mm 的精車余量；同時由于右端面（即帶橢圓弧端）采用G73 循環(huán)指令，并且粗車分5 次車削，因此U 值設定=實際尺寸-第一刀切入量-精車余量。其中，實際尺寸=（最大回轉直徑-最小回轉直徑）/2=（36-0）/2=18mm；第一刀切入量=實際尺寸/分割刀數(shù)=18/5=3.6mm；精車余量為0.2mm；因此：U 值=5-1-0.2=3.8mm；

2.2.4 加工工藝步驟

①夾右端4～5 個齒，約60mm，粗車左端端面和外圓，留出0.2mm 的精加工余量。

②換刀精加工左端外圓，尺寸到達φ19.90mm（螺紋大徑）、φ22mm、R2、C2、20mm、5mm 到圖紙要求

③掉頭、用薄銅皮包左端，裝夾左端，找正裝夾。

④粗加工右端面、外圓、留出0.2mm 的精車余量。

⑤換刀精車右端，達到圖紙尺寸和形位公差要求（精車時，在刀具上加油石，可以去毛刺）。

⑥使用游標卡尺（GB/T 21389-2008）、千分尺（GB/T 1216-2004）檢查工件的各個尺寸，以保證達到加工的要求。

根據(jù)上述橢圓手柄零件加工工藝，可編寫刀具卡、工藝卡，如表2、3 所示。

2.3 橢圓手柄宏程序編程加工

橢圓手柄宏程序編程的流程圖如圖2 所示。

根據(jù)圖2所示流程圖，數(shù)控宏程序賦值說明表如表4所示。

（1）工件左端加工程序為：

表2 刀具使用卡

表3 數(shù)控加工工藝卡

圖2 宏程序循環(huán)流程圖

表4 宏程序賦值說明表

（2）右端加工程序為：

（3）O8001橢圓宏程序

從以上程序可看出，手柄上的非圓部分使用的宏程序比較短小，改變了傳統(tǒng)的非圓曲線自動編程方式。

2.4 橢圓手柄自動編程加工

運用MasterCAM 加工橢圓手柄零件，自動編程在加工橢圓圓弧與斜面無法交接，因而無法用G73 的固定循環(huán)代碼，因此在加工過程中，左右兩端的交接處在斜面與橢圓的相交處。自動編程生成程序的流程圖如圖3 所示。

圖3 MasterCAM 生成程序流程圖

自動編程程序實現(xiàn)過程（步驟）：

（1）由于手柄外輪廓有橢圓，而MasterCAM 自動編程軟件與繪圖軟件之間存在軟件的兼容性，且CAD 與CAM 無法實現(xiàn)圖形，使得該零件需要通過CAXA 電子圖板2007 將2008CAD 零件圖進行復現(xiàn)，并且能使MasterCAM 軟件兼容該零件圖。

（2）MasterCAM 調用零件圖，并選擇兩軸聯(lián)動的機床，設置材料以及夾具，如圖4、圖5 所示。

圖4 材料設置

圖5 卡盤設置

（3）設置刀具，車削速度V=800r/min，單邊車削深度為1mm，進給率為100mm/min，對零件進行粗車，所得走刀路線如圖6、圖7 所示。

圖6 粗車走刀路線

圖7 粗車效果

圖8 精加工走刀路線

圖9 精加工效果

（4）設置精加工路線以及刀具，車削速度為1200r/min、進給率為50r/min，得到的精加工路線如圖8、圖9 所示。

（5）輸出程序，在生成數(shù)控加工程序進行后置處理。

2.5 宏程序與自動編程加工實體模型的對比分析

2.5.1 宏程序加工參數(shù)

由加工零件的模型看，宏程序模型根據(jù)實際加工中打板形式，通過調節(jié)主軸轉速、進給率來獲取最佳精加工參數(shù)，如表5 所示。

由于加工過程中參數(shù)的改變，因而每段中所獲得的表面粗糙度有所不同，在第三段加工中，其光滑度達到了鏡面車削，粗糙度達到Ra1.6，比圖紙中所需的要求高一個等級。

2.5.2 宏程序與自動編程加工對比分析

宏程序加工與自動編程加工對比分析如表6 所示。

表5 宏程序實體模型加工參數(shù)對比

表6 宏程序加工與自動編程加工對比

通過上述兩表可以看出，宏程序加工出來橢圓手柄模型比自動編程獲得的效果要好，并且宏程序加工橢圓手柄零件能達到預期的效果。

3 結 語

本文通過FANUC 數(shù)控系統(tǒng)運用簡單的語言總結宏程序的理論基礎及幾種編程方式，提出一種可以直接用于主程序的宏程序，使宏程序運用更加靈活。

在數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)中，使用宏程序編程編出橢圓、雙曲線、拋物線三種非圓曲線的程序指令，使用程序代替走刀指令，突破數(shù)控系統(tǒng)中僅有的G01 直線插補、G02/G03 圓弧插補走刀指令，實現(xiàn)宏程序可以直接采用由程序組成的指令進行走刀加工，其在橢圓手柄的加工中得以驗證。

［1］ 劉仕昌.淺談宏程序在零件加工中的典型應用［J］.裝備制造技術，2009（4）：79－80.

［2］ 趙鵬喜，田子欣.宏程序在零件典型部位加工中的應用分析［J］.煤礦機械，2008（5）：89－90.

［3］ 羅瑞琳.淺談宏程序在數(shù)控加工中的優(yōu)勢［J］.裝備制造技術，2008（8）：90－92.

［4］ SMID P.FANUC 數(shù)控系統(tǒng)用戶宏程序與編程技巧［M］.羅學科，等譯.北京：化學工業(yè)出版社，2007.

［5］ 程俊蘭.基于宏程序的外球面粗精加工［J］.華北航天工業(yè)學院學報，2007（3）：9－11.

［6］ 梁美蘭.淺談學習宏程序編程的意義［J］.科技信息，2008（17）：55，57.

［7］ 許衛(wèi)東.FANUC 數(shù)控宏程序在編程中的應用［J］.CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2006（9）：104－105.

［8］ MURAD P A.Understanding anomalies to extract vacuum energy［C］//AlP conf Proc.（USA），2004.

［9］ BRUHN G W.No energy to be extracted from the vacuum［M］.Bristol，United Kindom：Institute of Physics Publishing，2006.

［10］ 陳宏鈞.實用金屬切削手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［11］ 尹成湖，李保章，杜金萍.機械制造技術基礎課程設計［M］.北京：高等教育出版社，2009.