宏程序在板類零件中的典型應用

◆馮俊麗

作者：馮俊麗，廣州工程技術職業學院講師，研究方向為模具CAD/CAM/CAE（510925）。

在手工數控編程中，把完成某一功能的一系列指令像數控子程序一樣存入存儲器。使用時，也只需像調用數控子程序一樣，用某一指令調用該程序，并賦予自變量合適的數值，就可以執行相應功能。所存入的這一系列指令，稱為用戶宏程序。宏程序是編程的高級形式，它涉及數學模型的建立、數學關系的表達、加工刀具的選擇及走刀方式的取舍。對于某些中等難度的零件，使用宏程序編程加工要比自動編程加工快得多。另外，有時自動編程的程序長度要比宏程序長幾十倍，甚至上百倍。最后，對于一些典型常用結構的零件，只需要修改變量值，就可加工不同尺寸的零件，而不需重新編程。

1 宏程序

以FANUC 0i-MC數控系統為例，介紹用戶宏程序的應用。用戶宏程序允許使用變量、算數和邏輯運算及條件轉移，使得編制同樣的加工程序更加簡單。使用宏程序時，只需要像調用子程序一樣，使用一條指令調用即可。

變量 普通加工程序直接用特定代碼（如G代碼）和具體數值來表示具體程序的執行，如G01和X200.0。而使用用戶宏程序時，數值可以直接指定或用變量指定，如G01 X#11。當用變量指定時，變量值可用程序或用MDI面板操作改變。

1）變量的表示。宏程序用變量符號“#”和后面的變量號指定，如#11。另外，表達式也可以用于指定變量號，這時表達式必須括在括號中，例如：# [#1 + #2 -5]。

2）變量的類型。變量從功能上分為系統變量和用戶變量。系統變量用于系統內部運算時各種數據的存儲。用戶變量是編制宏程序時可以單獨使用的變量，分為局部變量和公共變量。

3）變量的引用。在地址后指定變量號即可引用變量值。當用表達式指定變量時，要把表達式放在括號中，例如：G01 X [#3 + #4] F#5。

4）變量的算數和邏輯運算。變量之間除了可以進行加、減、乘、除的簡單運算，還可以進行三角函數等的運算以及一些求平方根、絕對值、取整等，同時也可以進行與、或等邏輯運算。

宏程序語句 宏程序可使用轉移和循環語句，以改變控制的流向。

1）無條件轉移（GOTO語句）。指令格式：

GOTO n；

n為順序號。該語句表示轉移到標有序號n的程序段，繼續往下執行程序。

2）條件轉移（IF語句）。指令格式：

IF (fflt;條件表達式ffgt;)GOTO n；

該語句表示條件表達式滿足時，轉移到標有順序號n的程序段，繼續往下執行。

3）循環語句（WHILE語句）。

指令格式：

該語句表示當滿足條件時，執行WHILE語句和END語句之間的程序；執行完該段程序后，循環判斷條件是否滿足，滿足條件的話繼續執行WHILE語句和END語句之間的程序；一直到條件不滿足，開始執行END語句后的程序。

用戶宏程序的編寫格式及調用 用戶宏程序的編寫格式與子程序的格式相同。

在用戶宏程序中，可以使用普通的NC指令，也可采用變量的NC指令、運算指令和控制指令。格式如下：

宏程序的調用，格式如下：

G65 Pfflt;pffgt; Lfflt;lffgt; fflt;自變量賦值ffgt;；

P表示要調用的程序號；l表示重復次數；fflt;自變量賦值ffgt;表示傳遞到宏程序的數據。

2 應用實例

以圖1為例，介紹常見板類零件的宏程序編制。

圖1

結構分析 板類零件一般是長、寬尺寸比較大，高度尺寸相對比較小的零件。板高度方向上四周倒圓角，板上表面一般有四個孔或者沉孔，有時有非圓曲面凹槽，下底面一般長方向有凹槽。

數控加工 該類零件如果用數控銑床加工，主要要加工的區域包括：

1）零件上表面的矩形開放區域平面加工；

2）四個圓孔內腔加工；

3）四角圓角過渡矩形外輪廓加工；

4）底面凹槽加工；

5）零件上表面凹槽的加工。

零件上表面及外輪廓的加工編程比較簡單，此處略過，重點介紹孔系加工及非圓曲面凹槽加工的宏程序編制。

孔系加工的宏程序編制 在傳統的孔系加工中，往往需要不同直徑、數量眾多的鉆頭對孔進行粗加工，擴孔需要數量眾多的鏜刀。而銑刀銑孔在一定程度上能緩解以上矛盾。

在孔系加工中，宏程序編程的優勢在于：

一是可實現螺旋下刀加工，對于刀具的保護及零件的表面質量有較好的作用；

二是對于不同尺寸的沉孔，只需修改自變量賦值，而不需要重新編程，效率較高。

沉孔的尺寸如圖2所示，孔φ12為通孔，孔深20。在零件上表面建立坐標系，原點位于零件的中心。

主程序及宏程序如下。

主程序：

O0001； 主程序名稱

G54 G90 G00 X0 Y0 Z30； 程序開始，定位于原點安全高度

G52 X-80 Y-60； 建立第一孔局部坐標系

G65 P0002 A20 B5 C8 I0 Q1 F300；

對φ20的孔精加工

G65 P0002 A12 B20 C8 I5 Q1 F300；

對φ12的孔精加工

G52 X0 Y0； 取消局部坐標系

G52 X80 Y-60； 建立第二孔局部坐標系

G65 P0002 A20 B5 C8 I0 Q1 F300；

對φ20的孔精加工

G65 P0002 A12 B20 C8 I5 Q1 F300；

對φ12的孔精加工

G52 X0 Y0； 取消局部坐標系

G52 X80 Y60； 建立第三孔局部坐標系

G65 P0002 A20 B5 C8 I0 Q1 F300；

對φ20的孔精加工

G65 P0002 A12 B20 C8 I5 Q1 F300；

對φ12的孔精加工

G52 X0 Y0； 取消局部坐標系

G52 X-80 Y60； 建立第四孔局部坐標系

G65 P0002 A20 B5 C8 I0 Q1 F300；

對φ20的孔精加工

G65 P0002 A12 B20 C8 I5 Q1 F300；

對φ12的孔精加工

G52 X0 Y0； 取消局部坐標系

M30； 程序結束

宏程序：

O0002

#5=[#1-#3]/2； 螺旋加工時刀具中心的回轉半徑

G00 X#5； 快速移動到起始點上方

Z[-#4+1]; 快速下刀到Z[-#4]面上1 mm處

G01 Z-#4 F[#9*0.2]； 在Z向上G01下刀至Z-#4處

WHILE[#4LT#2] DO 1； 若加工深度#4fflt;圓孔深度#2，循環1

圖2

#4=#4+#17； Z依次遞增#17，即每層切削深度

G03 I-#5 Z-#4 F#9； G03逆時針螺旋加工至下一層

END 1； 循環1結束

G03 I-#5； 到達圓孔深度時，逆時針走一整圓

G01 X[#5+1]； 沿X 向中心回退1 mm

G00 Z30； Z向快速提刀至安全高度

M99； 宏程序結束返回

自變量賦值說明：

#1=（A） 圓孔直徑

#2=（B） 圓孔深度

#3=（C） 平底銑刀刀具直徑

#4=（I） Z坐標（絕對值），設為自變量

#9=（F） 進給速度

#17=（Q） Z向每次遞增量，即切削深度

橢圓形凹槽的加工 在本例中，非圓凹槽為橢圓曲線凹槽，橢圓長軸100 mm，短軸50 mm，橢圓圓心距離零件下底面40 mm。

橢圓曲面或橢圓輪廓是宏程序在非圓曲線加工的經典應用。在橢圓宏程序的編寫中，很多人存在誤區，以為只要刀具中心運動軌跡是橢圓，加工出來的輪廓就是橢圓。其實，如果刀具中心運動是橢圓軌跡，加工出來的輪廓比不是真正的橢圓，而是刀具中心的橢圓的等距偏移曲線。如果被加工出來的希望是一個真正的橢圓，刀具中心運動軌跡就必須是想要的橢圓輪廓的等距偏移曲線。

在編程之前，建立如圖3所示的坐標系，設置橢圓圓心為編程原點。刀具沿Y軸方向加工，然后沿橢圓輪廓線進給，依次進行加工。刀具采用球刀編程。

工藝分析：如圖3所示，凹圓柱面的軸線平行于Y軸，橢圓截面位于ZX平面內。程序在ZX平面內需要使用刀具半徑補償G41或G42。

本例中可行的走刀方向有兩種：一是沿Y軸方向進行前后直線往復的雙向走刀加工；二是在ZX平面內沿著橢圓輪廓往復雙向走刀。這兩種走刀方式在實際加工工藝方面還是有較大的差別的。

如果選擇第二種走刀方式，一方面要多次使用G41及G42換向，切換過程中要頻繁使用G40功能，G41-G40-G42-G40-G41…，不斷循環。同時，為了在兩端有效取消刀補，并兼顧安全因素，需要抬刀到一定高度，造成空行程較多，加工效率較低。另一方面，刀具沿著橢圓軌跡運動時，數控系統必須要根據角度變量不停計算每一個刀位點的坐標值，受限于數控系統的計算速度，實際進給速度將受到嚴重影響。如果選擇沿Y軸方向進行前后往返雙向加工，則上述問題就不復存在，數控系統僅在Y軸兩端橫向移動時才需要根據橢圓軌跡進行坐標點的計算，而主切削方向僅僅是簡單的直線運動。

所以選擇第二種走刀方式，程序如下：

O0003

#1=50； 橢圓長半軸

#2=25； 橢圓短半軸

#3=10； 零件上表面距離橢圓凹槽底部的距離，取絕對值

#4=5； 球頭銑刀半徑

#11=120； 在Y方向上的走刀距離

#5=#2-#3； 初始點對應的Z坐標，取絕對值

#6=ASIN[#5/#2] 根據橢圓參數方程計算初始點對應的角度

#7=#1*COS[#6] 根據橢圓參數方程計算出初始點X坐標

#18=1； 橢圓角度遞增量

S1000 M03； 主軸轉速和正轉開

G54 G90 G00 G17 G40 X0 Y0 Z40；

程序開始，定位于G54原點上方安全高度

圖3

T01； 調用刀具

Y[#11/2]； 移動到加工的前端面

G18； 指定ZX平面

X#7，Z[#4+1]； G00快速移動到下刀點

#8=#6； 橢圓角度設為自變量，賦初始值#6

WHILE[#8LE[180-#6]] DO 1；

若#8≤180-#6，循環1繼續

#9=#1*COS[#8]； ZX平面內橢圓當前點的X坐標

#10=#2*SIN[#8]； ZX平面內橢圓當前點Z坐標

G41 D01 G01 X#9 Z-#10 F400；以直線G01逼近走橢圓軌跡

Y#11 F1000； 沿Y方向加工移動距離#11

#8=#8+#18； #8每次按照增加#18角度遞增

#9=#1*COS[#8]； Y[-#11/2]處ZX平面內下一點的X坐標值

#10=#2*SIN[#8]； Y[-#11/2]處ZX平面內下一點的Z坐標值

X#9 Z-#10 F400； Y[-#11/2]處移動到橢圓下一點

Y[#11/2] F1000； 回到 Y[#11/2]

#8=#8+#18； #8每次按照增加#18角度遞增

END 1； 循環1結束

G01 G40 X-#7 Z[#4+1]； 取消刀補，回到退刀點

G17 G00 Y0 Z40； 回復XY平面，退刀至安全高度

M30； 程序結束

在加工中，宏程序的自變量修改是比較方便的，對于類似的零件加工，不必重復編程。另外，宏程序對于其他曲線類（如雙曲線）的槽或者凸起的編程也是比較方便的，只需要掌握這些曲線的數學參數方程，就可以靈活運用宏程序進行編程和加工。

3 結束語

宏程序是程序編制的高級形式，宏程序的運用與數控系統、數控加工工藝等多方面的知識和經驗息息相關。宏程序不僅是一種數控編程的手段，更重要的一點是使用宏程序進行數控編程，本身也是一個熟悉數控系統功能、確定及優化加工工藝的過程。因此，掌握和運用宏程序的過程本身也是不斷加深對數控加工真諦理解的過程。

它的優點主要體現在以下幾方面。

1）宏程序功能是對數控系統進行的一定功能的擴展，即可視為用戶利用數控系統提供的工具，在數控系統平臺上進行一定程度的二次開發，解決一些普通程序無法解決的問題。

2）宏程序的最大特點是將有規律的形狀或尺寸用最短的程序表示出來，具有極好的易讀性和易修改性，程序簡潔、邏輯嚴密，通用性較強。

3）從模塊化加工角度而言，宏程序最具有模塊化思想。編程人員在應用時，只需要根據零件幾何信息和不同數學模型即可完成相應的模塊化加工程序設計；調用宏程序時，只需要把零件的尺寸信息、加工參數輸入到調用語句之中，即可加工。這樣就能把編程人員從繁瑣的、大量的重復性的編程工作中解脫出來。

4）對于傳統的普通數控機床，存在內存容量小，無法實現高速切削加工等缺陷；宏程序使加工程序變得簡潔，對現實加工來說，有很重要的實際意義。

當然，宏程序和CAD/CAM軟件比較起來，在包含了大量不規則復雜曲面的零件中，CAD/CAM軟件編程優勢就比較明顯，如對各種注塑模、壓鑄模等的型腔和型芯及汽車覆蓋件的凸模和凹模的編程和加工；但對于常用和常見典型的各種零件，宏程序依然是完全可以勝任的。

[1]陳海舟.數控銑削加工宏程序及應用實例[M].2版.北京:機械工業出版社,2012:245-246.

[2]馮志剛.數控宏程序編程方法、技巧與實例[M].2版.北京:機械工業出版社,2013:28-30.

[3]楊海琴.FANUC數控銑床編程及實訓精講[M].西安:西安交通大學出版社,2010:3-4.