基于FANUC-0i系統(tǒng)數(shù)控銑削非圓曲線零件宏程序的編制

吳 凱，張柳清

（茂名技師學(xué)院，廣東茂名 525011）

0 引言

在機(jī)械制造業(yè)中，各類CAD/CAM軟件越來越多地應(yīng)用在數(shù)控曲面加工中，CAD/CAM軟件中生成刀具路徑就是在允許的誤差值范圍內(nèi)沿每條路徑用直線去逼近曲線曲面的過程，CAD/CAM軟件生成的程序龐大無比，占用空間大，對于要求高的精密的曲線輪廓零件，降低了零件的尺寸精度和輪廓形狀精度，而對于這些非圓曲線方程類輪廓零件保證其輪廓精度對使用性能至關(guān)重要。宏程序編制的程序與CAD/CAM軟件生成的程序相比，程序大大簡化，輸入與調(diào)試方便快捷，解決CAD/CAM軟件編程計(jì)算坐標(biāo)值繁瑣、程序龐大、程序難修改等難點(diǎn)問題。宏程序是手工編程的最高級形式，同時(shí)也是手工編程的一個(gè)難點(diǎn)，本文結(jié)合宏程序編程的特點(diǎn)，通過建立數(shù)學(xué)模型、列變量處理表、畫程序流程圖和仿真驗(yàn)證四大步驟快速高效地編制非圓二次曲線零件加工通用的宏程序模板，大大擴(kuò)展了數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍。

1 FANUC-0i系統(tǒng)用戶宏程序簡介及其編程特點(diǎn)

1.1 宏程序簡介

程序中具有變量、并利用變量進(jìn)行賦值和表達(dá)式來進(jìn)行邏輯運(yùn)算的程序稱為宏程序。平常所說的宏程序就是用戶宏程序。宏程序是數(shù)控系統(tǒng)所具有的特殊編程功能，F(xiàn)ANUC-0i系統(tǒng)宏程序結(jié)構(gòu)是基于BASIC語言建立的，常用B類宏程序，它借助IF、WHILE語句可以控制宏程序的流向，常用的轉(zhuǎn)移和循環(huán)語句有三種[1-2]：

（1）無條件轉(zhuǎn)移指令（GO TO語句）

GO TO目標(biāo)程序段號

無條件轉(zhuǎn)移指令用于無條件轉(zhuǎn)移到指定程序段號開始執(zhí)行。

（2）條件轉(zhuǎn)移指令（IF語句）

①IF[條件表達(dá)式]GO TO n

當(dāng)條件滿足時(shí)，轉(zhuǎn)移到指定程序段，如果條件不滿足時(shí)則執(zhí)行下一程序段。

②IF[條件表達(dá)式]THEN宏語句

當(dāng)條件表達(dá)式滿足時(shí)執(zhí)行預(yù)先決定的宏語句。

循環(huán)指令（WHILE語句）

WHILE[條件表達(dá)式]DO m（m=1，2，3）

‥‥

END m

當(dāng)條件表達(dá)式滿足時(shí)，就循環(huán)執(zhí)行DO與END之間的程序段，條件表達(dá)式不滿足時(shí)，則執(zhí)行END后的下一個(gè)程序段。

1.2 宏程序編程特點(diǎn)

宏程序中通過對變量進(jìn)行算術(shù)、邏輯和函數(shù)運(yùn)算，應(yīng)用更靈活、方便。其編程特點(diǎn)如下。

（1）宏程序具有靈活性、通用性和智能性特點(diǎn)[3]。若程序中某數(shù)據(jù)需要更改，只需將相應(yīng)變量重新賦值即可，這樣使宏程序有著廣泛的通用性。

（2）宏程序編程最體現(xiàn)模塊化思維[3]。編程人員只需要根據(jù)零件幾何信息和不同的數(shù)學(xué)模型可完成相應(yīng)的模塊化加工程序設(shè)計(jì)。對于相似零件的重復(fù)性加工或有規(guī)律性地重復(fù)一個(gè)動(dòng)作，宏程序只要改變變量的值，即可完成不同的加工或操作。

（3）宏程序邏輯嚴(yán)密，可讀性強(qiáng)，占用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)空間小[3]。宏程序天生短小精悍。一般常見的數(shù)控系統(tǒng)完全容納得下任何復(fù)雜的宏程序，數(shù)控機(jī)床執(zhí)行宏程序時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可以直接進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，而且運(yùn)算速度極快加工效率高。通俗地說，宏程序就是小程序解決大問題[1]。

（4）宏程序加工精度高[3-4]。CAD/CAM軟件編程時(shí)，在建模、刀具軌跡生成、后置處理環(huán)節(jié)都存在一定的誤差，在不同建模軟件CAD圖檔轉(zhuǎn)換也會(huì)產(chǎn)生一定的精度誤差，宏程序可以有效地避免CAD/CAM軟件編程產(chǎn)生的誤差，加工精度高。

2 非圓二次曲線類零件編程的數(shù)學(xué)分析

2.1 非圓二次曲線編程數(shù)學(xué)處理

工程上處理用數(shù)學(xué)方程描述的平面非圓曲線輪廓圖形常采用相互連接的直線逼近法和圓弧逼近法[4]。

（1）直線逼近法。一般來說，由于直線法的插補(bǔ)節(jié)點(diǎn)均在曲線輪廓上，容易計(jì)算，編程也簡便些，所以常用直線法來逼近非圓曲線，其缺點(diǎn)是插補(bǔ)誤差較大。

（2）圓弧逼近法。曲線的圓弧逼近有曲率圓法、三點(diǎn)圓周法和相切圓周法等方法，這些方法須先用直線逼近法求各節(jié)點(diǎn)再求各圓周，其計(jì)算較繁瑣。

2.2 編制非圓二次曲線加工宏程序的步驟

宏程序?qū)梢杂煤瘮?shù)公式描述的工件輪廓或曲面進(jìn)行數(shù)控加工，是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)重要功能，數(shù)控加工公式曲線宏程序編制具有一定的規(guī)律性。可按以下步驟進(jìn)行：（1）建立數(shù)學(xué)模型，確定自變量和因變量；（2）列變量處理表，通過表格形式，清楚條理地把數(shù)學(xué)模型表達(dá)式轉(zhuǎn)化成宏變量表達(dá)式；（3）畫流程圖，按流程圖寫出程序；（4）仿真模擬加工驗(yàn)證

3 非圓二次曲線類零件宏程序的編制實(shí)例

圖1 橢圓宏程序流程圖

橢圓零件是典型的非圓二次曲線零件，下面以橢圓零件為例論述此類零件一般宏程序的編制步驟。

例 數(shù)控銑削加工圖1所示橢圓零件外形輪廓，試編制其加工宏程序（FANUC-0i系統(tǒng)）。

解：分別選擇標(biāo)準(zhǔn)方程和參數(shù)方程編制該橢圓外輪廓的精加工程序，走刀路線為：A→B→C→D→C→E→A。見圖2所示。

圖2 橢圓宏程序流程圖

3.1 標(biāo)準(zhǔn)方程加工橢圓

（1）標(biāo)準(zhǔn)方程加工橢圓要建立數(shù)學(xué)模型，其表達(dá)式及曲線變量處理表見表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)方程加工橢圓曲線變量處理表[5]

表2 參數(shù)方程加工橢圓曲線變量處理表[5]

（2）宏程序如下：

O1018

G54 G00 G90 X60.0 Y0.； 定位到A點(diǎn)。

M03 S1200； 主軸正轉(zhuǎn)。

G01 Z-5.0 F200； 切深5 mm

G42 G01 X45.0 Y-5.0 D01 M08； 右刀補(bǔ)進(jìn)刀到B點(diǎn)。

G02 X40.0 Y0.0 R5.0； 圓弧切向進(jìn)刀到C點(diǎn)。

#20=40.0； 橢圓長半軸賦初值。

WHILE[#20GT-40.0]DO1； 當(dāng)X值大于-40.0時(shí)執(zhí)行循環(huán)1。

#20=#20-0.15； X值遞減0.15mm。

#21=25.0*SQRT[1-#20*#20/[40.*40.]]；計(jì)算第一、二象限的Y坐標(biāo)值

G01 X#20 Y#21 F150； 直線插補(bǔ)運(yùn)算逼近橢圓曲線。

END 1； 循環(huán)1結(jié)束。

WHILE[#20LT40.0]DO2； 當(dāng)X值小于40.0時(shí)執(zhí)行循環(huán)2。

#20=#20+0.15； X值遞增0.15 mm。

#21=-25.0*SQRT[1-#20*#20/[40.0*40.0]]；計(jì)算第三、四象限的Y坐標(biāo)值。

G01 X#20 Y#21 F150； 直線插補(bǔ)運(yùn)算逼近橢圓曲線。

END 2； 循環(huán)2結(jié)束。

G02 X40.0 Y5.0 R5.0； 圓弧切向退刀到E點(diǎn)。

G00 G40 X60.0 Y0.0 M09；取消右刀補(bǔ)，退刀到A點(diǎn)。

M05； 主軸停。

M30； 程序結(jié)束。

3.2 參數(shù)方程加工橢圓

（1）首先建立橢圓參數(shù)方程的數(shù)學(xué)模型，其表達(dá)式及橢圓曲線變量處理表見表2所示。

（2）畫程序流程圖

程序流程圖是計(jì)算機(jī)高級語言編程中常用的工具，它全面描述系統(tǒng)邏輯、反映信息在系統(tǒng)中的流動(dòng)、處理情況。它通過圖框形式指示程序流程，控制程序的走向，具有直觀易讀和易理解的特點(diǎn)，使編程思路清晰、流暢、條理性強(qiáng)，宏程序可借用流程圖的形式，編程前先按邏輯順序畫出流程圖，然后按流程圖就容易編寫程序。參數(shù)方程編程先根據(jù)思路畫出流程圖，見圖3所示。

圖3 橢圓宏程序流程圖

（3）根據(jù)流程圖寫出其加工程序

O1809

G54 G90 G00 X60.0 Y0.0； 定位到A點(diǎn)。

M03 S1200； 主軸正轉(zhuǎn)。

G01 Z-5.0 F200： 切深5mm

G01 G42 X45.0 Y-5.0 DO1 M08； 右刀補(bǔ)進(jìn)刀到B點(diǎn)。

G02 X40.0 Y0.0 R5.0 F150； 圓弧切向進(jìn)刀到C點(diǎn)。

#1=0.0； 角度變量賦初值0。

WHILE[#1LE360.0]DO 1； 當(dāng)#1≤360O時(shí)執(zhí)行循環(huán)1。

#1=#1+0.5； 角度變量#1遞增0.5O。

#20=40.0*COS[#1]； 計(jì)算X坐標(biāo)值。

#21=25.0*SIN[#1]； 計(jì)算Y坐標(biāo)值。

G01 X#20 Y#21 F150； 直線插補(bǔ)運(yùn)算逼近橢圓曲線。

END 1； 循環(huán)1結(jié)束。

G00 G40 X60.0 Y0.0 M09； 取消右刀補(bǔ)，退刀到A點(diǎn)。

M05； 主軸停。

M30； 程序結(jié)束。

（4）仿真模擬加工驗(yàn)證

為了驗(yàn)證程序的正確性，避免由于程序的原因?qū)C(jī)床造成的損傷，下面用CAXA制造工程師編程助手軟件仿真加工過程，CAXA制造工程師編程助手支持自動(dòng)導(dǎo)入代碼和手工編寫代碼，其中包括宏程序代碼的軌跡仿真，能有效驗(yàn)證代碼的正確性[6]。

1）打開CAXA制造工程師2008的編程助手，進(jìn)入軟件界面。

2）在程序代碼框中錄入O1809的宏程序。

3）代碼錄入完成后，進(jìn)行仿真加工，選擇[仿真]→[加工仿真]，彈出對話框，選擇步長5，前進(jìn)方向選擇[前進(jìn)]，單擊[開始]按鈕。見圖4。

圖4 仿真加工對話框

仿真結(jié)束圖見圖5，當(dāng)宏程序中有代碼錯(cuò)誤或格式不對時(shí)軟件會(huì)提示，根據(jù)提示進(jìn)行修改。

3.3 模塊化程序轉(zhuǎn)化

該例是編制橢圓類零件加工的典型程序。可作為一個(gè)編程模板使用，需要時(shí)通過調(diào)用指令M98或G65等調(diào)用，程序中可通過修改自變量#20及橢圓長短半軸參數(shù)實(shí)現(xiàn)各類不同大小的橢圓零件的加工。另外，通過修改刀具半徑D01的值及角度增量值的大小可實(shí)現(xiàn)橢圓的粗加工、半精加工、精加工，而其它數(shù)據(jù)不用改變，增強(qiáng)程序的通用性，大大地縮短了編程周期和工作量，從而提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)利益，起到事半功倍的效果。

圖5 仿真加工軌跡線

4 結(jié)束語

編制宏程序關(guān)鍵是建立好數(shù)學(xué)模型，確定好自變量及取值范圍，列出變量表，然后畫出流程圖，理清思路就容易編制了。宏程序并非深不可測，它顯著的特點(diǎn)是用變量進(jìn)行賦值，很方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，免去了大量的手工計(jì)算，讓數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算判別，減少自動(dòng)編程每次都要畫圖的麻煩，宏程序特別適用于各種公式曲線零件編程，當(dāng)加工條件改變時(shí)宏程序可以隨時(shí)更改加工參數(shù)，以適應(yīng)新的加工需求，宏程序充分體現(xiàn)模塊化思維，一次編程多次受益，各種實(shí)例證明，宏程序加工非圓二次曲線類零件是一種高精度、高效率的加工方法。

［1］張喜江.加工中心宏程序應(yīng)用案例［M］.北京：金盾出版社，2013.

［2］楊志紅.淺談宏程序的編程原理及應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010（12）：54-58.

［3］張寧菊.基于宏程序的內(nèi)外螺紋的數(shù)控銑削加工［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2013（1）：25-27.

［4］陳海舟.數(shù)控銑削加工宏程序及應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［5］杜軍.FANUC宏程序編程技巧與實(shí)例精解［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［6］范文利，姜洪奎，張蔚波.CAXA2008制造工程師行業(yè)應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.