基于華中數控系統的宏程序在球面編程與加工中的應用

辜文娟

（江西省商務學校，江西 南昌 330013）

曲面零件被廣泛應用于航空、航天、模具行業中，自CAD（Computer Aided Design）/CAM（Computer Aided Manufacturing）技術應用推廣后，許多曲面都是采用自動編程加工完成，但也存在一定的弊端，如語句段落較多、占內存大，導致程序傳輸用時較長、加工效率不高等問題。宏程序具有簡短易讀、條理清晰、易修改等優點，能克服CAD/CAM 技術程序冗長、生產效率不高等缺點，在曲面編程中被廣泛使用[1]。然而對于初學者來說宏程序編程具有一定的困難，本文將以華中數控系統為基礎，研究宏程序數控銑的編程與應用，為數控人員學習數控銑宏程序編程思路，掌握編程方法打好基礎。

1 曲面編程思路

根據球的性質可知，球的橫截面為圓，當橫截面圓半徑為球的半徑時橫截圓最大。銑削是根據加工輪廓進行分層加工，從上至下加工或從下至上加工，銑刀在相應高度切削出相應橫截圓輪廓，當加工深度達到球面的半徑時，半球面就加工完成了[2]。

編制曲面程序的關鍵是要列出曲線表達式，球面的表達式可以采用直角坐標形式也可采用參數方程形式，選定變量后列出變量相應的數學表達式。采用直線段逼近非圓曲線，一般采用等間距法。間距設置越小，加工精度將會更高，但是加工時間較長；間距設置越大，則精度越低，但生產效率高。在實際加工中，粗加工采用較大的間距，盡可能最快地去除余量；在精加工時采用較小的間距，確保加工輪廓的精度。在加工中應根據具體情況選擇合理的間距值。

下面將以凸半球面為例具體講解使用宏程序編程的思路及方法。凸球面加工分為粗加工和精加工2 個步驟，粗加工采用立銑刀加工，精加工則采用球頭刀加工，根據加工刀具繪制各自加工示意圖。其中在粗加工中需要嵌套2 個循環，一個是每層加工圓輪廓且去除毛坯余量的循環，另一個是角度變化所產生的深度變化循環；而精加工程序則只需要進行角度變量循環即可。

2 曲面編程加工實例

2.1 球面粗加工

該零件的毛坯為直徑50 mm，高度25 mm 的圓柱。凸半球面零件加工深度為25 mm，考慮其加工效率及刀具韌性，粗加工選用立銑刀自上而下的方式進行加工。

設定夾角為變量，每一個角度會產生相應的Z值和X值，其中X值為該Z高度的圓輪廓的半徑值，即角度變化一次則需要在相應的高度中加工出相應的圓輪廓，這里必須注意加工輪廓的同時需要將該高度所有的毛坯余量去除。在粗加工中需要嵌套2 個宏程序，第一個是在角度變化加工對應高度所在平面的圓輪廓并去除毛坯余量；第二個循環則是角度變化對應產生加工深度的循環，粗加工完畢后凸半球面將呈現出一個立體的階梯球面，階梯的距離為角度變量產生的Z向差值。

2.1.1 深度循環

球面的參數方程是將球面曲線以角度表達式計算輪廓中的每個點，將角度分為若干個單位的步距角，通過球面參數方程計算步距角度變化后，球面曲線對應的X軸的變化，再運用圓弧插補形式加工球面的方法。步距角間距越小，加工出的球面曲線精度越高[3]。圖1 為立銑刀加工球面示意圖，B點為立銑刀刀刃與凸球面的接觸點，其中a為立銑刀加工點位OB與OX的夾角，X1為當前加工所在圓輪廓的半徑值，Z1為當前加工所在的高度值，OB為球的半徑r1，根據圓的參數方程，可得X1=R×cosa，Z1=R×sina。

圖1 立銑刀加工球面示意圖

根據球面的參數方程可知，加工的X方向尺寸為球面半徑乘以角度的余弦值，加工的Z方向尺寸為球面半徑乘以角度的正弦值。由于加工方式選用自上而下，所以角度是從90°變為0°。輪廓中的坐標值隨角度的變化而變化。設角度為變量#1，將對應的X值和Z值用數學表達式表示，角度由90°自減產生相應的值，從而形成加工循環。

這里必須注意在編程中一定要加入左補償，將立銑刀的半徑考慮其中，否則加工輪廓將會變小。在華中系統中角度需化成弧度進行編程，即#1 則變為#1*PI/180，具體程序如下。

#1=90 賦值起始角度為90 度

WHILE#1 GE 0 條件表達式

#2=25*COS[#1*PI/180] X 值表達式

#3=25*SIN[#1*PI/180] Z 值表達式

G01 Z[#3-25]F50 下刀

G41G01 X[#2]Y0 D01 F100 加工到起點

G02 I[-#2]J0 F100 加工圓

#1=#1-1 變量自減

ENDW 循環結束

2.1.2 輪廓循環

球面粗加工根據球面角度的變化將產生對應的圓輪廓半徑值，立銑刀采用自上而下加工方式時在加工圓輪廓與毛坯之間還有大量余量需要去除，余量采用等距離方式切削，考慮到刀具的韌性及加工效率，輪廓之間的間距可為刀具直徑的50%。在加工中程序首先根據角度的變化，刀具達到相應的高度值，快速到達該角度對應的圓輪廓的加工起點，運用左補償進行順時針整圓切削，隨后進入第二次循環，設加工圓輪廓的半徑為變量#4，此變量#4 的表達式為變量#2+5，即在原來的圓輪廓的半徑上加上立銑刀的半徑作為等距離偏移值，當#4 變量小于球的半徑時則繼續進行圓輪廓加工，#4 變量自動疊加，間距為5 mm，程序循環可形成間距為5 mm 的圓輪廓，從而去除多余的毛坯余量，具體程序如下。

#4=#2+5 賦值變量

WHILE[#4]LE25 條件表達式

G41 G01 X[#4]Y0 D01 F100 加工至刀具起點

G02 I[-#4]J0 F100 加工圓輪廓

#4=#4+5 變量自加

ENDW 循環結束

2.1.3 球面粗加工程序

將深度循環設為第一程序循環，將毛坯余量輪廓加工循環設個第二循環，將2 個程序進行循環嵌套。采用直徑為10 mm 的立銑刀自上而下進行加工，刀具的起點為（60，0，25），輪廓間距為5 mm（刀具的50%），角度從90°遞減至0°，角度的間距為1°，每改變角度一次則加工一層，而每層輪廓則為間距5 mm的圓輪廓循環切削，由里向外加工，直至加工到圓柱的邊緣，達到去除毛坯余量的目的，具體程序如下。

O0001 程序名

G54G90 建立工件坐標系

M03S1000 主軸正轉，設定轉速

G00 X60 Y0 快速到點

Z5 接近工件表面

#1=90 設定起始角度

WHILE#1GE0 設定跳轉條件

#2=25*COS[#1*PI/180] 設定圓輪廓半徑

#3=25*SIN[#1*PI/180] 設定Z 值

G01Z[#3-25]F50 下刀

G41G01X[#2]Y0 D01 F100 圓輪廓起點

GO2 I[-#2]J0 加工圓輪廓

#4=#2+5 設置#4 變量

WHILE[#4]LE 25 設置跳轉條件

G01 X[#4]Y0 F100 加工到輪廓起點

G02 I[-#4]J0 F100 加工圓輪廓（程序循環去除余量）

#4=#4+5 變量自加

ENDW 輪廓循環結束

#1=#1-1 #1 角度變量自減

ENDW 角度循環結束

G0X60 Y0 快速回到起點

G0Z100 抬刀

M05 主軸停轉

M30 程序結束

2.2 球面精加工

球面精加工使用是半徑為r2的球頭刀，編程中將以球頭刀的球心作為加工軌跡點，所以在X和Z的表達式中需要加入球頭刀半徑r2，a為OC與OX的夾角，根據球面的參數方程可知輪廓中X2、Z2的數學表達式為：X2=（r1+r2）×cosa，Z2=（r1+r2）×sina，如圖2 所示。

圖2 球面精加工

球面的精加工同樣采用自上而下的加工方式，使用直徑為10 mm 的球頭銑刀銑削，逐層擬合球面輪廓。將角度設為變量，起始值為90°，終止值為0°，間距值為0.1°。隨角度的變化將會產生相應的X值和Z值，在相應的Z值位置加工相應的圓輪廓，根據角度的遞減銑削凸球面，其中精度由間距決定，間距越小則加工精度越高。在編程時將球頭銑刀的半徑考慮其中，根據球頭銑刀的球心進行編程。加工中特別注意在機床對刀時一定要將ZO設在球頭銑刀的球心，否則將出現加工錯誤。由于在粗加工時已經把余量大部分去除，所以精加工時只需要根據角度變化編制一個循環程序即可。具體程序如下。

O0002 程序名

G54G90 建立工作坐標系

M03S1500 主軸正轉，設定轉速

G0X60Y0 快速定位

G0Z5 接近工件

#1=90 設定變量起始值

WHILE#1GE0 循環條件

#2=30*COS[#1*PI/180] 輪廓X 值表達式

#3=30*SIN[#1*PI/180] 輪廓Z 值表達式

G01 Z[#3-30]F50 下刀

G01 X[#2]Y0 到輪廓起點

G02 I[-#2]J0 加工圓輪廓

#1=#1-0.1 角度變量自減

ENDW 循環結束

G0 X60 Y0 快速回到起點

G0Z100 抬刀

M05 主軸停轉

M30 程序結束

3 結束語

本文通過凸半球面的宏程序編程闡述了數控銑床曲面宏程序的編程思路及方法。結果表明，宏程序可以用變量表示有變化的輪廓尺寸，通過對變量的修改來完成形狀相似或相同零件的加工，編程可讀性強、易修改、程序段簡潔，節省了系統的存儲空間，廣泛地應用于生產實踐中，在曲面加工中可靈活使用，有效提高了生產效率。