数控车床椭圆加工功能扩展

摘 要：本文以数控车床上加工椭圆曲线为例，重点介绍了加工非圆曲线的宏程序的编制原理，并对通过编写通用宏程序以扩展数控系统功能的方法进行了深入的研究。

关键词：宏程序 椭圆加工 功能扩展

在数控车床的程序编制过程中，具有相同走刀轨迹的零件通常使用子程序来简化编程。但是，在工程实践中广泛存在着具有相似特征的某一类工件的加工问题，例如宽槽、深孔的加工，椭圆、抛物线等二次曲线的加工等，这就需要借助数控系统提供的用户宏功能进行编程。笔者将以椭圆加工为例，探讨利用宏语言编制数控加工程序以扩展数控系统功能的教学方法。

一、数控车床加工椭圆曲线的编程方法

1.加工原理

一般的数控车床都具有直线和圆弧插补功能，因此在加工复杂的非圆曲线时可以采用直线段或圆弧段逼近非圆曲线的加工方法。对于椭圆曲线的数控车削加工，编程的基本思路就是“细分”，将椭圆曲线“细分”为若干小段，每一小段再由直线段代替。由于中间用到插补点非常多，因此编程时利用宏程序的循环和迭代功能最为简便。

图1 椭圆手柄

例如，加工如图1所示的椭圆手柄，可以将椭圆曲线沿Z轴方向进行“细分”，每一个曲线段用一个小的直线段代替。细分的步距根据机床的脉冲当量和工件的精度要求进行选择，步距越小，加工精度越高；然后根据已知的Z坐标值，由椭圆的方程计算X坐标，即可得到中间插补点的坐标值。椭圆曲线的宏程序编制方法的流程图如图2所示。

2.数控车床加工椭圆曲线的宏程序编制方法

首先写出椭圆的标准方程：，此方程是以椭圆中心为坐标系原点建立的方程，因此在对刀时应将工件坐标系原点设定在椭圆中心O处。然后定义两个变量：#1表示中间点的X坐标值；#2表示中间点的Z坐标值。在加工此椭圆手柄时，使用G73和G70进行粗、精加工。

椭圆手柄的加工程序：

O0010；

N10 S1 M03 T0303；

N20 G00 X45 Z2；

N30 G73 U21 R21；

N40 G73 P50 Q120 U0.

5 F0.2；

N50 G00 X0；

N60 #2=50；

N70 WHILE [#2 GE -30]

DO1；

N80 #1=2*20*SQRT[1-

#2*#2/2500]；

N90 G01 X#1 Z#2 F0.2；

N100 #2=#2 - 0.1；

N110 END1；

N120 G01 Z-60；

N130 S3 M03；

N140 G70 P50 Q120 F0.1；

N150 G00 X100 Z150；

N160 M30；

二、数控车床椭圆加工功能扩展方法

1.椭圆加工通用宏程序的编制

椭圆在工程实际中的应用非常广泛，我们可以通过设置变量参数的方法，利用宏调用功能编写通用性更强的椭圆加工程序。

图3 椭圆

如图3所示，以椭圆中心为坐标系原点，椭圆的方程为，其中。

定义宏调用w格式为：G65 P9010 Aa Bb Cc Dd Ff；各参数的含义及对应变量见表1。

表1 椭圆参数和对应变量

变量 参数 对应局部变量 变量 参数 对应局部变量

A 椭圆X轴半径a #1 C 椭圆起点Z坐标c #3

B 椭圆Z轴半径b #2 D 椭圆终点Z坐标d #7

F 进给速度（mm/r） #9

椭圆加工的通用宏程序如下：

O9010；

N10 #102 = #3； 参数传递，将起点Z坐标c赋值给#102

N20 WHILE [#102 GE #7] DO1 判断是否到达椭圆终点d

N30 #101 = 2*#1*SQRT[1- #102*#102/[#2*#2]]；

计算中间点的X坐标值，直径编程

N40 G01 X#101 Z#102 F#9； 直线段代替曲线段

N50 #102 = #102 - 0.1；

计算下一点的Z坐标值

N60 END1；

N70 M99；

将以上椭圆加工宏程序存储到数控系统之后，即可在主程序中通过调用该宏程序加工任意一段椭圆曲线。

2.应用实例

例如加工图4所示零件的右端，可考虑先使用90?外圆刀加工出φ48mm的外圆，然后使用偏刀通过修改磨耗的方式加工右端椭圆曲线及其连接圆柱面，最后使用切槽刀加工V型槽。下面分析加工右端椭圆部分的方法。

图4 椭圆零件

加工椭圆时各参数的值为：a=24mm，b=40mm同，c=8mm，d=-30mm。假定偏刀装在3号刀位，右端加工的最大直径为φ48mm，最小直径为椭圆左端外圆，大约是φ37.14mm，则总切削量为10.86mm，因此可将3号刀补的X磨耗值先设为9mm，执行上述程序；然后X磨耗值递减，逐层切削，直至X磨耗值为0。

偏刀加工程序如下：

O0001；

N10 T0303 S1 M03；

N20 G00 X50 Z10； 初始定位，靠近工件

N30 G65 P9010 A24 B40 C8 D-30 F0.2；

加工椭圆曲线

N40 G01 Z-31.74 F0.2； 加工外圆柱面

N50 X50； 退刀

N60 G00 Z10；

N70 M30；

由于O9010宏程序要求工件原点与椭圆中心重合，因此在使用偏刀对刀时应将右端面位置设为Z8。

三、小结

由以上论述可以得出，通过编写椭圆加工的通用宏程序，相当于数控系统增加了一条进行椭圆插补运动的“指令”。

指令格式：G65 P9010 Aa Bb Cc Dd Ff；

参数说明：①A——椭圆X轴的半径值；

②B——椭圆Z轴的半径值；

③C——椭圆曲线起点的Z坐标值；

④D——椭圆曲线终点的Z坐标值；

⑤F——进给速度mm/r。

注意：在使用该功能加工一段椭圆曲线时，应将工件坐标系的原点设在椭圆的中心处。

由此，数控系统具有了椭圆插补的功能，使用该数控系统的用户只要按照上述指令说明进行编程即可。

参考文献：

[1]韩鸿鸾，邹玉杰.数控车工全技师培训教程[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]成立.椭圆宏程序在数控车削中的应用与研究[J].装备制造技术，2008（4）.