宏编程在二次曲线轮廓数控车加工中的应用

摘 要：随着生活水平的提升，人们对事物的美感要求也越来越高，曲线作为最具美感的外形之一，常常成为设计师们设计产品的首选，越来越多的复杂曲线型面部件、产品给数控车加工带来挑战。另外，在近几年的全国各级各类竞赛中应用宏程序加工也屡见不鲜，各校在教学和竞赛培训中，都进行了这方面的培训。本文结合教学及竞赛实践分析了数控车床技术中宏编程和普通编程的特点，详细介绍了宏编程在非圆二次曲线轮廓数控车加工中的应用。

关键词：数控车加工 非圆二次曲线轮廓 宏程序编程

中图分类号：TG51 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（c）-0053-02

1 非圆二次曲线轮廓的数控车加工编程

对非圆二次曲线数控车加工进行编程有两种方式，一是普通编程，由于数控车床一般只有直线插补和弧插补功能，对于非圆二次曲线进行普通编程只能采取用直线段或是圆弧段逐步逼近非圆曲线轮廓的手工数学处理方式，计算量庞大，容易出现失误，处理的时间也比较长，如果采取CAD/CAM数控自动编程，虽然对某个单一的非二次曲线计算精确，时间也快，但却仅仅适用于同一形体，对于类似产品只能重新编程，并且自动编程占用内存较大，对数控系统配置要求较高。二是宏程序编程，采取宏程序手工编程可以避免普通手工编程精度低、自动编程程序占内存较大以及仅单品适用的缺点，由于手工编写的宏程序可以尽量短小并且实用性强，极大拓展了非圆二次曲线轮廓数控车加工的范围与功能。

2 非圆二次曲线宏程序编程的主要技术特点

宏程序编程具有几个非常鲜明的特点，一是编程方式灵活。二是宏程序通用性广。三是使用宏程序编程加工精度高。四是宏程序充分利用了数控系统内部代码，使得程序运行更加高效、精确。

3 非圆二次曲线宏程序编程的基本步骤

（1）将数学坐标转化为工件坐标。由于参数方程使用的是数学坐标，而数控车床系统使用的是工件坐标，当两者不一致时，在进行宏程序编程前要对参数方程进行转化。

（2）推导求值公式，并利用已经转化为工件坐标的计算公式建立起数学模型。

（3）对自变量进行选定并确定变量的具体范围。非圆曲线中X、Z轴坐标以及角度Φ均可以作为自变量，实际操作中一般选择变化范围大的作为自变量，起始坐标点确定为初始值，坐标的终点为自变量的终止值，在确定自变量之后可以确定因变量，并写出各自的表达式。

4 非圆二次曲线宏程序编程思路与指令分析

4.1 基本思路

根据曲线轮廓的参数方程y=f（x），并定义其中一个参数值域，从其中一个极限值开始以一定的插补步进距离（例如0.01 mm，1°等），逐步向另一个极限值变化，求出曲线任意点的坐标值，通过运用宏程序的参数和转向语句（GOTO）或循环语句（WHILE）进行编程，并用直线插补（G01）或是曲线插补（G02/G03）进行拟合加工。插补步进距离可以根据加工零件的精度来适度确定，在满足加工要求的前提下，尽量选取较大值，因为较高的精度要求会对数控车加工的效率造成不利影响。

4.2 宏指令编程分析

下面以FANUC 0i—MATE系统的数控车床椭圆宏程序编程为例进行具体分析。（如图1）XOZ表示编程坐标系，X1O1Z1表示椭圆坐标系，宏程序可以如下表示：

NIO #1=a；长半轴赋值。

N20 #2=b；短半轴赋值。

N30 #3=z；向变量初始值，椭圆曲线起点至椭圆中心的Z向距离。

N40 WHILE [#3 GE P] DOm；WHILE当型循环，当满足#3大于或等于P时则程

序在WHILE DOm和ENDm之间循环，否则跳出循环。P为椭圆曲线终点至椭圆中心点的Z向距离。

N50 #4=#2/#1*SQRT [#1*#1一#3*#3]；通过椭圆标准方程分解得到，其中的z #3作为参数变量在它的定义域内从曲线起点逐步向曲线终点变化从而求出椭圆任意一个点一榴坐标值。

N60 G01 X [[A±#4]*2] Z[#3-B]F0.15；直线插补G01进行拟合加工，其中A为椭圆中心到编程原点的向距离，[A±#4] 2表示 直径坐标；B为椭圆中心到编程原点的Z向距离，#3一B为编程的Z坐标。

N70 #3=#3-0.01；椭圆Z轴以一定的插补步进距离（如0.01 mm）。

N80 ENDm；循环结束。

5 非圆二次曲线宏程序编程的具体应用

非圆曲线加工是数控车加工的难点，但在实际生产中又是最常见的加工形件，本文拟通过几个具体实例，进一步说明宏程序编程的应用。

5.1 椭圆“X2/72+Z2/100=1”的加工（见图2）

（1）加工步骤分析。首先是进行粗加工。粗加工从大到小分层切削，切刀路线如图1所示，粗加工走刀终点坐标需要由参数变量来确定，用两个参数取代长短轴方向长度，接着分析点坐标X、Z与参数之间的关系。设短轴参数为R1，那么X=2*R1，其中R1最大值为6。长轴参数设为R2，则=10*/72，用编程表达式表示为：R2=R1*SQRT（1-），则对应坐标Z=R2-10（实际为负值），在粗加工时需要保留0.2左右的余量，所以取Z=R2-9.8，这样，每刀终点的坐标就可以确定为：（2*R1，R2-9.8），R的值在0～6之间不断缩小。粗加工之后是精加工，精加工的坐标、参数设定和粗加工相同，粗加工之后，椭圆轮廓形成，精加工需要沿轮廓线从右端点直至最高点，通过参数编程将轮廓线精细分为成百上千的插补点，逐层进行加工。

（2）加工参考宏程序编程。

Ol370 程序号

MO3S600

G9OG95

T1{粗加工）

G1 X25Z2F3

R1=6

MA1：G1X=2 R1 F0.15

R2=10 SQRT（1一R1*R1/72）

G1 Z=R2—9.8 F0.15

G1X=（2 R1十1）

GO Z2

R1=R1—1（每次切深单边1）

lF R1>= O GOTOB MA1（注意空格！）

G0X80Z80；

T2S800（精加工）

GOXOZ1

R1=O

MA2：R2=10 SQRT（1—R1*R1/72）

G1 X=2 R1 Z：R2—2O F0.O6

R1=R1+O.O5

lF R1

G1 X12 Z一20 （不用省略）

GO×80Z8O

M 5

M 3O

5.2 抛物线“Z=-X2/5”工件的加工（见图3）

（1）加工分析：首先需要通过抛物线参数方程建立起数学模型。抛物线方程为Z=-X2/5，进而得出X=（单边值）；再通过直线拟合法，将抛物线的Z轴分段，段距为0.1 mm；最后确定Z为自变量，X为因变量，其中—5≤Z≤0。

（2）加工参考宏程序编程。

Ol380 程序号

N10 M03S800；主轴正转，转速800r/nfin

N20 TO101；换T01号外圆刀

N30 G00 X25.0 Z1.5；快速定位

N40 G73 U10.0 W0.0 R10；粗车循环

N50 G73 P60 Q210 U0.3 WO.0 FIO0；X向精车余量O.3mm

N60 G01 X0.0 F50 S1200；进给到X0处

N70 ZO.O；走刀到抛物线顶点处

N80 #101=0.0；Z坐标为自变量，赋初值0

N90 #102=SQRT[一5.0[#101]]；计算 单边值坐标

NIO0 #104=#102*2.O；计算双边值坐标、因变量

Nl10 G01 X#104 Z#101 FIO0；直线拟合抛物线

N120 #101=#101-0.1；步距值，z值递减O，1Illm

N130 IF[#101GE一5.0]GO TO 90；若#101大于等于-5.0转到

N90段执行

N140 G01 X10.0 Z-5.0；走刀到抛物线终点处

Nl50 Z-7.50；加工Φ10的圆

N160 X13.5；切端面

N170 X15.0 W—1.5；倒角

N180 w-6.50；加工Φ30的圆

N190 G02 X17.0 W-10.0 R2.0；加工R2圆弧

N200 G01 X18.0；切端面

N210 Z-22.5；加工Φ36的圆

N220 G70 P60 Q210；精车

N230 G00 X100.0 Z100.0；退刀

N240 T0202；换切断刀，左刀尖对刀，刀宽4 mm

N250 G00 X20 Z-44.5：定位

N260 G75 R1.O；退刀1.0 mm

N270 G75 X0 PI200 F40；切断工件

N280 GO0 X100.0 Z100.0：退刀

N290 M30；程序结束

5.3 双曲线-=1和-=1零件的加工（见图4）

（1）加工分析。首先需要选定宏程序编程的原点，注意参数方程的正确性，特别要注意图纸中Y坐标与加工过程中Z坐标之间的关系。第二，在确定以Z作为变量时，将X用含Z的表达式表示。第三是需要注意含Z的表达式需要乘以2，并注意根号前面正负号要根据加工的实际情况进行选取。针对如图所示零件的加工实际，对零件的外圆部分可以采用G90指令编程加工，双曲线的宏程序可以结合G73指令的精车工程序进行编程加工，至于坐标原点，可以设在装夹后工件右端面中心，加工程序的起始点和换刀点都可以设在（X100，Z100）的位置。

（2）加工参考宏程序编程。依据图示，双曲线的参数方程可以写成：

-=1

其加工宏程序可以编写为：

03003（程序名）

G40 G97 G99 M03 SlOOO（取消刀具补偿，设主轴正转，转速1000dmin）

T0101（选择1号35°成形车刀）

M08（切削液开）

G00 X100 Z2.5（快速定位至20直径，距端面正向5 mm）

G73 U10.0 W0.5 R6

G73 P1 Q2 U0.5 W0.1 F0.2（用G73轮廓复合循环车外轮廓）

N1 G00 G42 X30 S1200（设置刀具右补偿）

G01 Z0.0 F0.1（慢速进刀至端面）

Z-7.5（车Φ15外圆）

#1=7.232（双曲线Z向为自变量，为起点赋值）

WHILE（#1GE-9.733）DO1（双曲线终点条件判断）

#2=5*SQRT[6.5*6.5+#1*#1]/6.5（双曲线对应X坐标）

COl X[2*#2] Z[#1-19.456]（双曲线拟合直线段加工）

#l=#l-0.2（循环Z向每次步进量0.2）

ENDI

COl X18.0 z-24.99（双曲线终点坐标）

Z-30（车Φ18外圆）

N2 X21.0（退刀）

GT0 P1 Q2（GT0精车指令）

G00 G40 X100.0 ZlO0.O（返回换刀点）

M30（程序结束）

6 结语

非圆二次曲线形状多样，例如正弦曲线、余弦曲线、正切曲线、螺旋线等，杜克一通过类似的步骤和思路进行宏程序编程加工，宏程序编程较好地解决了普通编程存在的一些缺陷，将有规律的类似零件用最简短、明了的程序表达出来，符合现代生产加工方式的规模化、标准化、程序化趋势，必将在实际生产中发挥更大的作用。

参考文献

[1]张国全，于洪峰.FANUC Oi型数控车床应用宏程序加工高斯曲线[J].CAD/CAM与制造业信息化，2012（11）.

[2]谭晓艳，赵翔.椭圆盖板的宏程序编程与自动编程[J].数控机床市场，2012（10）.