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宏程序在高次曲線（xiàn）加工中的應用

2018-4-18 來源：福（fú）建水利電力職業技術學院（yuàn）作者：蘭嵩（sōng）

摘要：雖然各種各樣的自（zì）動編（biān）程（chéng）軟件（jiàn）層出不窮，但手工編程（chéng）仍有它不可替代的地方。本文基於FANUC-0i-mate數控係統B類宏（hóng）程序的編程指令（lìng），有條理地分析了（le）在編製（zhì）高次非圓曲（qǔ）線時遇到的困難（nán）以及解決問題的方法，為宏程（chéng）序其他場合（hé）的應用提供了思路（lù）。

關鍵詞：數控機床；宏程序；高次非圓曲線

隨著產品的不斷改（gǎi）進，機械（xiè）零件的輪廓不再是隻由直線段（duàn）和圓弧段構成，出現了二次非圓曲線包括橢圓、雙曲線、拋物線、正弦曲線等。如果用自動編程軟件編程，會出現程序可讀性差、程序冗繁、程（chéng）序靈活性不夠好等缺陷，而宏（hóng）程序就能克服這些缺陷。

1、問題提出

數控係統通（tōng）過準（zhǔn）備功能指令 G 代碼（mǎ）控製數控車床（chuáng）的（de）移動部件（刀架）運動。在 G 代碼中，能夠（gòu）使得（dé）車床動作（zuò）的指令有 G01 直線插（chā）補、G02 順時針圓弧插補、G03 逆時針圓弧插補，以（yǐ）及（jí）其它循環功能指令。但是，無論使用（yòng）哪個 G 代碼，刀架的運動軌跡從肉眼上看去走出的是直線或者圓弧。

從原理上對運動控製進行分（fèn）析（xī）：數控係統是按照插補算法來控製移動部件運動，不同的插補算法走出的軌跡是不一樣的，但都是通過折線來逼（bī）近直線或圓弧（見圖 1 和圖 2）。我們把數控係統統發送（sòng）一個脈衝，機床移動部件運動的距離（lí）稱為脈衝當量，可達到 1μm。因此，逼（bī）近的折線幾乎就是直線或圓弧，能夠（gòu）達到零件輪廓精度的（de）要（yào）求。

圖1 逐點比較插補法

圖2 數字積分插補法

遇到走刀軌跡是非圓高次曲線（xiàn），我們可以參考上述插補原理，采用將曲線（xiàn）分割（gē）成若幹條直線段來（lái）逼近（見圖3）。而要讓數控係統控製刀架走出一段直線，編（biān）程人員需要計算出直線段的終點坐標值、編寫（xiě）一行程序來實現。如果分割的線段越少，編程的計算量（liàng）就（jiù）大大減少（shǎo）、程序簡潔，但是零件的加工精度無法保證；反之（zhī），分割的線段越密集，確實（shí）能夠（gòu）保證加工精度，但缺（quē）點是坐標的（de）計算量大，程序冗繁。因此，如何利用係統自動計算坐標和簡化程序這兩個問題需要我們解（jiě）決。

圖3 折線逼近橢圓

2、問題解決

2.1 坐標（biāo）計算

如果（guǒ）將曲線分割成 10000 段，我們就需要（yào）計算 10000 個點的坐標（biāo）值。如果隻靠人工（gōng）計算，工作的效率太低，且容易出現錯誤。目前（qián）大多數數控係統都有提（tí）供宏程序功（gōng）能（néng），與（yǔ）普通（tōng）的數控程序相比較更具有靈活（huó）性。在宏程序中，字可以使用變量，通過讓變量執行賦值、運（yùn）算等（děng）操（cāo）作來控製（zhì）機床移（yí）動部件走出有規律的（de）軌跡。宏程序有（yǒu） A 類和B 類兩種，FANUC-0i- mate 係統常采用B 類宏程序進行編程，下麵（miàn）我們（men）將（jiāng）說明如何利用 B 類（lèi）宏程序解決坐標計算問題。

2.1.1 變量

1）變量表達：一個變量可用#K （K＝1，2，3……）來表達，如#28。2）變量分（fèn）類：係統提供了三種變量，全局（jú）變量、局部（bù）變量和係統變量。

2.1.2 變量運算

變量運算包括賦值數學運算和函數運算。

1）賦值使用符號“＝”，作用是將“＝”右邊的數（shù）值存（cún）放至“＝”左邊的變量中。

例如：#28＝50。

2）數值運算符號包括“+、-、*、/”，可以數值和數值間（jiān）運算，也可以數值和變量間運算，還可以變量和變量（liàng）間運算。例（lì）如：#28=#29*#30，含（hán）義為將變量#29 中存放的數值和（hé）變量#30中存放的數值相乘，得到的結果存放在變（biàn）量#28中。

3）常用的函數運算符號有：

SQRT （平方根）、ABS （絕對值）、SIN （正弦（xián））、COS （餘弦）、TAN （正切）、ATAN （餘切）等。例如：#28=SQRT[#29]，含義為將變（biàn）量#29 中存放（fàng）的數值開平方根，得到（dào）的結果存放在（zài）變量#28

中。

2.1.3 運用宏程序解決坐標計（jì）算

假設要控製機床移動部件走出橢圓軌跡，已知橢圓的長半（bàn）軸為a，短半軸為（wéi）b，我們可以得到軌跡的方（fāng）程為相比較更具有靈活性。在宏程序中，字可以使用

變量，通過讓變量執行賦值、運算等操作來控製機床移動（dòng）部件（jiàn）走出有規律的軌跡。宏程序有 A 類（lèi）和B 類兩種，FANUC-0i- mate 係統（tǒng）常采用B 類（lèi）宏程序（xù）進行編程，下麵我們將（jiāng）說明如何利用 B 類宏程序解決坐標（biāo）計算問題。

2.1.1 變量

1）變量表（biǎo）達：一個變量可用#K （K＝1，2，3……）來表達，如#28。

2）變量分類：係統提供了三種變量（liàng），全（quán）局變量、局部變量和係統變量。

Z2/ a2+ X2/ b2=1 （1）因此（cǐ），我們可以得到 X 坐標關於 Z 坐標的（de）方程：

表1 變量類型

X =baa?a - Z?Z （2）當給定軌跡上某個點M的Zm坐標值（zhí），就能通過上麵的公式計算出（chū）該點（diǎn）的Xm坐標，而（ér）這個運算過程可以讓數控係統的宏程序來實現。我們選用#100和#101兩個變量（liàng），用#100來存放（fàng）Xm坐標，用#101來存放Zm坐標（biāo），因此得到：#101=Zm；（將M點的Z坐標存放到#101）#100=b/a*SQRT[a*a-#101*#101]；（計算出 M點X坐標）G01 X#100 Z#101 F0.2；（運（yùn）動到該（gāi）點）

2.2 程（chéng）序簡化

移（yí）動部件從軌跡（jì）起點運動到終（zhōng）點，Z 坐標 Z2則從（cóng） a 連續變化到 0。如果（guǒ）將軌跡（jì）分割成 1000段，則賦值、計算和運動（dòng）各需要 1000 行程序段（duàn），因此程序非常（cháng）冗（rǒng）繁。要解決這個問（wèn）題（tí），需要（yào）用到程序的控製指令功能。

表2 條件式格式（shì）

2.2.2 程序跳轉語句

1） IF<條件式>＝GOTO n （n為程（chéng）序段號）當<條件式>成立時（shí），程序跳轉到段號為（wéi） n 的程序段往下執（zhí）行；當<條件式>不成立時，程序不執行（háng）跳轉，繼續往（wǎng）下執行。

2） WHILE< 條件式 >DO m （m＝1， 2，3……）……END m當<條件式>成（chéng）立時，程序重（chóng）複執行 DO m 到END m 之間的程序，直到<條件（jiàn）式>不成立；當（dāng）<條件式>不成立時，程序從 END m 這一段往下執行。

3）兩（liǎng）種方法比較用IF語句控製（zhì）程序跳轉時，係統必須從程序頭開始逐段掃描程序段號，直到符合語句中的段號 n 時，才開始執行程序，效率較低；而用（yòng）WHILE 語句時，係統（tǒng）隻需循環 DO m 到 END m 之間的程（chéng）序，效率高。因此推薦使用WHILE語句進（jìn）行控製。

2.2.3 程（chéng）序編製取變量（liàng）

#102 存（cún）放 Z 方向遞減的步長。Z 坐標從軌跡（jì）起點 a 開始，每次遞（dì）減步長，計算出軌（guǐ）跡上新點的 X 坐標，控製刀具運動到新（xīn）點。係統重複以上步驟，直到刀具運動到（dào）軌跡終點，從而走出曲線輪廓。輪廓加工的（de）精（jīng）度（dù）取決於步長值的大小，步長越小，軌跡被（bèi）分割成的線（xiàn）段（duàn）就越多，那麽與輪廓的相似度就越高。設置橢圓圓心為編程原點，加工的（de）宏程序如下：

從上麵程序我們可以看出：采用宏程序編程，不僅能（néng）夠簡化編（biān）程結構，並且對提高編程和加工的效率也（yě）有重要（yào）的作用。

3 、宏程序（xù）的其他應用

數（shù）控機床的編（biān）程方式包括手工編程和自動編程，隨著各（gè）種各樣的編程軟件不斷出現，大大提高了編程效率，但在某些場合（hé）中並不能（néng）完全取代手工編程。手工編程，特別是宏程序編程仍（réng）具有自己的優勢。

1）通過改變對變量（liàng）賦值，可以加工不同尺寸但形狀類（lèi）似的零件。例如（rú）需加工多個不同（tóng）零件，每個零件上都有橢圓輪廓，但尺寸、橢圓圓心與編程原點相對位置不同。我們可以先確定出橢圓的非標準式方程（通式），編製橢圓（yuán）宏程序並作為一個子程序，然後根據要加工橢圓的參數將方程中的所有常數（包括：長半軸、短半軸、起點坐標、終（zhōng）點坐標、橢圓（yuán）圓心相對編程原點的距離、步長等）賦值給變量（liàng），最後用調用子程（chéng）序的方法走出軌跡。

2）數控係統中有（yǒu）專門用（yòng）來存放（fàng）刀具（jù）補償的變（biàn）量，可以解決因刀具磨損造成（chéng）的精度誤差（chà）。當加工多個零件（jiàn）後，刀具會產生磨損，若使（shǐ）用原有的程序繼續加工，那麽零件的尺寸會超（chāo）出公差允許範圍。這時，我們隻要在程序中加一行（háng）將（jiāng）刀具磨（mó）損的值賦給磨耗變量的（de）程序段，使得刀具軌跡偏離一個磨損量，就能夠保證加（jiā）工合格。除此之外，宏程序還在其他場合廣泛（fàn）使用。比如特殊螺紋的加工、用同一個程序進行粗精加工等。

4、結（jié）束語

宏程序和普通程序（xù）相比（bǐ）較最（zuì）主（zhǔ）要（yào）的區別在於宏程序（xù）可以使用變量，並給變量賦值，變量之間（jiān）可以進行運算，程序可以控製跳轉；而普通程序中隻能使（shǐ）用常量，常量之間不能運（yùn）算（suàn），程序隻能按順序執行。做為一名優秀的數控編程人員，不能隻會使用CAD/CAM軟件出後置處理程序，要根據企業的實際情況合（hé）理地選擇程序編製方法。因（yīn）此，掌握宏程序的編製方法是非常有必要的。

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