基于宏程序的数控车削加工流程图设计

冯大鹏

(佛山科学技术学院，广东佛山528000)

宏程序在复杂轴类零件加工中的应用越来越广泛。宏程序具有灵活、通用和智能的特点。宏程序编写体现出设计人员工艺设计水平和编程能力，要求设计者不但要具备基本机械工艺数控编程知识，还要有深厚的数学建模和计算机语言知识，这无疑增加宏程序编写难度。而在数控编程加工领域，具有上述综合知识和能力的一线工程技术人员并不多。为此，可以借助一定的方法来提高技术人员的宏程序编程设计能力，程序流程图就是其中的方法之一。无论采用哪一种数控系统软件，不论是富有经验的设计人员还是刚刚涉及宏程序的新手，都可以采用程序流程图作为设计和检查宏程序的依据。对于复杂零件的编程，流程图的指导作用更是必不可少。如果能对流程图的设计及其对宏指令编程的指导作用分析透切，将使设计者少走弯路，有助于编程人员顺利编出准确合理的宏程序。

流程图是程序设计者对解决零件加工工艺问题的方法、思路或算法的一种描述，和一般的程序流程图相比，数控加工流程图具有一般流程图的基本结构:顺序、选择、循环。其中，循环结构是较为复杂的一种结构，数控加工所有的程序都离不开循环。由于数控加工的特点，加工循环又呈现出多样性和复杂性。因此，在研究宏程序流程图设计方法时，可从分析循环结构入手，探讨数控加工流程图的构成及变化规律。

1 数控加工流程图设计的基本方法

数控加工流程图设计的基本方法是根据加工工艺路线，提取出变量，根据变量变化规律，建立循环体并确定循环流出条件。

数控加工循环有单循环和多重嵌套循环模式。

1.1 变量的提取

不同的数控系统所定义的变量含义较广，从程序设计角度来看，变量不过是程序中数据的临时存放场所，是可以改变的数，需要通过赋值或代入方法来确定。在设计流程图时，变量的选择取决于加工工艺的需要，这就需要将零件加工路线列出来，分清楚哪些是程序编制过程中的变量，哪些是常量。一般来说，变量主要有以下几类:切削余量变量，一般以单向递减的形式出现，如果是复合循环指令内含宏程序，变量就会以指令所指定的切深递减的形式表现出来;数学函数上的自变量，也是以递减或递增的形式出现的。有一些变量并不以增量形式变化，仅用于传递参数，如当宏表达式复杂时，出现用于过渡的中间变量。另外一些变量是用于控制加工精度、调整工艺参数，如步距变量、切削速度、切深变量，这些变量的形成与加工工艺有密切关联。

1.2 单循环结构的流程图设计

单循环由以下要素构成:初始化;增量;条件表达式。初始化就是对循环控制变量赋初值;增量就是定义循环控制变量每循环一次后，按什么方式变化;条件表达式用于决定什么时候退出循环。在应用流程图设计宏程序时，循环结构可以用if 语句与条件表达式联合表示，也可以用while 语句与条件表达式联合表示，其含义与一般程序设计中的循环语句类似，设计者可根据需要来决定使用哪一种方式。

从单循环的结构可以看出，循环实质上是指变量以增量方式变化，达到设定条件后就退出循环。单循环主要用于一些特殊加工，如切槽和切断。

例如，切断直径为d的轴，采用间歇进刀方式，其切削速度与被加工直径成正比。这种切断模式有利于保持合理的切断速度，防止切断时出现的切削后角突然加大的现象。

采用单循环，其中变量d 反映了直径递减变化状态，变量f反映了切削速度随被加工直径减少而变小的规律。单循环基本模式见图1。

图1 单循环基本模式

1.3 两重嵌套循环流程图设计

1.3.1 两重嵌套循环的基本模式

一个循环语句的循环体内包含另一个完整的循环结构，称为循环嵌套。一个程序中宏循环嵌套最多三重，不过数控加工多采用两重嵌套循环，用于粗加工流程。

在两重循环中，外循环的变量一般为切削余量变量，由于大多数零件的廓形都可以通过建立数学模型，用基本函数的形式表示出来，因此，内循环一般为函数自变量增量变化，通过方程变换得出因变量，计算出刀具插补运动坐标，其轨迹符合加工路线要求。自变量的取值范围根据加工零件的尺寸来选定，在流程图上，用赋初值作为变量取值的开始，用条件判断语句结束循环。

在两重循环的基本模式(图2)中，外循环包含一个内循环。作为结束循环的测试，内循环和外循环各含有一个条件判断结构，以此确定变量的变化范围或取值条件。

图2 两重循环的基本模式

在工程实践上，由于加工工艺需要，两重循环还有多种变化形式。

1.3.2 嵌套循环中内循环的串联设计

一个外层循环体中可以包含多个内层循环结构，即为内循环串联。

图3所示零件分别由非圆曲线A和B组成，如果以单一方向作为自变量进行增量循环，无论对于曲线A或曲线B而言，自变量的变化幅度太大，导致零件表面粗糙度相差较大，加工质量不佳。为解决这一问题，在设计流程图时，曲线A以x为自变量，曲线B以z为自变量，在同一外循环中，自变量与因变量进行互换。因此，在这种自变量互换的内循环中，结束循环的判断条件分别是x 和z坐标，此时，流程图见图4。

图3 实例零件一

图4 内循环串联的基本模式一

加工图5所示指数型超声变幅杆时，AB段曲率变化较快，对放大性能影响较敏感，无论是粗加工还是精加工都需要较小步距和进给速度;而加工BC段时，为避免数控系统计算量加大，影响速度的提升和加工效率，需要采用较大的步距和进给速度。因此，在进行同一路线切削时，分段采用两种步距和进给速度，BC段采用较大的步距，而AB段采用较小的步距。点B坐标要预先根据曲线斜率变化及实验数据设置，其流程图见图6。

图5 实例零件二

图6 内循环串联的基本模式二

当内循环串联时，第一个内循环的流出应指向另一个内循环的起点，此时应注意防止刀位的突变，并与加工工艺相符。

1.3.3 复合循环指令中的内循环设计

这是嵌套循环的另一种表达方式。其中，宏程序作为一种内循环，而外循环由复合循环指令控制，如G71。通过对流程图的分析，这是一种特殊的两重嵌套循环，适合用于部分数控系统上，如华中数控系统，其中复合循环指令G71 承担了类似于外循环的功能，此时，内循环的运动不限于作平行于z轴的进给运动。循环开始赋值是开始段号，转跳条件是结束段号，见图7。

1.3.4 内循环的流出设计

一般来说，内循环到达曲线终点，插补完成，需要回到下一层继续加工。

在流程图设计中，必然会遇到控制循环次数的问题，否则循环程序将无法结束，即陷入“死循环”。通常采用条件控制办法，这种条件控制语句可能有一个，也可能有多个，并按一定顺序出现。其出现原因有以下几种:

(1)工艺参数的变换，包括步距、进给速度等。

(2)减少空刀，提高加工效率。

同时出现的多个条件控制语句在逻辑上存在着“或”的关系，即只要达到条件之一即可跳出内循环。因此，其出现顺序应符合编程人员的设计需要。

图7 复合循环指令中的内循环设计

例如，加工双曲线轮廓零件，其直径单调增加，材料毛坯为等径轴。

由于宏程序形成的刀路实际上是等距线，与毛坯形状相差大，为了避免空程走刀，循环中设置了提前转跳条件——循环控制直径，如果刀位超出该直径，则提前结束循环，转入下一层加工，其粗加工流程图见图8。

图8 内循环的流出设计示例

1.4 三重嵌套循环的处理方法

当需要运用到三重循环或以上时，可考虑运用子程序调用的方式来实现，这样可使流程图简化。即将最内层的循环做成一个子程序，通过上一层循环调用，这样可解决所在程序嵌套数量的限制问题，同时也可以提高所在层程序的简洁性。

2 结束语

在当前数控加工技术逐渐成熟的背景下，零件的数控加工工艺也趋于成熟和稳定，其程序流程图的设计也将遵循一定的模式，只要把握好流程图的设计规律，设计人员就不难设计出简洁合理的流程图，这将对编程人员应用宏指令编制复杂零件程序有较大的帮助，通过流程图，可以认识数据或变量的流动状态，确定循环的嵌套形式和转跳路线，在应对不同的数控系统和语言规范时，思路更清楚，程序表达更合理。

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