数控宏程序在数控车床中的应用

申毅莉

（梧州学院 电子信息工程系，广西 梧州543002）

1 宏程序的含义及理论基础

一般意义而言，数控指令是指ISO 代码指令编程，即每一指令的功能是固定的，由系统厂家生产，使用者只需且只能按照机床的控制规定编程即可。但有时这些指令满足不了用户的需求，系统因此提供了用户宏程序平台，用户可以对数控系统进行一定的功能扩展，即在数控系统宏程序功能的平台上进行开发，其开发出来的程序就是宏程序［1］。宏程序是数控系统中一种具有计算能力和决策能力的数控程序，即采用参数化编程就称之为宏程序。

1.1 适用于宏程序加工的内容

（1）加工工艺的优化。加工工艺的优化主要是数控加工程序的优化，要求操作者非常方便、快速地调整生产过程的加工参数（如刀具尺寸、刀具补偿值、层降、步距、计算精度等），宏程序在这方面有强大的优越性。使用宏程序编程加工时，只需针对各项加工参数所对应的自变量赋值做出个别调整，就能调整到最优化的状态。

（2）保证几何参数曲面的加工。机械零件的形状主要是各种凸台、凹槽、圆孔、斜平面、回转面等组合体。构成其几何因素无外乎点、直线、圆弧、各种二次圆锥曲线（椭圆、抛物线、双曲线）等，这些都是基于三角函数、解析几何的数学应用。上述的直线或曲线在数学上均可以用三角函数表达式、解析方程式以及参数方程加以表达。因此宏程序具有广泛的应用空间，能发挥较强的作用。

（3）特殊螺纹的加工。有一些很特殊的应用，如变螺距螺纹加工，运用宏程序切削变螺距螺纹，在循环中只需要每转动一圈，对螺距进行递增（递减）一定量，这样就可以实现加工过程中螺距的变化。

（4）宏程序与普通编程的比较。宏程序与普通编程存在一定的区别，如表1 所示。

从表1 中可以看出，宏程序与普通编程之间的差别。宏程序编程更灵活。

表1 宏程序与普通编程的简要对比

1.2 宏程序的理论基础

（1）椭圆走刀轨迹的宏程序编程指令O8001

（2）双曲线走刀轨迹的宏程序编程指令O8002

（3）抛物线走刀轨迹的宏程序编程指令O8003

变量说明：

对于椭圆与双曲线，#1 为X 轴变量，#2 为Z 轴的自变量，#3 为长半轴尺寸，#4 为短半轴尺寸，#5 为Z 轴自变量每次步进的量，#6 为加工终点的Z 轴坐标值。

对于抛物线，#1 为X 轴变量，#2 为Z 轴的自变量，#3为P 的数值，#4 为Z 轴自变量每次步进的量，#5 为加工终点的Z 轴坐标值。

以上三个宏程序只需要保存于数控系统中，其程序号在车床上如同G01，G02/G03 插补指令一样，就可以实现椭圆、双曲线、抛物线这三种非圆曲线的走刀。

2 FANUC 车床宏程序的典型零件加工实例

2.1 选择及确定加工方案

2.1.1 零件分析

如图1 所示的工件为一个常用的带椭圆的手柄零件，其椭圆与直线相切，左端为M20 的单头普通三角螺纹。外形表面粗糙度要求为Ra1.6，要求较高，倒角尺寸为R2，总长尺寸公差为0.1mm。

图1 椭圆手柄零件

2.1.2 比较和确定零件加工方案

方案1：普通车床加工。加工椭圆曲面时，由于普通车床无法实现车床两轴联动，无法保证曲面的尺寸及曲面过渡，因此普通车床无法加工椭圆手柄。

方案2：普通编程加工。普通编程只能加工直线或圆曲线，对于非圆曲线，则需要分解成N 个点，同时需要每个点的坐标，采用直线拟合加工，但是想在椭圆上分解出N 个点来，并找到每个点的坐标是非常困难的，因此无法使用普通编程加工。

方案3：宏程序编程加工。对于非圆、有规律曲线的加工，宏程序可以重复循环使用，程序短小精悍，可以实现程序小模块化，方便编程与使用，其加工速率高，能达到2000～3000m/s，加工的表面质量高，能达到表面粗糙度Ra1.6。

方案4：自动编程。对于一般的曲面，自动编程基本能实现，而自动编程所得到的程序非常庞大，容易超出系统的容量，只能DNC 在线加工；同时自动编程所生成的程序在系统需要大量的计算，因此在速度大于800m/s 以上时，会出现迟缓、断续的现象，加工表面质量不高，要达到粗糙度Ra1.6，则需要安排在磨床进行精磨，增加工序。

综上所述，方案3 优于其余的三种方案，因此采用方案3；下文中将宏程序与自动编程程序进行对比。

2.2 椭圆手柄工艺分析

材料为45 钢，毛坯尺寸为φ40×115mm 的圆形棒料。

2.2.1 宏程序加工手柄加工工艺分析

工件的右端面为椭圆，不易于车床上一般的三角卡盘装夹，因而先加工左端的外轮廓，后加工右端的椭圆。加工左端时，由于有螺纹，如果先加工左端、后加工右端，装夹左端会损坏螺纹，并且螺纹M20×1 比较小，可使用板牙加工即可。如果需要加工比较大的螺纹，可以在完成右端加工时，用铜皮包裹，再用三角卡盘装夹。

2.2.2 选择机床及刀具

采用FANUC 数控系统卧式车床。由于有斜面，为了使刀具与工件的斜面在走刀加工过程中不产生干涉或过切，因此应根据斜面的斜度选择合适的刀具角度。

Z 轴方向上单边尺寸差：（36-26）/2=5mm；

X 轴方向上尺寸差：70-46=24mm；

单边斜度为：arctan（5/24）=11.768°；

刀偏角：90°-11.768°=78.232°。

为了防止在加工过程中产生过切，在加工右端时，刀偏角度必须小于78.232°，因此在3 号与4 号刀架上安装偏角为75°外圆菱形合金刀。

2.2.3 选择切削用量

参考车削用量表以及经验值，粗加工时车削用量为：主轴转速1000r/min，进给量f=100mm/min；精加工时车削用量为：主轴转速2000r/min，进给量f=50mm/min。

留给精车的余量为0.1～0.5mm，考虑精车刀具有R0.2 的圆弧倒角，为了避免车削φ20mm 到φ26mm 之间的阶梯时出现过切或未切，并且参考车削用量表、经验值以及刀具刀尖圆弧半径大小，X 向、Z 向均取0.2mm 的精车余量；同时由于右端面（即带椭圆弧端）采用G73 循环指令，并且粗车分5 次车削，因此U 值设定=实际尺寸-第一刀切入量-精车余量。其中，实际尺寸=（最大回转直径-最小回转直径）/2=（36-0）/2=18mm；第一刀切入量=实际尺寸/分割刀数=18/5=3.6mm；精车余量为0.2mm；因此：U 值=5-1-0.2=3.8mm；

2.2.4 加工工艺步骤

①夹右端4～5 个齿，约60mm，粗车左端端面和外圆，留出0.2mm 的精加工余量。

②换刀精加工左端外圆，尺寸到达φ19.90mm（螺纹大径）、φ22mm、R2、C2、20mm、5mm 到图纸要求

③掉头、用薄铜皮包左端，装夹左端，找正装夹。

④粗加工右端面、外圆、留出0.2mm 的精车余量。

⑤换刀精车右端，达到图纸尺寸和形位公差要求（精车时，在刀具上加油石，可以去毛刺）。

⑥使用游标卡尺（GB/T 21389-2008）、千分尺（GB/T 1216-2004）检查工件的各个尺寸，以保证达到加工的要求。

根据上述椭圆手柄零件加工工艺，可编写刀具卡、工艺卡，如表2、3 所示。

2.3 椭圆手柄宏程序编程加工

椭圆手柄宏程序编程的流程图如图2 所示。

根据图2所示流程图，数控宏程序赋值说明表如表4所示。

（1）工件左端加工程序为：

表2 刀具使用卡

表3 数控加工工艺卡

图2 宏程序循环流程图

表4 宏程序赋值说明表

（2）右端加工程序为：

（3）O8001椭圆宏程序

从以上程序可看出，手柄上的非圆部分使用的宏程序比较短小，改变了传统的非圆曲线自动编程方式。

2.4 椭圆手柄自动编程加工

运用MasterCAM 加工椭圆手柄零件，自动编程在加工椭圆圆弧与斜面无法交接，因而无法用G73 的固定循环代码，因此在加工过程中，左右两端的交接处在斜面与椭圆的相交处。自动编程生成程序的流程图如图3 所示。

图3 MasterCAM 生成程序流程图

自动编程程序实现过程（步骤）：

（1）由于手柄外轮廓有椭圆，而MasterCAM 自动编程软件与绘图软件之间存在软件的兼容性，且CAD 与CAM 无法实现图形，使得该零件需要通过CAXA 电子图板2007 将2008CAD 零件图进行复现，并且能使MasterCAM 软件兼容该零件图。

（2）MasterCAM 调用零件图，并选择两轴联动的机床，设置材料以及夹具，如图4、图5 所示。

图4 材料设置

图5 卡盘设置

（3）设置刀具，车削速度V=800r/min，单边车削深度为1mm，进给率为100mm/min，对零件进行粗车，所得走刀路线如图6、图7 所示。

图6 粗车走刀路线

图7 粗车效果

图8 精加工走刀路线

图9 精加工效果

（4）设置精加工路线以及刀具，车削速度为1200r/min、进给率为50r/min，得到的精加工路线如图8、图9 所示。

（5）输出程序，在生成数控加工程序进行后置处理。

2.5 宏程序与自动编程加工实体模型的对比分析

2.5.1 宏程序加工参数

由加工零件的模型看，宏程序模型根据实际加工中打板形式，通过调节主轴转速、进给率来获取最佳精加工参数，如表5 所示。

由于加工过程中参数的改变，因而每段中所获得的表面粗糙度有所不同，在第三段加工中，其光滑度达到了镜面车削，粗糙度达到Ra1.6，比图纸中所需的要求高一个等级。

2.5.2 宏程序与自动编程加工对比分析

宏程序加工与自动编程加工对比分析如表6 所示。

表5 宏程序实体模型加工参数对比

表6 宏程序加工与自动编程加工对比

通过上述两表可以看出，宏程序加工出来椭圆手柄模型比自动编程获得的效果要好，并且宏程序加工椭圆手柄零件能达到预期的效果。

3 结 语

本文通过FANUC 数控系统运用简单的语言总结宏程序的理论基础及几种编程方式，提出一种可以直接用于主程序的宏程序，使宏程序运用更加灵活。

在数控系统二次开发中，使用宏程序编程编出椭圆、双曲线、抛物线三种非圆曲线的程序指令，使用程序代替走刀指令，突破数控系统中仅有的G01 直线插补、G02/G03 圆弧插补走刀指令，实现宏程序可以直接采用由程序组成的指令进行走刀加工，其在椭圆手柄的加工中得以验证。

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