基于数控车宏指令椭圆编程的不同编程方法的研究

摘  要：在GSK-TD数控系统中进行椭圆等曲线轨迹编程加工时，按机床说明书及编程说明进行宏指令编程，常规方法程序结构复杂，易出错，走空刀多，加工时间长。为寻找一个更简洁可靠的编程方法，文章专门对宏指令变量编程的方法进行了研究，摸索出一种宏指令调入子程序的编程方法，有效解决编程复杂的问题，提高程序可靠性，提升生产效率。

关键词：宏程序;编程方法;椭圆性质;子程序

中图分类号：TG519.1      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）02-0118-04

Abstract：In GSK-TD NC system，when programming the ellipse contour trajectory，the macroinstruction programming is carried out according to the machine tool instructions and programming instructions. The conventional method has complex program structure，easy to make mistakes，many empty tools and long processing time. In order to find a more simple and reliable programming method，the macroinstruction variable programming method is specially studied，and a programming method of macroinstruction calling into subroutine is explored，which can effectively solve the complex programming，improve the reliability of the program，and enhance the production efficiency.

Keywords：macro program;programming method;elliptic property;subroutine

0  引  言

手工編程是数控编程在教学过程中学生学习的重要一环，常规的G代码指令往往不能满足日常复杂多变的加工要求，一些复杂的曲面加工往往用宏变量编程实现。目前教科书上主要介绍数控G代码编程，忽略了宏指令变量编程的重要性。由于宏变量编程所写的语句复杂多样，对于中等职业学校的学生而言，宏指令变量编程是学生编程的短板。从学生将来就业的长远考虑，宏指令变量编程又显得十分重要。如何掌握一个简洁而又实用的编程方法是我们手工编程者努力开发的结果，因此宏指令变量编程方法的研究势在必行。

1  发现问题

由于各种专用数控机床的应用越来越普遍，控制程序加工轨迹靠数控系统提供的指令代码来完成。编程指令代码的功能格式固定，只需按规定格式编程即可。但是这些指令不能完全满足非圆曲线加工要求，如椭圆、双曲线等。因此在编程中常用到宏指令实现变量赋值、算术运算、逻辑判断及条件转移。宏指令有利于编制特殊零件（非圆曲线）的加工程序，减少手工编程时进行繁琐的数值计算，减少加工错误的发生，精简用户编写的程序。所以，合理发掘宏指令实现扩展数控系统的潜在功能，有效对特殊要求的零件进行加工。但在椭圆曲线的编程中，应用宏程序代替G73指令去编程却遇到两个问题：（1）程序复杂易出错;（2）加工走空刀多，浪费时间，效率低。

为更好发掘宏指令椭圆编程的功能，本人在研究椭圆曲线的过程中，有意识地探究一些有关椭圆曲线的几何性质，加以归纳并进行可行的研究。一方面，椭圆编程作为技能竞赛题也会往这个方向上尝试;另一方面，作为新课程的一个理念，让学生进行一些学有余力的研究，提高学生学习数控加工的兴趣，提高学生自己研究问题的能力。经过努力，总结出一种子程序编程模式的加工方法，下面作详细分析供大家探讨。

2  基于椭圆推导公式实例分析

2.1  椭圆性质推导公式

椭圆常常给人们带来直观的美学形象，在研究椭时也会很自然地想得到有关这个椭圆的美妙的性质，作为曲线编程加工的一个典型代表，对培养学生图形美的认识起着相当重要的作用。

椭圆的标准方程分两种情况，一是当焦点在X轴时，椭圆的标准方程是：x2/a2+y2/b2=1，（a>b>0）;二是当焦点在Y轴时，椭圆的标准方程是：y2/a2+x2/b2=1，（a>b>0）;其中a2-c2=b2。

在一个平面内一个动点到两个定点的距离的和等于定长，这个动点的轨迹叫作椭圆。如果将它在直角坐标系中进行表示，上述定义中两个定点被定义在了X轴。若将两个定点改在Y轴，可以用相同方法求出另一个椭圆的标准方程。

在方程中，所设的较长轴称为长轴，较短轴称为短轴，而所设的定点称为焦点，也叫焦距。如图1所示，在椭圆的坐标系中，以长半轴为半径画一个大圆，以短半轴为半径画一个小圆;如果在大圆上假设一点P，连接OP，OP与小圆的交点设为A，过P、A点分别作X轴的垂线，交点为N与B，假设PO与NO相交的夹角为t。可以利用二元二次方程的性质进行计算，分析其特性会发现：cos（t）=ON/OP=x/a（即x=acos（t）），sin（t）=PN/OP=AB/OA=y/b（即y=bsin（t））。

2.2  椭圆轨迹编程实例分析

如图2所示，编写180°的椭圆轮廓精加工走刀轨迹加工程序。

根据椭圆曲线方程的性质，理论上将180°的椭圆圆心角平均分成1 800等份，每份0.1°。将等分后的1 800份的各个圆心角所对应的曲线起点及终点用直线连起来，形成一个椭圆轨迹，而这轨迹就是实际的加工轨迹。编程方法为：

O1230（程序名）

G0 X100 Z100;

T0101 S800 M3;

G0 X0 Z22;

G1 Z0 F100;

G65 H01 P#200 Q0;

N1 G65 H02 P#200 Q#200 R100;

G65 H31 P#201 Q10000R#200;

G65 H04 P#202 Q#201 R2000;

G65 H32 P#203 Q20000 R#200;

G1 X#202 Z#203;

G65 H84 P1 Q180000;

G0 X100 Z100 M5;

T0100;

G0 U0 W0;

M30;

3  宏指令G73方式编程加工方法

为进一步地用子程序方式与用G73方式去编程作对比，通过实例编程来体现。如图3所示，所需材料45号钢，毛坯尺寸Φ35×100 mm;选用刀具T01为30°外圆右偏尖刀，T02为切断刀且刀宽为3 mm，以左刀尖点为对刀点;粗车椭圆、Φ14外圆及Φ34外圆，转速为700 r/min，进给量为0.25 mm/r;精车椭圆、Φ14外圆及Φ34外圆，转速为2 500 r/min，进给量为0.25 mm/r;切槽、倒角转速为500 r/min，进给量为0.05 mm/r;切断转速为600 r/min，进给量为0.05 mm/r。

用G73固定循环指令走刀方式编写椭圆程序，编写方法为：

O0001（程序名）

G0 X150 Z150;

G97 G99 T0101 M8;

G65 H01 P#201 Q700;

G65 H01 P#202 Q250;

G65 H01 P#203 Q2000;

M3 S#201;

G42 G0 X36.3 Z30;

G65 H01 P#208 Q0;

N1 G65 H02 P#209 Q#208 R#203;

G50 X#209 Z30 S#201;

G65 H01 P#208 Q#209;

G0 X0;

G1 Z25 F#202;

G65 H01 P#210 Q0;

N2 G65 H02 P#211 Q#210 R1828;

G65 H31 P#212 Q34000 R#211;

G65 H32 P#213 Q25000 R#211;

G1 X#212 Z#213;

G65 H01 P#210 Q#211;

G65 H84 P2 Q#211 R155000;

G1 Z-32;

G1 X34 Z-40;

G1 Z-44;

G1 X30 Z-46;

G0 U10;

G0 Z30;

G0X#209;

G65H81P3Q#209R36000;

G65H84P1Q#209R36300;

N3G96;

G65H01P#201Q150;

G65H01P#202Q100;

G65H01P#203Q300;

G65H84P1Q#209R36300;

M0;

G40G0X150Z150;

M0;

T0202 M8 G96 G50 S2500;

G99 G0 X37 Z-45 S20 M3;

W-3;

G1 X15 F0.05;

X36;

W2;

X32 W-2;

G0 X37;

G75R0.5;

G75X3W0P1000Q0 F0.05;

G0X150;

Z150;

M30;

在程序上可以看出加工軌迹的连续性，先以零件轮廓为轨迹编写粗加工循环，最后再以零件轮廓为轨迹编写精加工循环，这就造成了程序的重复性和复杂性，编程容易出错。

4  宏指令子程序调入方式编程加工方法

宏指令G73方式编程加工复杂容易出错，而且加工轨迹走空刀比较多，浪费大量时间，不利于批量生产。为了编程简单化和提高加工效率，本人通过实践，总结出宏指令调入子程序编写椭圆循环加工更便捷实用，其编程方法为：

4.1  宏指令的主程序

宏指令椭圆编程主程序：

O0002;

G99 G0 X150 Z150;

T0101 S800 M3;

G0 X37 Z27 M8;

G90 X35 Z-49 F0.25;

G0 X34;

G65 H1 P#200 Q500;

G65 H1 P#201 Q34000;

N1 G65 H3 P#201 Q#201 R1000;

M98 P3 F0.25;

G65 H83 P1 Q#201 R0;

G0 X150 Z150 M5;

M9;

M0;

T0101 S1000 M3;

G0 X35 Z27 M8;

G65 H1 P#200 Q0;

G65 H1 P#201 Q0;

M98 P3 F0.1;

G0 X150 Z150 M5;

M0;

T0202 S600 M3;

G0 X37 Z-48.2;

G94 X16 Z-48.2 F0.1;

G0 X36 Z-46;

G1 X32 Z-48;

X0;

G0 X100 Z100 M5;

T0100;

G0 U0 W0;

M30;

在主程序里没有编写零件轮廓精加工轨迹，但设置了粗加工的循环条件，只要加工时满足了设定条件，系统就自动调入了O0003程序执行加工。因此，宏指令调入子程序方式编写的加工程序较为简单易懂，安全可靠。

4.2  宏指令调入的子程序编程

宏指令椭圆编程子程序：

O0003（子程序名）

G0 X#201;

G0 Z25;

G65 H1 P#202 Q0;

N2 G65 H2 P#202 Q#202 R1000;

G65 H31 P#203 Q17000 R#202;

G65 H32 P#204 Q25000 R#202;

G65 H4 P#205 Q#203 R2;

G65 H2 P#206 Q#200 R#201;

G65 H2 P#207 Q#206 R#205;

G65 H2 P#208 Q#206 R14000;

G65 H83 P3 Q#202 R163;

G1 X#207 Z#204;

G65 H84 P2 Q#202 R163;

N3 G1 X#208 Z-32;

U20 W-8;

Z-49;

G0 U2 Z27;

M99;

調入的子程序主要是以零件轮廓轨迹进行编程，粗精加工的轨迹都是调用它，达到条件就执行。解决了加工时走空刀的问题，提高加工效率，并以判断实现尺寸控制，精准更高。因此，使用宏指令调入子程序的加工比使宏指令G73方式的加工效果更好。

5  结  论

两种不同的编程方法体现了宏程序的宏变量编程灵活多样化，有效实现用户宏变量的价值。从使用宏指令G73方式编程加工方法和使用宏指令调入子程序方式编程加工方法的对比，宏指令G73方式加工由一个一体化的程序完成粗精加工，其程序结构复杂多变，容易出现编程错误，而且由外向内平行于零件轮廓重复进行粗加工，走空刀占时间较多;而使用宏指令调入子程序方式加工是在主程序的基础上，调入另一个描述零件轮廓轨迹的子程序进行粗精加工。每一次的调用都对零件毛坯进行有效的切削，所以加工时间较短，有利于批量生产，而程序结构上分成两个或多个完整程序，用户较容易管理，不易出错。

参考文献：

[1] 孟玲霞.数控车削编程与操作训练 [M].北京：电子工业出版社，2008.

[2] 苟维杰，易楠，吴健生.数控机床 [M].长沙：国防科技大学出版社，2008.

[3] 赵战峰，战祥乐.数控编程高级应用教程（基于德国标准） [M].北京：化学工业出版社，2015.

[4] 陈何生.数控车床编程与操作——广数GSK980TDc车床数控系统：第3版[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2019.

[5] 黄丽芬.数控车床编程与操作——广数GSK980TD车床数控系统 [M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.

作者简介：聂志杏（1983—），男，汉族，广东云浮人，教师，机械工艺高级实习指导教师，本科，研究方向：数控车削加工。