柳 青

?

宏程序在凹、凸半球面銑削加工中的應(yīng)用

柳 青

(岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南岳陽 414000)

非圓曲線編程是手工編程中的難點(diǎn)，而球面是數(shù)控銑床加工中最為常見的非圓曲線。以內(nèi)、外半球加工為例， 詳細(xì)介紹了FANUC系統(tǒng)數(shù)控銑床加工球面的宏程序編寫及程序注解，并指出了在編制程序時(shí)的注意事項(xiàng)。使用宏程序加工零件可以大大簡化數(shù)控程序，達(dá)到精確和高效的目的。

球面 宏程序 變量 參數(shù)方程

宏程序是程序編制的高級(jí)形式，它應(yīng)用了大量的編程技巧，例如數(shù)學(xué)模型的建立、加工刀具及切削用量的選擇等，這些使得利用宏程序加工的零件精度很高[1-2]。特別是對(duì)于中等難度的零件，使用宏程序進(jìn)行編程加工要比自動(dòng)編程加工快得多，同時(shí)如果編寫大批量相類似零件的時(shí)候只需要改動(dòng)幾個(gè)數(shù)據(jù)就可以了，沒必要進(jìn)行大量重復(fù)的編程，所以能應(yīng)用手工編程的地方盡量不要使用自動(dòng)編程。球面是在宏程序的編制中經(jīng)常出現(xiàn)的一種圖形，要求編制者能掌握球面的相關(guān)方程，并能夠熟練地應(yīng)用方程式，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種形式的球面進(jìn)行編程和加工。

1 宏程序

宏程序就是使用了宏變量的程序、由用戶編寫的專業(yè)程序，類似于子程序，可以使用規(guī)定的指令代號(hào)以便調(diào)用。宏程序的代號(hào)稱為宏指令。

用戶宏程序是提高數(shù)控機(jī)床性能的一種特殊功能，其最大特點(diǎn)就是將有規(guī)律形狀或尺寸的加工零件用最短的程序段表達(dá)出來，具有很好的易讀性和易修改性，編寫出來的程序非常簡潔、邏輯嚴(yán)密、通用性強(qiáng)，而且機(jī)床在執(zhí)行此類程序時(shí)，相比執(zhí)行CAD/CAM軟件生成的程序更加快捷，反應(yīng)更加迅速。

在一般的程序編制中，程序中的地址字符為常量的，一個(gè)程序只能描述一個(gè)幾何形狀，所以缺乏靈活性和適用性。宏程序中地址字符為變量的(也稱宏變量)，可以根據(jù)需要通過賦值語句加以改變，使程序具有通用性。配合循環(huán)語句、分支語句和子程序調(diào)用語句，可以編制各種復(fù)雜零件的加工程序[3]。

2 球面的程序設(shè)計(jì)與加工方法

在對(duì)球圓面曲面規(guī)則公式進(jìn)行程序編制時(shí)，一般從曲面的規(guī)則公式或參數(shù)方程中，選擇其中一個(gè)變量做自變量，另一個(gè)變量作為自變量的函數(shù)，并將公式或方程轉(zhuǎn)化為自變量的函數(shù)表達(dá)式，再用數(shù)控系統(tǒng)中的變量(#i或i)來表示這個(gè)函數(shù)表達(dá)式，最后根據(jù)這個(gè)曲面的起始點(diǎn)和移動(dòng)步距，采用不同深度、不同半徑的圓來擬合球面，如圖1和圖2所示進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

圖2 凹球面的擬合

3 凹球面的加工實(shí)例

1)零件圖紙及要求：

用直徑為10 mm的球銑刀在FANUC-0i系統(tǒng)機(jī)床上銑削加工S20的凹球面，如圖3所示。

圖3 加工SR20凹球面

2)建立數(shù)學(xué)模型

參數(shù)方程如下：

=0(0°～90°，設(shè)定初始值為0)

=*cos，=*sin

=20(球半徑，mm)－5(刀具半徑，mm)

3)分析加工路線

首先，建立工件坐標(biāo)系，確定球零件上表面的中心為、、軸的零點(diǎn)，機(jī)床坐標(biāo)系設(shè)置在G54寄存器中。在工件內(nèi)垂直下刀，不采用半徑補(bǔ)償。

4)NC編程

采用參數(shù)方程編寫如下NC程序段。

O1111；程序名

G17G21G80G90G54G40G49G69；運(yùn)行初始狀態(tài)設(shè)置

MO3 S800； 設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速

G000O2； 快速運(yùn)動(dòng)到工件外下刀點(diǎn)

#1=20 凹球半徑

#2=5 刀具半徑

#3=0 加工起始角度

#4（）=#1－#2 刀具中心距

WHILE[#3LE90]DO1 角度小于等于90°繼續(xù)循環(huán)

#5=#4*sina[#3] 刀具下刀點(diǎn)值的計(jì)算

#6=#4*cos[#3] 刀具下刀點(diǎn)值的計(jì)算

G01#6Z－#5150 直線運(yùn)動(dòng)到下刀點(diǎn)

G03-#6 圓弧運(yùn)動(dòng)

#3=#3+1 角度增量，每次增加1度

END1 循環(huán)結(jié)束

G0050 抬刀

M30 程序結(jié)束并返回程序起點(diǎn)

5)加工分析

在精加工凹球面時(shí)要進(jìn)行排料粗加工，否則刀具加工量太大會(huì)引起刀具的破壞或加工尺寸偏差較大[4]。常采用以下兩種開粗加工方式：一種方式是用立銑刀進(jìn)行螺旋式下刀開粗；另一種方式是將程序中球半徑改小，先掏出個(gè)小凹球后再進(jìn)行加工。

4 凸球面的加工實(shí)例

1)零件圖紙及要求：

用直徑為10 mm的立銑刀在FANUC-0i系統(tǒng)機(jī)床上銑削加工S20的凸球面，如圖4所示。

圖4 加工SR20凸球面

2)建立數(shù)學(xué)模型

設(shè)定球的半徑為，刀具半徑為，參數(shù)方程：

=0(0°～90°，設(shè)定初始值為0)

=*sin+，=*cos-

3)分析加工路線

建立工件坐標(biāo)系，確定球零件上表面的中心為、、軸的零點(diǎn)，機(jī)床坐標(biāo)系設(shè)置在G54寄存器中。在工件外垂直下刀，不采用半徑補(bǔ)償，定球的最高頂點(diǎn)為0。

4)NC編程

采用參數(shù)方程編寫如下NC程序段。

O1111； 程序名

G17G21G80G90G54G40G49G69；運(yùn)行初始狀態(tài)設(shè)置

MO3 S800； 設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速

G000O2； 快速運(yùn)動(dòng)到工件外下刀點(diǎn)

#1=20 凹球半徑

#2=5 刀具半徑

#3=0 加工起始角度

WHILE[#3LE90]DO1 角度小于等于90°繼續(xù)循環(huán)

#4=#1*sina#3+#2 刀具下刀點(diǎn)值的計(jì)算

#5=#1cos#3-#1 刀具下刀點(diǎn)值的計(jì)算

G01X#4Z#5F150 直線運(yùn)動(dòng)到下刀點(diǎn)

G03I-#4 圓弧加工

#3=#3+1 角度增量，每次增加1°

(根據(jù)加工要求而定可將值改小或增大)

END1 循環(huán)結(jié)束

G0050 抬刀

M05 主軸停轉(zhuǎn)

M30 程序結(jié)束并返回程序起點(diǎn)

5)加工分析

在精加工凸球面時(shí)要進(jìn)行排料粗加工，否則刀具加工量太大會(huì)引起刀具破壞或加工尺寸偏差較大[4]。常采用以下開粗加工方式：先用立銑刀進(jìn)行螺旋式下刀開粗將球體部分加工成圓柱體，再將球半徑值改大加工一次，再根據(jù)實(shí)際尺寸修改球半徑進(jìn)行精加工。

4 編制程序時(shí)的注意事項(xiàng)

在FANUC系統(tǒng)中宏程序應(yīng)用比較廣泛，編寫宏程序可以在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的操作面板上直接用MDI方式，也可以在計(jì)算機(jī)上編寫程序，通過RSN-32接口傳輸?shù)綑C(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。不論用什么方式編程，宏程序可分為A類和B類。A類宏程序是以G65 H～P#～Q#～R#～的格式編寫的，而B類宏程序則是以直接的公式和語言編寫的，與C語言很相似。其中H～用H01～H99表示宏程序的各種功能。另外#～表示宏程序中一個(gè)存放數(shù)值的固定地址稱為變量，可分為4種類型：(1)局部變量:#1～#33是宏程序中局部使用的變量，用于自變量轉(zhuǎn)移，只能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如運(yùn)算結(jié)果。當(dāng)斷電時(shí)其值全部清除；調(diào)用宏程序時(shí)，自變量對(duì)局部變量賦值。(2)公用變量:在不同的宏程序中意義相同，對(duì)主程序調(diào)用的各子程序或各宏程序都是公用的，用戶可以自由使用。當(dāng)斷電時(shí)變量#100～#199的值全部被清除，而變量#500～#531即使斷電數(shù)據(jù)仍然保存。(3)系統(tǒng)變量:由#后跟4位數(shù)字來定義，它能獲取機(jī)床處理器或NC內(nèi)存中的只讀或讀/寫信息，包括與機(jī)床處理器有關(guān)的交換參數(shù)、機(jī)床狀態(tài)參數(shù)、加工參數(shù)等系統(tǒng)信息。(4)空變量:#0總是空的，沒有值能賦給該變量。掌握好變量是應(yīng)用好宏程序的關(guān)鍵。

5 結(jié)語

使用宏程序加工零件不僅大大簡化了數(shù)控程序，并且提高零件的加工精度，宏程序在實(shí)際加工中得到了廣泛的運(yùn)用。以上所述只是其中的一實(shí)例，雖然不能替代CAD/CAM軟件，但在簡化手工編程的方面起到了重要的作用。

[1] 趙剛.數(shù)控銑削編程與加工[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[2] 馮志剛.數(shù)控宏程序編程方法技巧與實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3] 金福吉.數(shù)控大賽試題答案點(diǎn)評(píng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[4] 王愛玲.數(shù)控機(jī)床加工工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.