吳 凱，張柳清

（茂名技師學(xué)院，廣東茂名 525011）

0 引言

在機(jī)械制造業(yè)中，各類(lèi)CAD/CAM軟件越來(lái)越多地應(yīng)用在數(shù)控曲面加工中，CAD/CAM軟件中生成刀具路徑就是在允許的誤差值范圍內(nèi)沿每條路徑用直線(xiàn)去逼近曲線(xiàn)曲面的過(guò)程，CAD/CAM軟件生成的程序龐大無(wú)比，占用空間大，對(duì)于要求高的精密的曲線(xiàn)輪廓零件，降低了零件的尺寸精度和輪廓形狀精度，而對(duì)于這些非圓曲線(xiàn)方程類(lèi)輪廓零件保證其輪廓精度對(duì)使用性能至關(guān)重要。宏程序編制的程序與CAD/CAM軟件生成的程序相比，程序大大簡(jiǎn)化，輸入與調(diào)試方便快捷，解決CAD/CAM軟件編程計(jì)算坐標(biāo)值繁瑣、程序龐大、程序難修改等難點(diǎn)問(wèn)題。宏程序是手工編程的最高級(jí)形式，同時(shí)也是手工編程的一個(gè)難點(diǎn)，本文結(jié)合宏程序編程的特點(diǎn)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型、列變量處理表、畫(huà)程序流程圖和仿真驗(yàn)證四大步驟快速高效地編制非圓二次曲線(xiàn)零件加工通用的宏程序模板，大大擴(kuò)展了數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍。

1 FANUC-0i系統(tǒng)用戶(hù)宏程序簡(jiǎn)介及其編程特點(diǎn)

1.1 宏程序簡(jiǎn)介

程序中具有變量、并利用變量進(jìn)行賦值和表達(dá)式來(lái)進(jìn)行邏輯運(yùn)算的程序稱(chēng)為宏程序。平常所說(shuō)的宏程序就是用戶(hù)宏程序。宏程序是數(shù)控系統(tǒng)所具有的特殊編程功能，F(xiàn)ANUC-0i系統(tǒng)宏程序結(jié)構(gòu)是基于BASIC語(yǔ)言建立的，常用B類(lèi)宏程序，它借助IF、WHILE語(yǔ)句可以控制宏程序的流向，常用的轉(zhuǎn)移和循環(huán)語(yǔ)句有三種[1-2]：

（1）無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令（GO TO語(yǔ)句）

GO TO目標(biāo)程序段號(hào)

無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令用于無(wú)條件轉(zhuǎn)移到指定程序段號(hào)開(kāi)始執(zhí)行。

（2）條件轉(zhuǎn)移指令（IF語(yǔ)句）

①I(mǎi)F[條件表達(dá)式]GO TO n

當(dāng)條件滿(mǎn)足時(shí)，轉(zhuǎn)移到指定程序段，如果條件不滿(mǎn)足時(shí)則執(zhí)行下一程序段。

②IF[條件表達(dá)式]THEN宏語(yǔ)句

當(dāng)條件表達(dá)式滿(mǎn)足時(shí)執(zhí)行預(yù)先決定的宏語(yǔ)句。

循環(huán)指令（WHILE語(yǔ)句）

WHILE[條件表達(dá)式]DO m（m=1，2，3）

‥‥

END m

當(dāng)條件表達(dá)式滿(mǎn)足時(shí)，就循環(huán)執(zhí)行DO與END之間的程序段，條件表達(dá)式不滿(mǎn)足時(shí)，則執(zhí)行END后的下一個(gè)程序段。

1.2 宏程序編程特點(diǎn)

宏程序中通過(guò)對(duì)變量進(jìn)行算術(shù)、邏輯和函數(shù)運(yùn)算，應(yīng)用更靈活、方便。其編程特點(diǎn)如下。

（1）宏程序具有靈活性、通用性和智能性特點(diǎn)[3]。若程序中某數(shù)據(jù)需要更改，只需將相應(yīng)變量重新賦值即可，這樣使宏程序有著廣泛的通用性。

（2）宏程序編程最體現(xiàn)模塊化思維[3]。編程人員只需要根據(jù)零件幾何信息和不同的數(shù)學(xué)模型可完成相應(yīng)的模塊化加工程序設(shè)計(jì)。對(duì)于相似零件的重復(fù)性加工或有規(guī)律性地重復(fù)一個(gè)動(dòng)作，宏程序只要改變變量的值，即可完成不同的加工或操作。

（3）宏程序邏輯嚴(yán)密，可讀性強(qiáng)，占用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)空間小[3]。宏程序天生短小精悍。一般常見(jiàn)的數(shù)控系統(tǒng)完全容納得下任何復(fù)雜的宏程序，數(shù)控機(jī)床執(zhí)行宏程序時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可以直接進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，而且運(yùn)算速度極快加工效率高。通俗地說(shuō)，宏程序就是小程序解決大問(wèn)題[1]。

（4）宏程序加工精度高[3-4]。CAD/CAM軟件編程時(shí)，在建模、刀具軌跡生成、后置處理環(huán)節(jié)都存在一定的誤差，在不同建模軟件CAD圖檔轉(zhuǎn)換也會(huì)產(chǎn)生一定的精度誤差，宏程序可以有效地避免CAD/CAM軟件編程產(chǎn)生的誤差，加工精度高。

2 非圓二次曲線(xiàn)類(lèi)零件編程的數(shù)學(xué)分析

2.1 非圓二次曲線(xiàn)編程數(shù)學(xué)處理

工程上處理用數(shù)學(xué)方程描述的平面非圓曲線(xiàn)輪廓圖形常采用相互連接的直線(xiàn)逼近法和圓弧逼近法[4]。

（1）直線(xiàn)逼近法。一般來(lái)說(shuō)，由于直線(xiàn)法的插補(bǔ)節(jié)點(diǎn)均在曲線(xiàn)輪廓上，容易計(jì)算，編程也簡(jiǎn)便些，所以常用直線(xiàn)法來(lái)逼近非圓曲線(xiàn)，其缺點(diǎn)是插補(bǔ)誤差較大。

（2）圓弧逼近法。曲線(xiàn)的圓弧逼近有曲率圓法、三點(diǎn)圓周法和相切圓周法等方法，這些方法須先用直線(xiàn)逼近法求各節(jié)點(diǎn)再求各圓周，其計(jì)算較繁瑣。

2.2 編制非圓二次曲線(xiàn)加工宏程序的步驟

宏程序?qū)梢杂煤瘮?shù)公式描述的工件輪廓或曲面進(jìn)行數(shù)控加工，是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)重要功能，數(shù)控加工公式曲線(xiàn)宏程序編制具有一定的規(guī)律性?？砂匆韵虏襟E進(jìn)行：（1）建立數(shù)學(xué)模型，確定自變量和因變量；（2）列變量處理表，通過(guò)表格形式，清楚條理地把數(shù)學(xué)模型表達(dá)式轉(zhuǎn)化成宏變量表達(dá)式；（3）畫(huà)流程圖，按流程圖寫(xiě)出程序；（4）仿真模擬加工驗(yàn)證

3 非圓二次曲線(xiàn)類(lèi)零件宏程序的編制實(shí)例

圖1 橢圓宏程序流程圖

橢圓零件是典型的非圓二次曲線(xiàn)零件，下面以橢圓零件為例論述此類(lèi)零件一般宏程序的編制步驟。

例 數(shù)控銑削加工圖1所示橢圓零件外形輪廓，試編制其加工宏程序（FANUC-0i系統(tǒng)）。

解：分別選擇標(biāo)準(zhǔn)方程和參數(shù)方程編制該橢圓外輪廓的精加工程序，走刀路線(xiàn)為：A→B→C→D→C→E→A。見(jiàn)圖2所示。

圖2 橢圓宏程序流程圖

3.1 標(biāo)準(zhǔn)方程加工橢圓

（1）標(biāo)準(zhǔn)方程加工橢圓要建立數(shù)學(xué)模型，其表達(dá)式及曲線(xiàn)變量處理表見(jiàn)表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)方程加工橢圓曲線(xiàn)變量處理表[5]

表2 參數(shù)方程加工橢圓曲線(xiàn)變量處理表[5]

（2）宏程序如下：

O1018

G54 G00 G90 X60.0 Y0.； 定位到A點(diǎn)。

M03 S1200； 主軸正轉(zhuǎn)。

G01 Z-5.0 F200； 切深5 mm

G42 G01 X45.0 Y-5.0 D01 M08； 右刀補(bǔ)進(jìn)刀到B點(diǎn)。

G02 X40.0 Y0.0 R5.0； 圓弧切向進(jìn)刀到C點(diǎn)。

#20=40.0； 橢圓長(zhǎng)半軸賦初值。

WHILE[#20GT-40.0]DO1； 當(dāng)X值大于-40.0時(shí)執(zhí)行循環(huán)1。

#20=#20-0.15； X值遞減0.15mm。

#21=25.0*SQRT[1-#20*#20/[40.*40.]]；計(jì)算第一、二象限的Y坐標(biāo)值

G01 X#20 Y#21 F150； 直線(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算逼近橢圓曲線(xiàn)。

END 1； 循環(huán)1結(jié)束。

WHILE[#20LT40.0]DO2； 當(dāng)X值小于40.0時(shí)執(zhí)行循環(huán)2。

#20=#20+0.15； X值遞增0.15 mm。

#21=-25.0*SQRT[1-#20*#20/[40.0*40.0]]；計(jì)算第三、四象限的Y坐標(biāo)值。

G01 X#20 Y#21 F150； 直線(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算逼近橢圓曲線(xiàn)。

END 2； 循環(huán)2結(jié)束。

G02 X40.0 Y5.0 R5.0； 圓弧切向退刀到E點(diǎn)。

G00 G40 X60.0 Y0.0 M09；取消右刀補(bǔ)，退刀到A點(diǎn)。

M05； 主軸停。

M30； 程序結(jié)束。

3.2 參數(shù)方程加工橢圓

（1）首先建立橢圓參數(shù)方程的數(shù)學(xué)模型，其表達(dá)式及橢圓曲線(xiàn)變量處理表見(jiàn)表2所示。

（2）畫(huà)程序流程圖

程序流程圖是計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程中常用的工具，它全面描述系統(tǒng)邏輯、反映信息在系統(tǒng)中的流動(dòng)、處理情況。它通過(guò)圖框形式指示程序流程，控制程序的走向，具有直觀(guān)易讀和易理解的特點(diǎn)，使編程思路清晰、流暢、條理性強(qiáng)，宏程序可借用流程圖的形式，編程前先按邏輯順序畫(huà)出流程圖，然后按流程圖就容易編寫(xiě)程序。參數(shù)方程編程先根據(jù)思路畫(huà)出流程圖，見(jiàn)圖3所示。

圖3 橢圓宏程序流程圖

（3）根據(jù)流程圖寫(xiě)出其加工程序

O1809

G54 G90 G00 X60.0 Y0.0； 定位到A點(diǎn)。

M03 S1200； 主軸正轉(zhuǎn)。

G01 Z-5.0 F200： 切深5mm

G01 G42 X45.0 Y-5.0 DO1 M08； 右刀補(bǔ)進(jìn)刀到B點(diǎn)。

G02 X40.0 Y0.0 R5.0 F150； 圓弧切向進(jìn)刀到C點(diǎn)。

#1=0.0； 角度變量賦初值0。

WHILE[#1LE360.0]DO 1； 當(dāng)#1≤360O時(shí)執(zhí)行循環(huán)1。

#1=#1+0.5； 角度變量#1遞增0.5O。

#20=40.0*COS[#1]； 計(jì)算X坐標(biāo)值。

#21=25.0*SIN[#1]； 計(jì)算Y坐標(biāo)值。

G01 X#20 Y#21 F150； 直線(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算逼近橢圓曲線(xiàn)。

END 1； 循環(huán)1結(jié)束。

G00 G40 X60.0 Y0.0 M09； 取消右刀補(bǔ)，退刀到A點(diǎn)。

M05； 主軸停。

M30； 程序結(jié)束。

（4）仿真模擬加工驗(yàn)證

為了驗(yàn)證程序的正確性，避免由于程序的原因?qū)C(jī)床造成的損傷，下面用CAXA制造工程師編程助手軟件仿真加工過(guò)程，CAXA制造工程師編程助手支持自動(dòng)導(dǎo)入代碼和手工編寫(xiě)代碼，其中包括宏程序代碼的軌跡仿真，能有效驗(yàn)證代碼的正確性[6]。

1）打開(kāi)CAXA制造工程師2008的編程助手，進(jìn)入軟件界面。

2）在程序代碼框中錄入O1809的宏程序。

3）代碼錄入完成后，進(jìn)行仿真加工，選擇[仿真]→[加工仿真]，彈出對(duì)話(huà)框，選擇步長(zhǎng)5，前進(jìn)方向選擇[前進(jìn)]，單擊[開(kāi)始]按鈕。見(jiàn)圖4。

圖4 仿真加工對(duì)話(huà)框

仿真結(jié)束圖見(jiàn)圖5，當(dāng)宏程序中有代碼錯(cuò)誤或格式不對(duì)時(shí)軟件會(huì)提示，根據(jù)提示進(jìn)行修改。

3.3 模塊化程序轉(zhuǎn)化

該例是編制橢圓類(lèi)零件加工的典型程序?？勺鳛橐粋€(gè)編程模板使用，需要時(shí)通過(guò)調(diào)用指令M98或G65等調(diào)用，程序中可通過(guò)修改自變量#20及橢圓長(zhǎng)短半軸參數(shù)實(shí)現(xiàn)各類(lèi)不同大小的橢圓零件的加工。另外，通過(guò)修改刀具半徑D01的值及角度增量值的大小可實(shí)現(xiàn)橢圓的粗加工、半精加工、精加工，而其它數(shù)據(jù)不用改變，增強(qiáng)程序的通用性，大大地縮短了編程周期和工作量，從而提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)利益，起到事半功倍的效果。

圖5 仿真加工軌跡線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

編制宏程序關(guān)鍵是建立好數(shù)學(xué)模型，確定好自變量及取值范圍，列出變量表，然后畫(huà)出流程圖，理清思路就容易編制了。宏程序并非深不可測(cè)，它顯著的特點(diǎn)是用變量進(jìn)行賦值，很方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，免去了大量的手工計(jì)算，讓數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算判別，減少自動(dòng)編程每次都要畫(huà)圖的麻煩，宏程序特別適用于各種公式曲線(xiàn)零件編程，當(dāng)加工條件改變時(shí)宏程序可以隨時(shí)更改加工參數(shù)，以適應(yīng)新的加工需求，宏程序充分體現(xiàn)模塊化思維，一次編程多次受益，各種實(shí)例證明，宏程序加工非圓二次曲線(xiàn)類(lèi)零件是一種高精度、高效率的加工方法。

［1］張喜江.加工中心宏程序應(yīng)用案例［M］.北京：金盾出版社，2013.

［2］楊志紅.淺談宏程序的編程原理及應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010（12）：54-58.

［3］張寧菊.基于宏程序的內(nèi)外螺紋的數(shù)控銑削加工［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2013（1）：25-27.

［4］陳海舟.數(shù)控銑削加工宏程序及應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［5］杜軍.FANUC宏程序編程技巧與實(shí)例精解［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［6］范文利，姜洪奎，張蔚波.CAXA2008制造工程師行業(yè)應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.