劉振超，葉 燕

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州545616）

0 引言

空間曲面的加工，通?？刹捎肅AD/CAM軟件編程加工，但也存在占用數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存大、缺乏靈活性和通用性等弊端。利用數(shù)控系統(tǒng)提供的用戶宏程序，通過對(duì)數(shù)控系統(tǒng)編程功能進(jìn)行擴(kuò)展，或者對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的控制功能進(jìn)行二次開發(fā)，即可用手工編程加工此類曲面，且具有良好的靈活性和通用性，適合相似零件的批量生產(chǎn)[1-2]。但目前宏程序的應(yīng)用研究，大多只針對(duì)一個(gè)坐標(biāo)平面內(nèi)的輪廓，如橢圓，而且只討論精加工的編程，而對(duì)于從立方體毛坯到橢球體的去余量加工，卻很難真正用宏程序完成整個(gè)零件的加工，這就需要利用宏程序設(shè)計(jì)和開發(fā)出能夠自動(dòng)完成空間非球體零件加工的編程方法。

1 FANUC系統(tǒng)宏循環(huán)多層嵌套

1.1 宏循環(huán)的概念

宏編程就是使用變量進(jìn)行編程，可以用宏指令對(duì)這些變量進(jìn)行賦值、運(yùn)算等處理，可以控制程序的轉(zhuǎn)移和循環(huán)等，通過使用宏程序能執(zhí)行一些有規(guī)律變化（如非圓二次曲線輪廓）的動(dòng)作[4-5]。

在宏程序中，使用GOTO語(yǔ)句和IF語(yǔ)句可以改變控制的流向，而通過WHILE條件判斷語(yǔ)句，可以控制程序的循環(huán)執(zhí)行，其編程格式如下：

WHILE[條件表達(dá)式]DO m；

︰

END m；

式中：m是循環(huán)執(zhí)行范圍的識(shí)別號(hào)，只能是1、2和3，否則系統(tǒng)報(bào)警。

當(dāng)指定的條件滿足時(shí)，WHILE循環(huán)就被執(zhí)行，即執(zhí)行WHILE從DO到END之間的程序，否則轉(zhuǎn)而執(zhí)行END之后的程序段。WHILE[條件表達(dá)式]DOm和ENDm必須成對(duì)使用。

1.2 宏循環(huán)多層嵌套

WHILE條件判斷語(yǔ)句的多次使用，使DO—END循環(huán)能夠按需要使用多次，即形成多層宏循環(huán)嵌套，如圖1所示。

圖1 多層嵌套宏循環(huán)

在編制較復(fù)雜的宏程序時(shí)，往往采用循環(huán)嵌套，但一定要注意嵌套規(guī)則和要求。

（1）循環(huán)可以嵌套，但不能超過3個(gè)，如圖1所示。

（2）標(biāo)號(hào)（1、2、3）可以根據(jù)要求多次使用，如圖 2所示，但DO的范圍不能交叉，如圖3所示。

圖2 同一循環(huán)標(biāo)號(hào)可以多次使用

圖3 DO-END的范圍不能交叉

（3）循環(huán)控制也可與條件控制一起使用，以滿足復(fù)雜加工的要求。條件控制可以使程序執(zhí)行轉(zhuǎn)移到循環(huán)外邊，如圖4所示，但轉(zhuǎn)移卻不能進(jìn)入循環(huán)區(qū)內(nèi)，如圖5所示。

圖4 控制可以轉(zhuǎn)到循環(huán)外邊

圖5 轉(zhuǎn)移不能進(jìn)入循環(huán)區(qū)內(nèi)

2 三維橢球體的數(shù)控銑削加工

要在一個(gè)70 mm×70 mm×50 mm的45#鋼方塊上加工出半個(gè)三維橢球體，其在X、Y、Z方向上的半軸長(zhǎng)度分別為a=30 mm，b=20 mm，c=20 mm。單件加工。

2.1 橢球體加工走刀路線設(shè)計(jì)及宏程序編制思路

在加工橢球體時(shí)，其三個(gè)平面內(nèi)的投影均為橢圓。粗加工時(shí)，如果采用從下往上分層切削，平底立銑刀在XOZ平面往上插補(bǔ)后，再在XY平面上銑削走一個(gè)完整的橢圓，如圖6所示?？梢岳肍ANUC系統(tǒng)的宏程序多層嵌套循環(huán)完成多次切削，從而去除粗加工余量。在XY面上的加工余量去除后，刀具在XOZ平面再向上插補(bǔ)一個(gè)層高，確定新的刀具位置（X1，Z1），再次進(jìn)入 XY 面上的去余量加工，如此循環(huán)，直到刀具插補(bǔ)到橢球面頂點(diǎn)處時(shí)退出循環(huán)。精加工時(shí)走刀路線跟粗加工一樣，只是把平底立銑刀改成球頭立銑刀，如圖7所示，進(jìn)刀插補(bǔ)值更小，以便保證橢球體加工的表面質(zhì)量及尺寸精度。

圖6 分層切削粗銑走刀軌跡

圖7 精銑走刀軌跡

根據(jù)走刀路線的設(shè)計(jì)，宏程序的執(zhí)行過程如圖8所示。

圖8 宏程序結(jié)構(gòu)圖

2.2 橢球體的數(shù)學(xué)模型

橢球體的標(biāo)準(zhǔn)方程：

從方程中可以看出a，b，c三項(xiàng)中，如果有一項(xiàng)為零則三維橢球就變?yōu)槎S橢圓。

分層加工橢圓，并保證每層橢圓尺寸和層距關(guān)系符合橢球方程?？梢杂脜?shù)方程表達(dá)刀位軌跡上任意一點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)值之間的關(guān)系。如圖7所示，設(shè)角度Φ為XY面上的自變量，角度θ為XZ面上的自變量，則

（1）XOY平面內(nèi)橢圓參數(shù)方程為：

（2）在XOZ平面內(nèi)建立的橢圓參數(shù)方程為：

（3）在任意高度XY平面的橢圓參數(shù)方程為：

其中0＜ Φ ≤ 360°，0＜ θ≤ 90°。

3 宏程序

粗加工時(shí)使用平底立銑刀，編程時(shí)以平底刀的底面中心為刀位點(diǎn)，要考慮刀具半徑對(duì)加工輪廓的影響。因?yàn)槊鳛榉叫危繉拥挠嗔坎灰粯?，所以每層的橢圓切削次數(shù)也不一樣，需要根據(jù)橢圓輪廓的實(shí)際大小自動(dòng)計(jì)算。

精加工時(shí)使用球頭銑刀，編程時(shí)以球頭刀的球心為刀位點(diǎn)，刀位點(diǎn)與切削點(diǎn)不重合。

因?yàn)槭菃渭庸ぃ园汛?、精加工的程序編制為一個(gè)程序。

O1001程序名

N10 G91G28Z0；回參考點(diǎn)

N20 T1M06；換平底銑刀粗加工

N30 G54G90G0Z100H1；初始化

N40 M3S1000；主軸正轉(zhuǎn)

N50#1=30.0；XY 平面長(zhǎng)半軸 a賦值

N60#2=20.0；XY平面短半軸b賦值

N70#3=20.0；XZ 平面短半軸 c賦值

N80#4=6.0；平底銑刀半徑賦初值

N90#5=6.0；球頭銑刀半徑賦初值

N100#6=0 XZ平面角度θ賦初值

N110#7=0 XY平面角度Φ賦初值

N120 G0 X45 Y0；快速定位

N130 Z5；下刀至安全平面

N140 G1 Z0 F100；進(jìn)刀到加工平面

N150 WHILE[#6LE90]DO1；判斷角度變量θ，執(zhí)行循環(huán)1

N160#24=#1*COS[#6]+#4；計(jì)算XZ平面上刀位點(diǎn)X坐標(biāo)

N170#26=#3*SIN[#6]；計(jì)算 XZ平面上刀位點(diǎn)Z坐標(biāo)

N180 G1X[#24]Y0F100 XY；平面上進(jìn)刀

N190 Z[#26]；Z向進(jìn)刀

N200#15=70；毛坯邊長(zhǎng)

N210#16=9.6；步距賦值，取刀具直徑的 0.8 倍

N220#17=0.707*#15-#24*#2/#1 ；任意層 XY 面需要切削的最大余量

N230#8=FIX[#17/#16]；每層XY面銑削時(shí)的粗切次數(shù)，需要取整

N240 WHILE[#8GT0]DO2；（判斷切削次數(shù)變量，執(zhí)行循環(huán)2

N250#19=#24+#8*#16；計(jì)算XY平面銑削每次進(jìn)刀時(shí)的橢圓長(zhǎng)半軸；

N260#20=#19*#2/#1； 計(jì)算XY平面銑削每次進(jìn)刀時(shí)的橢圓短半軸

N270 G1X[#19]Y0 F100；進(jìn)刀

N280 WHILE[#7LE360]DO3；判斷角度Φ變量，執(zhí)行循環(huán)3

N290#11=#19*COS[#7]；計(jì)算XY平面上切削的X坐標(biāo)

N300#12=#20*SIN[#7]；計(jì)算XY平面上切削的Y坐標(biāo)

N310 G1X[#11]Y[#12]F100；切削

N320#7=#7+1；角度Φ遞增

N330 END3；第3層循環(huán)結(jié)束

N340#8=#8-1；每層切削次數(shù)遞減

N350 END2；第2層循環(huán)結(jié)束

N360#6=#6+1；角度θ遞增

N370 END1；第1層循環(huán)結(jié)束

N380 G0G49Z100；抬刀

N390 M5；主軸停

N400 G91G28Z0；回參考點(diǎn)

N410 T02 M06；換球頭刀精加工

N420 G0Z100H2；初始化

N430 M3S1500；主軸正轉(zhuǎn)

N435 X45 YO；定位

N440 Z5；下刀至安全平面

N450#6=0；角度θ賦初值

N460 WHILE [#6 LE 90]DO1；判斷角度θ變量，精加工第一層循環(huán)

N470#27=[#1+#5]*COS[#6]；球頭刀刀位點(diǎn) X坐標(biāo)

N480#28=#3*SIN[#6]+#5；球頭刀刀位點(diǎn)Z坐標(biāo)

N490 G1X[#27]Y0F80；進(jìn)刀

N500 Z[#28]；Z向進(jìn)刀

N510#7=0；角度Φ賦初值

N520 WHILE[#7 LE 360]DO2；判斷角度Φ變量，精加工第二層循環(huán)

N530#29=（#1+#5）*COS［#6］；球頭刀刀位點(diǎn) X坐標(biāo)

N540#30=#29*COS[#7]；計(jì)算XY平面上切削的X坐標(biāo)

N550#31=[#29*20/30]*SIN[#7]；計(jì)算 XY平面上切削的Y坐標(biāo)

N560 G1X[#30]Y[#31]F80；切削

N570#7=#7+1；角度Φ遞增

N580 END2；精加工第二層循環(huán)結(jié)束

N590#6=#6+1；角度θ遞增

N600 END1；精加工第一層循環(huán)結(jié)束

N610 G0G49Z100；抬刀

N620 M5；主軸停

N630 M30；程序結(jié)束

4 結(jié)語(yǔ)

通過仿真加工，結(jié)果如圖9所示。實(shí)踐證明，通過用FANUC系統(tǒng)多層嵌套宏循環(huán)編程功能，可以很好地解決空間二次曲面類零件的粗、精加工。編制宏程序關(guān)鍵是建立好數(shù)學(xué)模型和確定變量，并理清變量之間的邏輯關(guān)系，明確變量范圍，恰當(dāng)?shù)貙懗龈髯兞恐g的函數(shù)表達(dá)式，尤其要注意變量累加、條件判斷以及切削軌跡程序段之間的邏輯關(guān)系。宏循環(huán)多層嵌套運(yùn)用時(shí)需注意分層，首先應(yīng)該考慮被包容層，再依次擴(kuò)大考慮上級(jí)包容層，反之亦行，關(guān)鍵是理清嵌套層的相互關(guān)系。

圖9 仿真結(jié)果