應用宏程序優化數控車削非切削空程路徑

袁文武

（國家開放大學 北京 100039）

1 引言

數控技術賦予了機床“大腦”，而用好這個“大腦”，靈活運用宏程序，可以提升加工效率。筆者以“宏程序+數控車削”、“G71指令+宏程序”、“G73指令+宏程序”為關鍵詞對中國知網進行檢索，剔除數控銑削等非數控車削的論文，重點研究應用宏程序解決數控車削軸類零件加工的相關論文發現，程啟森歸納了應用宏程序加工拋物線時的編程技巧[1]；岳秋琴以橢圓和拋物線曲面零件的加工證明了宏程序加工非圓曲線類零件靈活簡便、通用性和加工效率的提升[2]；程啟森等利用宏程序對非圓曲線加工路徑進行了改進，提升了加工效率[3]；徐兵等巧用圓錐曲線極坐標的數學特點，編制了非圓曲線類零件的統一方程[4]；袁永富等通過一個典型零件數控加工走刀路線優化，分析了宏程序的應用[5]；劉虎等采用數學分析歸納法，應用宏程序對非圓曲線方程進行了編制[6]；赫煥麗等總結了利用宏程序編制斜橢圓加工程序的格式和技巧[7]；劉健等應用 G71 指令和宏程序編程改進了典型軸類零件的加工路徑[8]；吳陳燕編制了典型正切曲線零件的宏程序，解決了正切曲線類零件宏程序的加工[9]；王紅梅等根據橢圓標準方程編制了橢圓內孔粗加工宏程序[10]。

綜上，文獻[1-4]闡述了宏程序對軸類零件外側具有凸域的非圓曲線或圓弧類零件的加工，文獻[5-9]闡述了宏程序對軸類零件外側具有凹域的非圓曲線或圓弧類零件的加工，文獻[10]闡述了宏程序對軸類零件內側具有凸域的非圓曲線類零件的加工。應用宏程序解決數控車削加工中出現的橢圓、雙曲線、拋物線等單一非圓曲線，體現了宏程序應用時的靈活、便捷，彌補了數控系統不具備直接進行非圓曲線加工與編程的缺陷。但應用宏程序優化具有非圓曲線和圓弧相連的軸類零件尚不多見，筆者運用G71指令和宏程序編程，提出了應用宏程序編制此類零件的最佳加工路徑，依次編程可有效減少數控車削非切削空行程路徑。

2 粗車循環指令使應用

2.1 典型軸類零件

本文采用典型軸類零件為研究對象，零件尺寸如圖1所示，材料為鋁。假設該零件按照“從右至左、由近至遠”的原則進行加工。零件加工工藝可分為以下幾個步驟：車端面→車R2圓弧→車Φ40 mm外圓→車R30 mm圓弧→車橢圓→車Φ48 mm外圓和切斷。

圖1 全國數控技能大賽典型軸類零件

2.2 手工編程方式

此類零件的加工通常采用G71指令（內/外徑粗車循環指令）、G73指令（仿形粗車循環指令）和宏程配合編程。常用的是運用G73指令和宏程序編程，其次是運用G71指令、G73指令和宏程序編程，目前難度較大的是運用G71和宏程序編程。原因在于，針對非圓曲線和圓弧相連的軸類零件，運用G73指令編程時給出精加工路徑和粗加工切削深度，數控系統計算出相應的粗加工路徑和次數，相對于直線插補指令和單一固定循環指令，可以極大地提高編程效率。G73指令常用在具有單調性的零件上，針對不具有單調性的“凹域”軸類零件，其缺陷在于產生大量無效“非切削空行程路徑”。本文通過分析宏程序編制數學特點，在“加工起點和切削深度”等加工要素相同的情況下，編制G73指令和宏程序程序，G71指令、G73指令和宏程序程序，G71指令和宏程序程序。通過對比，用戶程序重點對零件“凹域”部分進行編程與加工，可以最大程度上減少空行程，提升加工效率。

3 宏程序編制數學特點

本文以FANUC 0i數控系統采用B類用戶宏程序為例，利用宏程序變量、語句和子程序調用優化數控車削加工路徑。宏程序編制時難點在于圓弧或非圓曲線的坐標偏移和凹凸弧的取舍。下面以全國數控技能大賽典型軸類零件外輪廓加工為例[11]，分析其宏程序編制時的數學特點，工件毛坯為 Φ50 mm×100 mm，材料為鋁。工件原點及其編程坐標系 軸、 軸方向如圖1所示，數控車床為后置刀架，刀具采用副偏角較大的仿形車刀。該零件遵循“從右至左、由近至遠”的加工原則。

3.1 確定橢圓坐標方程

3.2 選取橢圓自變量與取值范圍

編制宏程時一般采用等步距直線逼近的方法，公式曲線中x 和z 坐標均可以被定義為自變量，一般根據表達式方便情況和是否具有單調性來確定是x 還是z 作為自變量，按照刀具進給路線選擇具有單調性的z 作為自變量比較方便，自變量取值范圍[-23.73,58]。

3.3 轉換橢圓車床實際坐標表達式

根據確定的因變量，將橢圓坐標方程轉換為因變量x 相對于自變量z 的實際車床坐標表達式，其公式如下：

關于正負號的取舍，遵循“凸正凹負”原則，如圖1橢圓弧由于是凹弧，所以取負，其公式如下：

參照橢圓坐標表達式的操作方法，可確定R30圓弧的實際車床坐標表達式。圓弧的 和 坐標均具有單調性，均可以被定義為自變量，本文選擇 坐標作為自變量，根據上述操作方法那么可得出R30 圓弧自變量 的取值范圍為[15.595,20],實際車床坐標表達式如下：

4 運用G73指令和宏程序編程方案

第一種方案采取G73指令和宏程序配合編制零件程序（見表1），將該程序導入斯沃數控仿真軟件V7.3仿真其刀具路徑軌跡，形成刀具軌跡如圖2所示。該方案是解決具有凹域軸類零件加工編程相對簡單、容易，是常用的做法，但會產生大量的非切削空行程，降低加工效率。

圖2 運用G73指令和宏程序編程刀具仿真軌跡

表1 運用F73指令和宏程序編制程序

G 0 1 Z 0 車削零件端面X 4 0 R 2 車削R 2圓弧Z-8.0 8 車削￠4 0外圓G 0 3 X 3 1.1 9 Z-2 3.7 3 R 3 0 車削R 3 0圓弧G 0 1 X 3 1.1 9 Z-2 3.7 3 車削到R 3 0圓弧終點#1=-2 3.7 3 自變量Z賦初值W H I L E[#1 G E-5 8]D O 1 判斷是否走到橢圓的 Z向終點#2=[#1+3 8]*[#1+3 8] 計算Z值#3=2 4-S Q R T[1 4 4-1 4 4*#2/4 0 0] 計算X值G 0 1 X[2*#3]Z[#1] 直線插補#1=#1-0.1 自變量Z遞減一個歩距-0.1 E N D 1 嵌套結束G 0 1 X 4 8 車削Φ 4 8外圓Z-7 8 車削Φ 4 8外圓N 2 0 G 4 0 G 0 0 X 5 0 X向退刀Z 2 Z向退刀M 0 5 主軸停止M O O 程序停止M 0 4 S 1 2 0 0 T 0 1 0 1 F 0.1 設定精加工參數G 0 0 X 5 0 Z 2 定位精加工起點G 7 0 P 1 0 Q 2 0 精加工M 0 5 主軸停止M 3 0 程序結束并返回

5 運用G71指令、G73指令和宏程序編程方案

第二種方案采取G71指令和G73指令編制零件程序（見表2和表3），并將該程序導入斯沃數控仿真軟件V7.3仿真其刀具路徑軌跡，形成刀具軌跡如圖3所示。該方案先采用G71指令對零件臺階軸編程進行粗精加工，然后再M98調用子程序O0003，運用G73和宏程序對零件凹域部分進行粗精加工，解決了零件凹域之外的刀具空行程，從一定程度上提升了加工效率。

圖3 運用G71、G73和宏程序指令編程刀具仿真軌跡

表2 運用G71和調用子程序編制主程序

表3 運用G73和宏程序編制凹域部分加工子程序

WHILE[#1GE-58]DO1 判斷是否走到橢圓的 Z向終點#2=[#1+38]*[#1+38] 計算Z值#3=24-SQRT[144-144*#2/400] 計算X值G01X[2*#3]Z[#1] 直線插補#1=#1-0.1 自變量Z遞減一個歩距-0.1 END1 嵌套結束G01X48 車削￠48外圓N40G40G00X50 X向退刀Z-6 Z向退刀M05 主軸停止M00 程序停止M04S1200T0101F0.1 設定精加工參數G00X50Z-6 定位精加工起點G70P30Q40 精加工M99 子程序調用結束

6 運用G71指令和宏程序編程方案

第三種方案采取 G71和宏程序編制零件程序（見表4、表5和表6），并將該程序導入斯沃數控仿真軟件V7.3仿真其刀具路徑軌跡，形成刀具軌跡如圖4所示。該方案采取分四段加工，即：用G71指令對零件的臺階軸部分進行粗精加工（完成Φ40、Φ48和R2圓弧的加工）→用宏程序完成Φ40和Φ48間橢圓弧段凹域粗加工→用宏程序完成R30圓弧和橢圓凹域粗加工→用宏程序完成Φ31.19和Φ24間橢圓弧凹域加工（見表7）。該方案解決了零件加工非切削空行程，提升加工效率。

圖4 運用G71指令和宏程序四段加工演變圖

表4 運用G71指令和調用子程序編程主程序

表5 Φ40和Φ48間橢圓弧凹域加工子程序

表6 R30圓弧和橢圓弧凹域加工子程序

表7 Φ31.19和Φ24間橢圓弧凹域加工子程序

7 編程與仿真

(1)應用斯沃數控仿真軟件V7.3仿真刀具路徑軌跡時，一個程序段中不能同時出現G71和G73指令，否則仿真時只出現G71指令刀軌而不出現G73指令刀軌，解決辦法是應用子程序調用 G73程序。

(2)應用記事本將程序導入斯沃數控仿真軟件時，建議每行程序段尾不加“；”，否者導入程序時會出現多余的分號，情況如下：

#2=[#1+38]?[#1+38] ；

#3=24?SQRT[144?144?#2/400] ； ；

8 結語

第一種方案是解決具有凹域軸類零件加工數控車削的常用方案，編程相對簡單、容易，但刀具軌跡平行于零件輪廓分層切削，不僅會產生大量非切削空行程路徑，降低加工效率、延長加工時間，同時由于刀具Z向受力不均衡，加劇了刀具磨損。

第二種方案，雖然除去了方案一中的部分非切削空行程路徑，但在加工零件凹域時刀具的空行程和受力不均衡問題并沒有解決。

第三種方案對前二種方案進行了優化，用宏程序對零件凹域部分進行編程與加工，刀具軌跡采取先貼近圓弧或橢圓弧段工進進刀，再平行于Z軸粗加工，極大地減少了空行程，提升了加工效率，由于刀具在Z向受力更加均勻，降低了刀具磨損。

宏程序編程是手工編程的必備方法，掌握宏程序編程方法能優化刀具加工程序，實現加工最短走刀路線，促進加工效率提升、加工時間縮短。本文應用71指令、G73指令、子程序和宏程序編制的三種不同的加工程序，解決了具有非圓曲線和圓弧相兼的凹域軸類零件的數控車削加工難題，通過斯沃數控仿真軟件 V7.3仿真每種程序刀具路徑軌跡進行實踐驗證，確定了應用宏程序優化具有非圓曲線和圓弧相兼的凹域軸類零件的數控車削加工最佳路徑，這彌補了G71、G73指令編程時的不足，拓展了數控系統的加工功能，具有實際加工借鑒和實用價值。