宏程序在数控铣床编程球面加工中的应用

1、宏程序在数控铣床编程球面加工中的应用摘 要：宏程序在生产实践中有着广泛的应用，尤其在曲面的编程时更为常用。掌握宏程序在数控编程中的应用，是数控技术的重要组成部分。文章针对宏程序在球面加工中的使用，阐述了如何使用变量及高级语言的表达式编制程序。关键词：数控编程 宏程序 变量中图分类号：TP313 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2007)01-02-031 引言在铣床上，数控编程方式有两种，一是自动编程，二是手工编程。自动编程是指依靠自动编程软件来完成程序编制，它可以解决复杂零件的加工问题，但其产生的数控加工程序受多方面因素的影响，首先受CAD/CAM 软件在CAD 建模时计算精度

2、的影响，其次，受CAD/CAM 软件在生成NC 刀具轨迹时计算精度的影响，有时后处理环节对其也会有影响，打开一个自动编程的数控加工程序，可发现程序中几乎都是简单的圆弧与直线指令的组合，虽然数据很准确，但很繁琐，几乎无法读懂程序。手工编程是由人工完成零件的程序编制工作，主要包括零件图样分析、工艺处理、数据计算、编制程序及输入并校验程序等过程，相对于自动编程而言，可以完成的零件相对较为简单，但为什么还要学手工编程呢？对于数控从业人员来讲，手工编程是自动编程的基础，在任何时候，手工编程都是必须要掌握，在我国，无论是数控类技能鉴定等级考试或是数控类技能大赛，都不允许使用CAD/CAM 软件进行自动编程

3、，而只能进行手工编程，在企业中，手工编程依然运用于实际生产。特别是宏程序，是手工编程的高级形式，程序编制过程中，如果能够精通宏程序的使用，会使程序变得简单，而且其加工精很高，相对于自动编程产生的数控加工程序，加工时间也会大大缩短。2 关于宏程序2.1 宏程序的定义、特点在程序中使用变量，通过对变量进行赋值及处理的方法达到程序功能，这种有变量的程序称之为宏程序。在一般的程序编制中程序字视为一常量，一个程序只能描述一个几何形状，所以缺乏灵活性和适用性；而使用宏程序编程，针对同一类型的编程，只须改动变量数值，不用重新编程，就可以得到不同尺寸而几何形状相似的程序具有应用灵活、形式自由的特点；还具备计算

4、机高级语言的表达式、逻辑运算及类似的程序流程，使加工程序简练易懂，实现普通编程难以实现的功能。2.2 宏程序的作用由于宏程序允许使用变量、算术和逻辑运算、条件转移以及循环指令，使得编制相同的加工操作程序更方便，可将相同的加工操作编为通用程序，如内型腔加工、球面加工等，使用时，只需通过改变其变量值就可以直接使用，还可以用一条简单指令调出用户宏程序，和调用子程序一样。文中关于宏程序的调用不作研究，着重研究怎样使用变量宏程序进行球面加工。3 宏程序在球面加工实例中的应用如果不用宏程序，加工球面只能用自动编程完成，但引入宏程序理念就不同了。在大多数文章中介绍曲面加工宏程序时，一般只给出曲面精加工宏程序

5、，较少涉及去除体积的粗加工宏程序，本文就粗、精加工不同的情况来介绍曲面加工宏程序的数学原理及加工特点。若需要加工一个半径R 为25mm 的完整半球面，毛坯是半径R 为30mm 的圆柱体，粗加工用直径为10mm 的平底铣刀，自上而下以等高线方式逐层铣削，并且由外到内多次完成铣削(当去除部分宽度大于刀具直径时)。精加工用直径为10mm 球头铣刀，采用自下而上等角度水平环绕方式精加工。3.1 粗加工宏程序编制过程无论需要加工的外球面是一个完整的半球面还是球面的一部分，毛坯为一圆柱体，图1中的阴影部分是使用平底立铣刀进行粗加工时需要去除的部分，自上而下铣削过程如图所示，去除部分的宽度逐渐减小，越靠近上

6、方，去除宽度越大当去除部分的宽度大于刀具直径时，则需由外至内多次完成每层以G02 方式走刀(顺铣)，设置变量走刀走的次数通过设定变量及循环语句(WHILE DOmENDm)完成，具体操作是：计算出每层要去除的宽度#10，#10 是一变量，加工过程中每层其值都不一样，将#10 除以步距#6（#6=2*#2*0.8 即刀具直径的80%）并向上取整得到循环次数#11 ， 再通过设置循环语句(WHILE#11GE0 DO2END2)完成每层去除宽度的铣削，当加工满足#11 大于零时，继续该内部循环2(从N210 N240)，#11 依次递减1直至不满足#11 大于零的条件时则退出循环2，该层加工结束。

7、而要完成整个粗加工程序，需设置嵌套语句，把起始点刀尖高度（#8）作为自变量，每次递减#17（每层切深），当满足加工时刀尖高度小于终止点刀尖高度（#9）时，继续循环1(从N140 N280)，直至不满足条件则退出循环1，粗加工结束。具体作法见如下程序及说明：图1 自上而上等高体积粗加工O0001； /程序名/N10 #1=R； /球面圆弧半径/N20 #2=r； /平底立铣刀半径/N30 #3=0；/（zx 平面）起始角与竖直方向Y 轴夹角，最小值为0/N40 #4=； /（zx 平面）终止角与竖值方向Y 轴夹角最大值为90/N50 #5=#1*SIN#4；/ 所加工球面的横向最大半径/N60

8、#6=2*#2*0.8；/刀间距/N70 #8=#1*COS#3；/铣削时任意高度刀尖距球心的z 坐标值，赋初值/N80 #9=#1*COS#4；/终止高度刀尖距球心的z 坐标值/N90 #17=1；/每层切削深度/N100 #18=0；/z 轴下刀位置，赋初值/N110 G54M03F1000；N120 G90X0Y0Z30；N130 WHILE#8GT#9DO1；/循环1 开始/N140 G00X#5+#2#1 Y0；/快速移动至毛坯外侧/N150 Z#18+2.；/快速移动到#18 上方2mm.处/N160 G01Z-#18F150；/切削进给至当前加工深度/N170 #7=SQRT#1

9、*#1-#18*#8；/铣削时任意高度刀尖距球心的x 坐标值/N180 #10=#5-#7；/铣削时任意高度上要去除部分的宽度/N190 #11=FIX#10/#6；/每层铣削次数（当去除宽度大于刀径时）/N200 WHILE#11GE0DO2； /循环2 开始/N210 #12=#7+#11*#6+#2；/ 每层（刀具中心）在x 方向上移动的x 坐标值/N220 G01X#12Y0F150；/每层在x 方向上移动的第一目标点（当去除宽度大于刀径时）N230 G02I-#12；/整圆铣削/N240 #11=#11-1；/每层走刀圈数依次递减至零/N250 END2；/循环2 结束，最里一圈走完

10、/N260 G00 Z#1+30.；/安全提刀/N270 #18=#18+#17；/循环1 下刀位置/N280 #8=#8-#18；/自变量递减#18/N290 END1；/循环1 结束/N300 G00 Z#1+30.；/安全提刀/N310 M05；/主轴停转/N320 M30；/程序结束/程序中：如果#3=0，#4=90，即对应的是一个完整的半球面。3.2 精加工宏程序编制过程从加工工艺上看，精加工球面时，如果选放射状流线加工时，刀具轨迹在球面上的分布不均匀，靠近中心间隔过密，而周边相对较疏，加工效果势必不理想，而如果选择水平等高环绕方式加工时，则不存在上述情况，相对而言，加工效果比较理想

11、，所以该球面选择的走刀方式可以设置以角度#3 为自变量的等角度水平环绕加工，变量#3 每次递增量为变量#17，即把要加工的断面圆弧（一般选择XZ 坐标平面）均分成若干段，如每段对应的圆心角#17= #4-#3/50=-0/50，即把圆心角分为50 段，为了提高其加工质量，在设置角度递增量（#17）可以小一点，即可多分几段，理论上，角度递增量#17越小，精度越高，一般最小值的选取要参考机床的识别精度，也可以根据经验值设定；就加工顺序来讲，自下而上的上移式，也比自上而下的下插式更合理，为了减轻接刀痕的影响，最大限度地提高表面加工质量，在每一层刀具开始和结束位置采用了1/4 圆弧切入和1/4 圆弧切

12、出的进、退刀方式，设置圆弧半径为刀具半径，每层均走整圆，整圆半径通过设置变量#5 完成，如图2根据三角系，可得出#5=#12*SIN#3 关系式，#12（#12=#1+#2）是球心与刀心连线距离。最后通过设置环语句（WHILE#3LT#4 DO1END1）控制整个加工过程，当满足加工时#3 小于#4 时，继续该内部循环1(从N100 N200)，#3 依次递增#17 直至不满足条件#3 小于#4 则退出循环1，精加工结束。根据以上分析可编制程序如下：图2 自下而上水平圆弧环绕精加工O0002；N10 #1=R；N20 #2=r；N30 #3=0；/（zx 平面）起始角，与Y 轴夹角，最小值为0

13、/N40 #4=；/（zx 平面）终止角，与Y 轴夹角，最大值为90/N50 #17= #4-#3/50；/将圆心角50 等分作为#3 的递增量，/；N60 #12=#1+#2；/球心与刀心连线距离/N70 G54M03F1000；N80 G90X0Y0Z30；N90 WHILE#3LT#4DO1；N100 #5=#12*SIN#3；/铣削时任意高度铣刀球心的x 坐标值/N110 #6=#12*COS#3；/铣削时任意高度铣刀球心的z 坐标值/N120 #7=#6-#12；/铣削时任意高度铣刀刀尖的z 坐标值/N130 X#5+#2Y#2；/G00 定位至进刀点/N140 G01 Z-#7F200；N150 G03X#5Y0R#2F500；/圆弧进刀/N160 G02I-#5；N170 G03X#5+#2Y-#2R#2；/圆弧退刀/N180 G00 Z#7+1；/抬刀1mm/N190 ；/移到进刀点/N200 3=#3+#17；N210 END1；N220 G00Z#1+30；N230 M05；N240 M30；程序中：如果#3=0，#4=90，即对应的是一个完整的半球面。4.结束语宏程序编程是数控编程技术的一项关键技术。本文利用宏程序解决了圆球面的编程，宏程序还可以解决椭圆球面的编程，采用的方法与圆球面相似，不同之处在X、Y 位置的确定，采用长半轴、短半轴