應(yīng)用宏程序優(yōu)化數(shù)控車(chē)削非切削空程路徑

袁文武

（國(guó)家開(kāi)放大學(xué) 北京 100039）

1 引言

數(shù)控技術(shù)賦予了機(jī)床“大腦”，而用好這個(gè)“大腦”，靈活運(yùn)用宏程序，可以提升加工效率。筆者以“宏程序+數(shù)控車(chē)削”、“G71指令+宏程序”、“G73指令+宏程序”為關(guān)鍵詞對(duì)中國(guó)知網(wǎng)進(jìn)行檢索，剔除數(shù)控銑削等非數(shù)控車(chē)削的論文，重點(diǎn)研究應(yīng)用宏程序解決數(shù)控車(chē)削軸類(lèi)零件加工的相關(guān)論文發(fā)現(xiàn)，程啟森歸納了應(yīng)用宏程序加工拋物線時(shí)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(lèi)零件靈活簡(jiǎn)便、通用性和加工效率的提升[2]；程啟森等利用宏程序?qū)Ψ菆A曲線加工路徑進(jìn)行了改進(jìn)，提升了加工效率[3]；徐兵等巧用圓錐曲線極坐標(biāo)的數(shù)學(xué)特點(diǎn)，編制了非圓曲線類(lèi)零件的統(tǒng)一方程[4]；袁永富等通過(guò)一個(gè)典型零件數(shù)控加工走刀路線優(yōu)化，分析了宏程序的應(yīng)用[5]；劉虎等采用數(shù)學(xué)分析歸納法，應(yīng)用宏程序?qū)Ψ菆A曲線方程進(jìn)行了編制[6]；赫煥麗等總結(jié)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(yīng)用 G71 指令和宏程序編程改進(jìn)了典型軸類(lèi)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(lèi)零件宏程序的加工[9]；王紅梅等根據(jù)橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程編制了橢圓內(nèi)孔粗加工宏程序[10]。

綜上，文獻(xiàn)[1-4]闡述了宏程序?qū)S類(lèi)零件外側(cè)具有凸域的非圓曲線或圓弧類(lèi)零件的加工，文獻(xiàn)[5-9]闡述了宏程序?qū)S類(lèi)零件外側(cè)具有凹域的非圓曲線或圓弧類(lèi)零件的加工，文獻(xiàn)[10]闡述了宏程序?qū)S類(lèi)零件內(nèi)側(cè)具有凸域的非圓曲線類(lèi)零件的加工。應(yīng)用宏程序解決數(shù)控車(chē)削加工中出現(xiàn)的橢圓、雙曲線、拋物線等單一非圓曲線，體現(xiàn)了宏程序應(yīng)用時(shí)的靈活、便捷，彌補(bǔ)了數(shù)控系統(tǒng)不具備直接進(jìn)行非圓曲線加工與編程的缺陷。但應(yīng)用宏程序優(yōu)化具有非圓曲線和圓弧相連的軸類(lèi)零件尚不多見(jiàn)，筆者運(yùn)用G71指令和宏程序編程，提出了應(yīng)用宏程序編制此類(lèi)零件的最佳加工路徑，依次編程可有效減少數(shù)控車(chē)削非切削空行程路徑。

2 粗車(chē)循環(huán)指令使應(yīng)用

2.1 典型軸類(lèi)零件

本文采用典型軸類(lèi)零件為研究對(duì)象，零件尺寸如圖1所示，材料為鋁。假設(shè)該零件按照“從右至左、由近至遠(yuǎn)”的原則進(jìn)行加工。零件加工工藝可分為以下幾個(gè)步驟：車(chē)端面→車(chē)R2圓弧→車(chē)Φ40 mm外圓→車(chē)R30 mm圓弧→車(chē)橢圓→車(chē)Φ48 mm外圓和切斷。

圖1 全國(guó)數(shù)控技能大賽典型軸類(lèi)零件

2.2 手工編程方式

此類(lèi)零件的加工通常采用G71指令（內(nèi)/外徑粗車(chē)循環(huán)指令）、G73指令（仿形粗車(chē)循環(huán)指令）和宏程配合編程。常用的是運(yùn)用G73指令和宏程序編程，其次是運(yùn)用G71指令、G73指令和宏程序編程，目前難度較大的是運(yùn)用G71和宏程序編程。原因在于，針對(duì)非圓曲線和圓弧相連的軸類(lèi)零件，運(yùn)用G73指令編程時(shí)給出精加工路徑和粗加工切削深度，數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算出相應(yīng)的粗加工路徑和次數(shù)，相對(duì)于直線插補(bǔ)指令和單一固定循環(huán)指令，可以極大地提高編程效率。G73指令常用在具有單調(diào)性的零件上，針對(duì)不具有單調(diào)性的“凹域”軸類(lèi)零件，其缺陷在于產(chǎn)生大量無(wú)效“非切削空行程路徑”。本文通過(guò)分析宏程序編制數(shù)學(xué)特點(diǎn)，在“加工起點(diǎn)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(guò)對(duì)比，用戶程序重點(diǎn)對(duì)零件“凹域”部分進(jìn)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(shù)學(xué)特點(diǎn)

本文以FANUC 0i數(shù)控系統(tǒng)采用B類(lèi)用戶宏程序?yàn)槔?，利用宏程序變量、語(yǔ)句和子程序調(diào)用優(yōu)化數(shù)控車(chē)削加工路徑。宏程序編制時(shí)難點(diǎn)在于圓弧或非圓曲線的坐標(biāo)偏移和凹凸弧的取舍。下面以全國(guó)數(shù)控技能大賽典型軸類(lèi)零件外輪廓加工為例[11]，分析其宏程序編制時(shí)的數(shù)學(xué)特點(diǎn)，工件毛坯為 Φ50 mm×100 mm，材料為鋁。工件原點(diǎn)及其編程坐標(biāo)系 軸、 軸方向如圖1所示，數(shù)控車(chē)床為后置刀架，刀具采用副偏角較大的仿形車(chē)刀。該零件遵循“從右至左、由近至遠(yuǎn)”的加工原則。

3.1 確定橢圓坐標(biāo)方程

3.2 選取橢圓自變量與取值范圍

編制宏程時(shí)一般采用等步距直線逼近的方法，公式曲線中x 和z 坐標(biāo)均可以被定義為自變量，一般根據(jù)表達(dá)式方便情況和是否具有單調(diào)性來(lái)確定是x 還是z 作為自變量，按照刀具進(jìn)給路線選擇具有單調(diào)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(zhuǎn)換橢圓車(chē)床實(shí)際坐標(biāo)表達(dá)式

根據(jù)確定的因變量，將橢圓坐標(biāo)方程轉(zhuǎn)換為因變量x 相對(duì)于自變量z 的實(shí)際車(chē)床坐標(biāo)表達(dá)式，其公式如下：

關(guān)于正負(fù)號(hào)的取舍，遵循“凸正凹負(fù)”原則，如圖1橢圓弧由于是凹弧，所以取負(fù)，其公式如下：

參照橢圓坐標(biāo)表達(dá)式的操作方法，可確定R30圓弧的實(shí)際車(chē)床坐標(biāo)表達(dá)式。圓弧的 和 坐標(biāo)均具有單調(diào)性，均可以被定義為自變量，本文選擇 坐標(biāo)作為自變量，根據(jù)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(shí)際車(chē)床坐標(biāo)表達(dá)式如下：

4 運(yùn)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(jiàn)表1），將該程序?qū)胨刮謹(jǐn)?shù)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(lèi)零件加工編程相對(duì)簡(jiǎn)單、容易，是常用的做法，但會(huì)產(chǎn)生大量的非切削空行程，降低加工效率。

圖2 運(yùn)用G73指令和宏程序編程刀具仿真軌跡

表1 運(yùn)用F73指令和宏程序編制程序

G 0 1 Z 0 車(chē)削零件端面X 4 0 R 2 車(chē)削R 2圓弧Z-8.0 8 車(chē)削￠4 0外圓G 0 3 X 3 1.1 9 Z-2 3.7 3 R 3 0 車(chē)削R 3 0圓弧G 0 1 X 3 1.1 9 Z-2 3.7 3 車(chē)削到R 3 0圓弧終點(diǎn)#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(diǎn)#2=[#1+3 8]*[#1+3 8] 計(jì)算Z值#3=2 4-S Q R T[1 4 4-1 4 4*#2/4 0 0] 計(jì)算X值G 0 1 X[2*#3]Z[#1] 直線插補(bǔ)#1=#1-0.1 自變量Z遞減一個(gè)歩距-0.1 E N D 1 嵌套結(jié)束G 0 1 X 4 8 車(chē)削Φ 4 8外圓Z-7 8 車(chē)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(shè)定精加工參數(shù)G 0 0 X 5 0 Z 2 定位精加工起點(diǎn)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(jié)束并返回

5 運(yùn)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(jiàn)表2和表3），并將該程序?qū)胨刮謹(jǐn)?shù)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(duì)零件臺(tái)階軸編程進(jìn)行粗精加工，然后再M(fèi)98調(diào)用子程序O0003，運(yùn)用G73和宏程序?qū)α慵加虿糠诌M(jìn)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(yùn)用G71、G73和宏程序指令編程刀具仿真軌跡

表2 運(yùn)用G71和調(diào)用子程序編制主程序

表3 運(yùn)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(diǎn)#2=[#1+38]*[#1+38] 計(jì)算Z值#3=24-SQRT[144-144*#2/400] 計(jì)算X值G01X[2*#3]Z[#1] 直線插補(bǔ)#1=#1-0.1 自變量Z遞減一個(gè)歩距-0.1 END1 嵌套結(jié)束G01X48 車(chē)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(shè)定精加工參數(shù)G00X50Z-6 定位精加工起點(diǎn)G70P30Q40 精加工M99 子程序調(diào)用結(jié)束

6 運(yùn)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(jiàn)表4、表5和表6），并將該程序?qū)胨刮謹(jǐn)?shù)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(duì)零件的臺(tái)階軸部分進(jìn)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(jiàn)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(yùn)用G71指令和宏程序四段加工演變圖

表4 運(yùn)用G71指令和調(diào)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(yīng)用斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件V7.3仿真刀具路徑軌跡時(shí)，一個(gè)程序段中不能同時(shí)出現(xiàn)G71和G73指令，否則仿真時(shí)只出現(xiàn)G71指令刀軌而不出現(xiàn)G73指令刀軌，解決辦法是應(yīng)用子程序調(diào)用 G73程序。

(2)應(yīng)用記事本將程序?qū)胨刮謹(jǐn)?shù)控仿真軟件時(shí)，建議每行程序段尾不加“；”，否者導(dǎo)入程序時(shí)會(huì)出現(xiàn)多余的分號(hào)，情況如下：

#2=[#1+38]?[#1+38] ；

#3=24?SQRT[144?144?#2/400] ； ；

8 結(jié)語(yǔ)

第一種方案是解決具有凹域軸類(lèi)零件加工數(shù)控車(chē)削的常用方案，編程相對(duì)簡(jiǎn)單、容易，但刀具軌跡平行于零件輪廓分層切削，不僅會(huì)產(chǎn)生大量非切削空行程路徑，降低加工效率、延長(zhǎng)加工時(shí)間，同時(shí)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(shí)刀具的空行程和受力不均衡問(wèn)題并沒(méi)有解決。

第三種方案對(duì)前二種方案進(jìn)行了優(yōu)化，用宏程序?qū)α慵加虿糠诌M(jìn)行編程與加工，刀具軌跡采取先貼近圓弧或橢圓弧段工進(jìn)進(jìn)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(yōu)化刀具加工程序，實(shí)現(xiàn)加工最短走刀路線，促進(jìn)加工效率提升、加工時(shí)間縮短。本文應(yīng)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(lèi)零件的數(shù)控車(chē)削加工難題，通過(guò)斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件 V7.3仿真每種程序刀具路徑軌跡進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，確定了應(yīng)用宏程序優(yōu)化具有非圓曲線和圓弧相兼的凹域軸類(lèi)零件的數(shù)控車(chē)削加工最佳路徑，這彌補(bǔ)了G71、G73指令編程時(shí)的不足，拓展了數(shù)控系統(tǒng)的加工功能，具有實(shí)際加工借鑒和實(shí)用價(jià)值。