宏程序在矩形孔系加工編程中的應(yīng)用

黃繼戰(zhàn)，范玉，付紅

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.徐州市模具新技術(shù)工程研究中心，江蘇 徐州 221116）

0 引言

孔系加工在機(jī)械加工中極為普遍，其矩形陣列分布模式最為常見，對此類零件編程采用自動(dòng)編程和常量手工編程方法編制加工程序較為繁瑣，反復(fù)編程，效率低下，當(dāng)孔數(shù)量較多時(shí)更甚，且編制的程序冗長，使用不便。因此，本文研究采用宏指令編制通用的宏程序，只需改變參數(shù)值即可用于加工各種矩形陣列孔系，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 宏程序基礎(chǔ)理論

1.1 變量

一組以子程序的形式存儲(chǔ)并帶有變量的程序稱為宏程序；調(diào)用宏程序的指令稱為宏程序調(diào)用指令[1]。FANUC 0i系統(tǒng)宏程序與普通數(shù)控程序最大的不同是采用變量編程，變量用符號“#”和變量號組成（#1，#2，#3，…）,變量號還可以用總括號表示為表達(dá)式，數(shù)控編程時(shí)將跟在地址符后的數(shù)字用變量代替，即可實(shí)現(xiàn)變量的引用[2-3]。變量分為局部變量（#1 ～#33）、全局變量（#100 ～#149、#500 ～#549）和系統(tǒng)變量，編制加工類宏程序主要采用局部變量和全局變量。

1.2 宏程序運(yùn)算

變量的賦值有直接賦值和自變量賦值兩種。當(dāng)主程序使用G65非模態(tài)調(diào)用宏程序時(shí)，通過自變量賦值可由局部變量對應(yīng)的地址（字母）向宏程序傳遞數(shù)據(jù)。宏程序的運(yùn)算與數(shù)學(xué)運(yùn)算相類似，用各種數(shù)學(xué)符號來表示，其指令能對變量執(zhí)行諸多算術(shù)、三角函數(shù)、輔助和邏輯運(yùn)算等，為宏程序的編制提供了有力的工具。宏程序的運(yùn)算優(yōu)先順序?yàn)楹瘮?shù)（SIN、COS、ATAN等）－乘除、邏輯與（*、/、AND）－加減、邏輯或、邏輯異或(+、-、OR、XOR等)，數(shù)控編程時(shí)根據(jù)實(shí)際需要可用總括號改變運(yùn)算的先后順序[4]。

1.3 宏程序轉(zhuǎn)移指令

根據(jù)給定的條件進(jìn)行分析并作出決策是宏程序最強(qiáng)大的功能，也是宏程序具有智能的體現(xiàn)。宏程序借助IF和WHILE語句可以控制宏程序的流程，來實(shí)現(xiàn)宏程序的循環(huán)功能。分支語句格式：IF[條件表達(dá)式] GOTO n；它表示若條件表達(dá)式成立，則轉(zhuǎn)移到n程序段執(zhí)行，若條件表達(dá)式不成立，則程序執(zhí)行下一程序段。

WHILE語句格式如下：

當(dāng)條件表達(dá)式結(jié)果為真時(shí)，程序執(zhí)行DOm和ENDm之間的循環(huán)體；當(dāng)條件結(jié)果為假時(shí)，程序跳出循環(huán)，執(zhí)行ENDm后的程序段[5]。另外，循環(huán)最多可三級嵌套，而且嵌套級之間不允許出現(xiàn)循環(huán)的交叉。

1.4 宏程序調(diào)用

本文宏程序采用G65調(diào)非模態(tài)調(diào)用，編程格式：G65 P＜p＞ L＜l＞ ＜自變量賦值＞；其中：＜p＞為要調(diào)用的宏程序號，＜l＞為重復(fù)次數(shù)，默認(rèn)為1，＜自變量賦值＞為主程序傳遞到宏程序的數(shù)據(jù)。

2 矩形陣列孔系宏程序的設(shè)計(jì)

2.1 孔系宏程序設(shè)計(jì)

建立矩形陣列m×n孔系編程模型和編程坐標(biāo)系如圖1所示。編程坐標(biāo)系的XY坐標(biāo)軸零點(diǎn)為工件左下角點(diǎn)，Z坐標(biāo)軸零點(diǎn)為工件上頂面。根據(jù)圖1編程模型定義矩形孔系參數(shù)和工藝參數(shù)變量如下：#24表示第一個(gè)孔中心的X坐標(biāo)值，#25表示第一個(gè)孔中心的Y坐標(biāo)值，#1行數(shù)，表示第幾行，#4表示行間距，#2列數(shù)，表示第幾列，#3表示列間距，#5表示孔系矩形列數(shù)（X向孔數(shù)），#6表示孔系矩形行數(shù)（Y向孔數(shù)）。

圖1 矩形陣列孔系編程模型

設(shè)計(jì)本孔系加工刀具走刀路線為：先加工第1行，即從孔1.1開始加工，依次加工孔1.2→1.3→…→1.n，然后加工第2行，矩形陣列孔系編程所要考慮的主要是效率問題，因此為了減少刀具空行程，第2行從行尾開始加工，依次加工孔2.n→2.n-1→2.n-2…→2.1，接著加工第3行，從孔3.1開始加工，依次加工孔3.2→3.3→…→3.n，依次循環(huán)，直至全部孔加工完畢。整個(gè)刀具走刀路線呈現(xiàn)蛇形S狀，使刀具空行程最短，加工路徑最優(yōu)，加工效率最高。

基于上述孔系宏程序編程需要二級循環(huán)嵌套，一級循環(huán)完成矩形孔系自下而上的逐行加工功能；二級循環(huán)完成當(dāng)前行各孔的加工功能，若當(dāng)前行數(shù)為奇數(shù)，二級循環(huán)自左而右加工各孔，若當(dāng)前行數(shù)為偶數(shù)，二級循環(huán)自右而左加工各孔，如此便可實(shí)現(xiàn)矩形孔系所有孔的加工。具體編程流程為：首先，通過自變量賦值傳遞數(shù)據(jù)給宏程序的變量，行自變量賦初值為1。其次，一級循環(huán)進(jìn)行條件判斷，行自變量當(dāng)前值是否不大于行數(shù)，當(dāng)條件結(jié)果為假時(shí)，一級循環(huán)結(jié)束，當(dāng)條件結(jié)果為真時(shí)，程序執(zhí)行一級循環(huán)體。接著，列自變量賦初值為1，二級循環(huán)進(jìn)行條件判斷，列自變量當(dāng)前值是否不大于列數(shù)，當(dāng)條件結(jié)果為假時(shí)，二級循環(huán)結(jié)束，當(dāng)條件結(jié)果為真時(shí)，程序執(zhí)行二級循環(huán)體，判斷當(dāng)前行自變量值是否為偶數(shù)，如果行自變量值不為偶數(shù)，程序從左而右加工當(dāng)前孔，如果行自變量值為偶數(shù)，程序從右而左加工當(dāng)前孔。然后，列自變量值遞增1，二級循環(huán)再進(jìn)行條件判斷，若條件結(jié)果為真，程序繼續(xù)執(zhí)行二級循環(huán)體，加工當(dāng)前行的下一個(gè)孔，周而復(fù)始，當(dāng)二級循環(huán)條件結(jié)果為假時(shí)，程序跳出二級循環(huán)體，表示當(dāng)前行所有孔加工完畢。最后，行自變量值遞增1，一級循環(huán)再進(jìn)行條件判斷，若條件結(jié)果為真，程序繼續(xù)執(zhí)行一級循環(huán)體，加工下一行孔，周而復(fù)始，當(dāng)一級循環(huán)條件結(jié)果為假時(shí)，程序跳出一級循環(huán)體，表示所有行加工完畢。

2.2 孔系宏程序源代碼

基于2.1節(jié)所述，根據(jù)FANUC 0i數(shù)控系統(tǒng)編程指令即可編寫宏程序代碼。為了便于宏程序編制及使用，列自變量地址和對應(yīng)的局部變量關(guān)系如表1所示。

表1 宏程序自變量和對應(yīng)的局部變量關(guān)系

編制的矩形孔系通用宏程序?yàn)椋?/p>

2.3 程序討論

1）本程序各孔加工為固定循環(huán)G81方式，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)工藝要求選擇固定循環(huán)其他方式，如鉆削深孔選擇G73或G83方式、高精度精鏜孔選擇G76方式、攻右旋螺紋選擇G84方式等，諸如此類，只需根據(jù)工藝要求修改程序中的程序段“N50 G98G81X#12Y#13Z#26R#18 F#9；”，即可應(yīng)用加工。

2）本程序采用的刀具走刀路線為雙向蛇形S狀，在生產(chǎn)中還有一種單向平行走刀路線較為常用，即先從左到右依次加工第一行各孔，再從左到右依次加工第二行各孔，依次類推，直至所有孔加工完畢。本程序僅需刪除下面若干程序段：IF [[#1 AND 1]EQ 0]GOTO 10；GOTO 50；N10 #12=#24+#3*[#5-#2]；#13=#25+#4*[#1-1]；即可用于本孔系采用單向平行走刀路線的加工。

3）如果各孔精度要求較低且孔徑較大時(shí)，可采用立銑刀粗銑→精銑加工方案，這里僅需把宏程序O7001中的程序段“N50 G98G81X#12Y#13Z#26R#18F#9；”修改為“G00 X#12Y#13；”，再加上銑孔程序段群，并采用G91增量方式編程，或者將銑孔程序段群編制成為子程序，由本程序采用調(diào)用程序段“M98 PXXXX LXXXX；”調(diào)用。此外，本程序還可以推廣到非孔類加工的其他矩形陣列分布加工，程序處理方法與銑孔類似，不再贅述。

3 零件加工實(shí)例

3.1 零件分析

某矩形陣列分布孔系工程零件二維圖如圖2（a）所示，三維模型如圖2（b）所示。零件材料為鋁合金，本工序加工內(nèi)容是加工361個(gè)孔直徑為5 mm的19行×19列矩形孔系，深度為14 mm的通孔，精度等級為IT11，加工方案選擇為先用直徑3 mm的高速鋼中心鉆鉆各孔定心孔，再用直徑5 mm的高速鋼麻花鉆加工各孔。由于孔數(shù)目太多，采用普通手工編程或自動(dòng)編程極為繁瑣，費(fèi)力費(fèi)時(shí)，程序冗長，因此確定采用前文所編制的宏程序。確定零件編程坐標(biāo)系X、Y坐標(biāo)軸零點(diǎn)在零件左下邊角點(diǎn)，Z坐標(biāo)軸零點(diǎn)在零件上頂面。

經(jīng)分析圖2，可得本矩形孔系參數(shù)值為：列間距為19 mm，行間距為19 mm，列數(shù)（X向孔數(shù)）為19個(gè)，行數(shù)（Y向孔數(shù)）亦為19個(gè)，共計(jì)361個(gè)孔，左下角第1個(gè)孔中心X坐標(biāo)值為29 mm、Y坐標(biāo)值為29 mm。由于該孔系孔深與孔直徑的比值為14：5=2.8，該值小于5，定心孔亦如此，屬于淺孔加工，因此，鉆定心孔和鉆通孔均選擇固定循環(huán)G81方式加工。根據(jù)工件材料、刀具材料和機(jī)床等，確定有關(guān)工藝參數(shù)為：循環(huán)R點(diǎn)取3 mm，鉆定心孔時(shí)主軸轉(zhuǎn)速S取2500 r/min，進(jìn)給速度F取120 mm/min；鉆通孔時(shí)主軸轉(zhuǎn)速S取2000 r/min，進(jìn)給速度F取200 mm/min。

圖2 某零件矩形孔系

3.2 矩形孔系宏程序的運(yùn)用

主程序通過G65非模態(tài)調(diào)用所編制的矩形孔系宏程序O7001，即可實(shí)現(xiàn)該零件的孔系加工。根據(jù)零件分析，加工本矩形孔系鉆中心孔自變量賦值：C19、I19、J19、K19、F120、R3、X29、Y29、Z-2，而鉆通孔自變量賦值只需將鉆定心孔自變量賦值F120改為F200，Z-2改為Z-15.5，這里考慮到鉆頭刀尖，鉆削深度為通孔深度14mm+刀尖高度1.5 mm=15.5 mm，其余保持不變。至此，可編制該零件孔系加工主程序?yàn)椋?/p>

4 結(jié)語

加工實(shí)例表明，該宏程序短小精悍，可用于加工任意行數(shù)、任意列數(shù)的矩形均布孔系，使用時(shí)僅需改變孔系參數(shù)自變量賦值，像使用固定循環(huán)指令一樣方便，通用性強(qiáng)，大幅縮短了此類零件矩形孔系編程和程序校驗(yàn)時(shí)間，提高了工作效率，能更好地發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的性能，對類似的編程具有借鑒意義。