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等加速曲线回转面数控车的宏编程

摘要：本文介绍了在数控车床上加工内型母线为等加速曲线回转体的宏程序编制的方法与步骤，解决了用复合循环指令无法解决的粗加工编程问题，在实践中获得了良好的效果。
关键词：数控车削；等加速曲线；宏程序；内型

图1等加速喷嘴
数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件，通过程序控制，自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、螺纹等工序的切削加工。但如果遇到加工表面的母线不是圆弧曲线而是公式曲线（如等加速曲线）时，采用常规的数控编程指令，需要计算每个节点的坐标值，不但计算量大，编程速度慢，程序冗长，且极容易出错，同时受客观条件的限制，自动编程（计算机编程）在目前有些企业还未普及的情况下，若能灵活运掌握数控系统中的用户宏程序编程技术，利用它能够允许使用变量、算术和逻辑运算及条件转移等有利条件，则会使等加速曲线之类的编程变得简单、清晰，程序编制时间也短。下面就来讨论用宏程序加工如图1所示的内型母线为等加速曲线喷嘴的编制方法。

数学模型的建立
只有知道了等加速曲线的数学模型，我们才能用宏程序来编制程序，故在宏程序编制之前首先要推导出等加速曲线方程式。等加速曲线的模型和坐标系如图2所示。设截面1的直径、流速和深度分别为、和，截面2的直径、流速和深度分别为、和，任意截面处的直径、流速和深度分别为、和。建立方程组如下：
图2 等加速曲线的数学模型

4

（1）
（2）
（3）

由式（1）、式（2）代入式（3）可得出
令，则
由图1所示可知：，，，
代入得出：
其曲线的直角参数方程为：
数控车床坐标加工方程即为：
确定加工（走刀）路线
喷嘴的内型母线为等加速曲线的轮廓，采用先粗镗、再半精镗，最后精镗的顺序加工。半精镗和精镗的走刀路线即按照内型轮廓编程即可，不过，半精镗时还要偏出一个精镗的余量，这里是0.3mm。用普通方法编程时，通常情况下一般采用G71、G73粗加工，但用宏程序编程时，就不能用粗加工循环指令来进行粗加工了。若粗加工的编程还是直接采用轮廓偏移的方法加工内型，则肯定会发生刀体与孔壁干涉现象，故须要采用类似G71的走刀路线，如图3所示。
根据内型母线可知，直径是随着深度的增大而逐步减少的（从右向左），越往左减少就越不明显，且深度远远大于直径，为了减少走刀次数，增加粗加工效率，在粗加工中，采用把X（直径值）作为中间变量，把Z（深度）作为应变量。用上面推导出来的坐标加工方程可得出：。
图3 走刀路线示意图
宏程序的编制
在数控车床上直接用三爪卡盘装夹。为了方便对刀和编制程序，将程序原点设定在工件的右侧中心线上。根据上面推导出来的机床加工方程，粗加工的编程把作为X中间变量，半精加工和精加工的编程把Z中间变量。加工内型之前首先要用12.5的钻头钻通工件。

O0001；　　　　　　　　　　　　主程序
G00 G40 G97 G99 S500 M03 T0101 F0.15；
转速500r/min，f=0.15mm/r
X10.5 Z2.0； 设置起刀点
#100=0.046； 设置值
#102=59.0； 设置孔深
/G65 P0002 A13.5 B26.5 C1.3 F0.25；
调用宏程序O0002，设置最大内型最大尺寸为26.7，最小尺寸13.7, 步距为2.6
/G65 P0003 A27.0 B0 C0.5 F0.25；
调用宏程序O0003，设置最大内型尺寸为27mm，中间变量起始值为零，步距为0.5
G65 P0004 A27.0 B0 C0.1 F0.1；
调用宏程序O0004，设置最大内型尺寸为27mm，中间变量起始值为零，步距为0.1
G28 U0 W0 M05；　　　　　　 回机械原点
M30；　　　　　　　　　　　 　程序结束
O0002；　　　　　　　　　 　粗加工程序
WHILE [#1 LE #2] DO 1；
判断孔径是否小于等于26.7，满足条件时执行下面的语句，反之跳至END 1后面
#5=[27.0*27.0-#1*#1]/[#100*#1*#1]；
计算Z轴变量值
IF[#5 LE #102] GOTO 5；
#5=#102；
N5 G00 X#1；　　　　　　　　 X向定位
G01 Z-#5 F#9；　　　　　等加速曲线插补
#1=#1+#3；　　　　　　　　中间变量计算
G01 U-1.0；　　　　　　　　退刀量为1mm
G00 Z2.0；　　　　　　　　　　Z轴退刀
END 1；　　返回WHILE语句重新进行判断
M99；　　　　　　　　　　　 子程序结束
O0003；　　　　　　　　　　　半精加工
GOO X25.0 Z2.0；
N10 IF[#2 GT #102] GOTO 15；
判断中间变量是否大于等于孔深，条件满足则执行N15语句
#6=#1/SQRT[#100*#2+1.0]；　　X轴变量值
#6=[#6-0.3]；　　 偏移出一个精加工余量
G01 X#6 Z-#2 F#9；　　　等加速曲线插补
#2=#2+#3；　　　　　　　　中间变量计算
GOTO 10；　返回N10语句，重新进行判断
N15 G01 W-1.0；
U-1.0；
G00 Z2.0；
M05；　　　　　　　　　　　 　主轴停止
M99；　　　　　　　　　　　 子程序结束
O0004；　　　　　　　　　　 精加工程序
T0303 M03 S1200； 换刀，转速1200r/mm
GOO X25.0 Z2.0；
G41 X27.0； 刀具半径补偿建立
N20 IF[#2 GT #102] GOTO 25；
判断中间变量是否大于等于孔深，条件满足就执行N25语句
#6=#1/SQRT[#100*#2+1.0]；　　X轴变量值
G01 X#6 Z-#2 F#9；　　　等加速曲线插补
#2=#2+#3；　　　　　　　　中间变量计算
GOTO 20；　 返回N20语句，重新进行判断
N25 G01 W-1.0；
U-1.0；
G40 G00 Z2.0； 取消刀具半径补偿
M99；　　　　　　　　　　　 子程序结束

编程注意点
图4 等加速曲线喷嘴产品
在编程时，要牢记变量的种类及特性，不可乱用，因为局部变量、系统变量、公共变量的用途和性质尽不相同，局部变量＃1～＃33是在宏程序中局部使用的变量，它们只服务于不同局部，如上面程序O0002中的＃3和O0003中的＃3不是同一个变量，相互不会影响。公共变量＃100～＃149、＃500～＃599是贯穿整个程序过程，包括多重调用，如上面程序O0002中的＃100和O0003中的＃100是同一个变量。系统变量是用于读和写CNC运行时的各种数据，它是在系统中用途固定的变量，如＃2001～＃2932为刀具补偿量，＃3001为时间信息等。

采用专用镗刀加工
在实践中，粗加工和半精加工可采用普通的机夹镗孔刀加工。在精加工时，镗孔刀杆的外型轮廓可采用与零件内型曲面形状相类似，各处直径需比零件内型的相应位置小2～3mm即可，这样可以使刀杆更加具有良好的刚性，提高加工质量。专用镗刀杆同样可以用数控车床的宏程序来编程加工，这里就不再赘述。加工后的产品如图4所示。

结语
在FANUC oi –mate Tc系统数控车床上用宏编程技术来加工内型母线为等加速曲线的回转类零件已在实际加工中得到了成功运用，既解决了这类零件的精加工编程问题，也解决了用复合循环指令无法解决的粗加工编程问题，同时具有编程快捷、简单、程序清晰明了、节约数控内存。宏程序功能是用户提高数控机床性能的一种特殊功能，在相类似零件的加工中巧用宏程序将起到事半功倍的效果。

参考文献:
【1】 方沂.数控机床编程与操作仁【M】.北京：国防工业出版社，1999.181-188.
【2】 徐国胜等.宏编程技术在数控车床上的应用【J】.天津工程师范学院学报，2005.12
【3】 马金河.等加速喷嘴的设计与试制【J】.煤矿机械，2005，（8）
【4】 徐昆鹏等.数控加工中宏程序的应用技巧【J】.轻工机械，2005，（4）：81-83