林萬里華東石油技師學院

宏程序編程新教學思路的運用

林萬里
華東石油技師學院

目前在數(shù)控車高級工技能鑒定或數(shù)控技能比賽中，經(jīng)常出現(xiàn)宏程序編程的應用，這些內容在很多書籍和文章中也講解的較多，但如何在實際教學中讓我們的學生能夠盡快理解和掌握其編程的方法，這是我們作為數(shù)控教師所面臨的問題，本文將根據(jù)本人多年的教學總結，以橢圓為例對數(shù)控車宏程序編程的關鍵難點的新教學思路進行介紹。

數(shù)控車；宏程序編程；新教學思路

一、引言

宏程序的編程應該說對于目前經(jīng)常接觸數(shù)控編程的人來說，可能都會覺得這是個老生常談的事情了，實際編程加工也不會給我們造成多大的困難，但是對于我們技工院校的學生來說，特別是初中畢業(yè)就讀五年制的學生來說，他們畢業(yè)之前要面臨高級工的技能鑒定，由于其數(shù)學底子薄弱，因此宏程序的編程對它們來說是一個很大的難點。而往往它們所面臨的難點主要表現(xiàn)在：曲線擬合原理不容易理解；自變量的選擇不合理；如何把標準曲線方程坐標系中的宏程序轉換成工件坐標系中的宏程序，尤其第三個問題更為突出，那么如何在教學中讓學生更好的理解并掌握宏程序編程的技巧與方法，下面以高級工技能鑒定典型零件（如圖1）為例進行講解，談一談FANUC系統(tǒng)中宏程序編程的教學思路。

二、宏程序編程的原理和其中存在的關鍵難題

1.宏程序編程的核心思想和理念

由于一般的數(shù)控機床系統(tǒng)中并沒有提供橢圓曲線加工插補指令功能,因此如果要加工非圓曲線輪廓,只能利用微積分的理念將非圓曲線的沿著某一個坐標方向分若干等份點,通過非圓曲線的函數(shù)關系就能求出對應于每一等分點的另一坐標值,這樣在理想的非圓曲線上就找到若干個點,即節(jié)點,每相鄰兩點之間近似看作一直線，然后利用G01的直線插補指令以刀具的進給方向將節(jié)點按順序連接起來,這種方法稱為擬合（如圖1所示）。但近似的擬合曲線與理想的非圓曲線間存在一定誤差,若其最終誤差大于零件形狀精度的要求,則就不能達到我們的加工要求。為能保證在形狀上接近理想曲線輪廓,可將Z軸方向的等分點的數(shù)量增多,對應橢圓函數(shù)關系求得的節(jié)點數(shù)目也將隨之增多,這樣擬合出的直線段就將趨近于理想的橢圓曲線,當密化到一定程度時,其替代的直線輪廓就能滿足形狀上的要求。由于宏程序可以定義變量并賦值,也可進行運算及條件判斷,構成循環(huán)轉移,這樣就可對那些能用數(shù)學函數(shù)關系表達的曲線進行連續(xù)的“擬合”處理,從而實現(xiàn)編程加工。

2.存在的關鍵難題

如圖1所示工件的中間部分輪廓由橢圓的一部分組成，其中加工此零件選擇毛坯為φ50mm的45鋼，機床為配有FANUC0i系統(tǒng)的CK-6141型數(shù)控車床。因為零件輪廓較復雜，所以為了便于對橢圓曲線進行分析，這里將橢圓曲線單獨從零件圖中列出，并將橢圓中心設置為編程坐標原點。根據(jù)數(shù)控機床坐標系方向的確定原則，我們確定與主軸平行的軸為z軸；另一方向垂直于Z軸并平行與橫向滑板移動方向為X軸，最終可得出橢圓的數(shù)學方程為：X2/576+Z2/1600=1。

通過仔細觀察曲線方程，發(fā)現(xiàn)得到曲線數(shù)學方程的坐標系原點與編程加工時的坐標系原點存在不統(tǒng)一。出現(xiàn)的關鍵難題如下：

（1）兩種情況下坐標系原點位置不一致。編程加工時我們原點通常確定在工件的右端面中心,即圖1中的XOZ坐標系；在確定曲線方程時我們是以橢圓對稱中心位置為坐標原點確定的，即圖中X’O’Z’坐標系。

（2）兩種情況下X坐標取值不一致。數(shù)控車編程中，平時為了便于測量，程序編制過程中X坐標通常取直徑值，即直徑編程；而在數(shù)學方程里面取得是半徑值，即數(shù)學里面的坐標。

三、宏程序編程的教學思路

1.數(shù)學方程中的宏程序編制

先把非圓曲線從零件圖中孤立出來進行分析，先在坐標系X’O’Z里面進行編程。

（1）確定自變量：一般情況下，非圓曲線中的X和Z坐標的其中一個都可以定義為自變量，但是一般情況下，我們選取變化范圍較大作為自變量，并且要考慮函數(shù)表達式在宏程序中書寫的方便。按照此原則，如圖1所示，我們取Z軸方向作為自變量。

（2）根據(jù)零件圖中曲線的加工確定自變量的變化范圍：正常加工時我們都是從右向左進行加工,因此自變量z(即#1)的變化區(qū)間應為[0≤z≤40],從變化區(qū)間中就能知道自變量z(即#1)的取值變化是從z=40向z=0變化,因此在這里我們可以確定自變量z(即#1)的初值應賦為40(宏程序書寫格式為#1=40)，條件判定循環(huán)語句為自變量z≥0（宏程序書寫格式為#1GE0）。

（3）將數(shù)學方程進行轉化：將方程轉化為以Z為自變量，X為因變量的數(shù)學表達式，從而得到X的坐標，并且用FANUC系統(tǒng)的表達方式進行表達；即（若X取#2）#2=24*SQRT[1-#1*#1/1600].

（4）根據(jù)加工經(jīng)驗合理確定自變量z的步距:通過宏程序中的變量賦值的自增或自減,能夠實現(xiàn)自變量按要求的變化趨勢構成新的坐標值,而步距值的大小則最終決定了擬合線段的數(shù)量,步距值取得越小,則擬合線段數(shù)量越多,得到的曲線軌跡就越能接近于理想曲線,獲得的表面精度越高,但運算量以及數(shù)據(jù)存儲量也越大,這就要求數(shù)控系統(tǒng)具備較強的數(shù)據(jù)存儲和處理能力,如低端的數(shù)控系統(tǒng)，由于處理速度慢，會導致不正常的處理而影響加工,所以步距值應根據(jù)零件的形狀精度要求以及數(shù)控機床的配置情況進行合理選擇，一般取值在0.2～0.5范圍進行選取，宏程序書寫格式為# 1=#1-0.5。

（5）利用條件判定循環(huán)語句讓程序按指定的方向循環(huán),即形成自變量不斷按規(guī)律變化,通過函數(shù)方程表達式得出出新的因變量,從而獲得利用G01加工所需要的終點坐標,從而實現(xiàn)非圓曲線橢圓的加工，條件判定語句的格式為IF[#1GE0]GOTO20。

（6）利用G01指令實現(xiàn)步距的移動，其終點坐標X和Z應為編程坐標系中的坐標值，而通過曲線函數(shù)表達式得到的坐標是以橢圓中心為原點獲得的坐標,要通過表達式將其轉化成編程坐標,這樣刀具才能走出正確的路線實現(xiàn)加工。

按照以上思路，所編制出宏程序如下：O0001；M44；T0101；S800 M03；…；#1=40；N10#2=24*SQRT[1-#1*#1/1600]；G01 X[2*# 2]Z#1；#1=#1-0.5；IF[#1GE0]GOTO 10；…；M30。

2.進行坐標點的轉換：選取某一具體坐標點進行分析轉換

上面所編制的宏程序只是在坐標系X’O’Z里面進行的，而我們在實際編程加工時是在坐標系XOZ坐標系進行，那么如何進行坐標變換，才能得到我們的實際加工程序呢？下面我們可以通過在橢圓上選取任意某一具體的坐標點來進行分析，如我們選取圖1中A點，由圖中可知，A點在坐標系X’O’Z’里面的坐標是X為AH長度，Z為AI長度，而A點在坐標系XOZ里面的坐標為：X為AK長度，Z為負的AE，那么他們之間存在什么關系呢？仔細看圖，會發(fā)現(xiàn)AK=42-AH，AE=（97-53.18）-AI，但是由于AE為負值，所以AE=AI-43.82，那么用變量表達為#3=42-#2，#4=#1-43.82，同樣由于X方向為直徑量，因此#3=2*[42-#2].所以，最終的加工程序為：O0002；M44；T0101；S800 M03；…；#1=40；N10#2=24*SQRT[1-#1*#1/1600]；#3=2*[42-#2]；#4=#1-42；G01 X#3 Z#4；#1=#1-0.5；IF[#1GE0]GOTO 10；…；M30。

四、結束語

根據(jù)以上教學思路分析，宏程序編程教學必須要抓住以下幾點關鍵要素：

（1）宏程序編寫的基礎是建立在能夠理解數(shù)控函數(shù)方程的基礎上,對于曲線函數(shù)變量之間的關系一定要清楚,并最終學會確定自變量并得出正確的因變量表達式。

（2）根據(jù)零件圖，找出非圓曲線自變量的取值范圍，這一步很重要，由于我們在給自變量賦初始值時和條件判定跳轉時都需要用到此取值范圍。

（3）數(shù)控車里面宏程序編程時要考慮的關鍵是需不需要進行坐標系變換,平時編程原點基本設在零件右端面中心處,而一般我們第一步編制宏程序是在數(shù)學函數(shù)標準方程下的坐標系系里面進行的。

（4）對于自變量的步距值要選擇恰當,粗加工零件時可取較大值;在精加工零件時為了確保零件的精度和表面質量應取較小值。

（5）上文所述的非圓曲線精加工宏程序,可在固定循環(huán)指令G73中應用加工。

（6）經(jīng)多年實踐經(jīng)驗證明,筆者所介紹的宏程序編寫方法及編程思路可適用于大部分的非圓曲線編程。

[1]趙太平.數(shù)控車削編程與加工技術[M].北京理工大學出版社,2006.

[2]謝曉紅.數(shù)控車削編程與加工技術[M].電子工業(yè)出版社, 2005.

[3]沈春根,等.數(shù)控車宏程序編程實例精講[M].機械工業(yè)出版社出版，2012.