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摘要:在对数车加工非圆曲线进行编程时，其中的宏程序一直都是作为子程序来调用，以至于整个程序的加工效率比较低。文章以华中世纪的星数控系统为基础，结合粗车复合循环与宏程序，在粗车复合循环体中直接编写作为精准加工轮廓的非圆曲线轮廓的宏程序，再分析论证了相关的加工过程。通过以上的加工方式，能够大大地提高数车加工非圆曲线的效率。
关键词:数车加工，非圆曲线，宏程序编制
1引言
数床是由圆弧和直线等集合元素构成的，其本身已经具备圆弧和直线的插补功能，因此，只需要将有关的基点坐标计算出来就可以开始相关程序的编制。而当数控车床的工件轮廓为非圆曲线时, 只有经过相关的数学处理, 才能利用拟合直线或者拟合的圆弧线段拟合非圆曲线, 从而将原有的工件轮廓曲线替换掉, 这一系列的操作都要求程序员必须将拟合后的所有节点都计算出来。在计算出拟合后的所有节点后，再利用圆弧和直线的插补功能对非圆曲线的加工程序进行编制，其中，编写程序、计算节点等工作量都比较大。因为计算机的数控系统拥有类似于高级语言的宏程序功能，所以用户能够利用变量进行相关的运算, 除此之外，宏程序还给用户提供了大量的像子程序调用和循环语句之类的语句,这样，在对复杂的零件加过过程进行编程时，就能尽可能地减少原来手工编程带来的巨大计算量，同时，还对程序进了简化，并且有效地提高了手工编程的工作效率, 加强数控车床的加工能力。
然而，在实际运用中,宏程序一直都是作为子程序来进行调用, 以至于数控车床刀具工进时在空走刀上消耗的时间远远超过在加工切削上消耗的时间,因此，这种方式的生产效率特别低。为了改善这种加工方式,提出结合粗车复合循环与宏程序的方法,来提升宏程序在数车加工上的工作效率。
2非圆曲线宏程序的编制步骤
第一步，选择并确定自变量。一般编程时会选择变化范围较大的变量作为自变量，比如非圆曲线中的X和Z坐标，同时，还需要考虑宏程序中的函数表达式的书写是否简洁，因此，应当在开头将与Z坐标有关的变量设为#100、#101，将X坐标相关的变量设为#200、#201。
第二步，选择并确定在自变量起止点的坐标。确定的坐标值所在的坐标系必须是与非圆曲线所在的坐标系相对应的，它的起点坐标作为自变量的初始值，而它的终点坐标就作为自变量的终止值。
第三步，进行相应的函数变换，确定因变量和自变量之间的宏表达式。
第四步，确定与工件原点相对的公式非圆曲线所在的坐标系的原点的代数偏移量，也就是△X、△Z。
第五步，在对工件坐标系中的非圆曲线的#201的值进行计算时，对宏变量#200的正负号进行判别。
将程序轮廓中的非圆公式曲线所在的坐标原点作为原点，画出相应的曲线坐标系和X′、Z′坐标轴，并将Z′坐标作为分界线，将编程轮廓分为正负两种，在X′正方向的变成轮廓作为正轮廓，而在X′负方向的轮廓则为负轮廓。
倘若程序中使用的公式曲线为正轮廓，那么，在对工件坐标系中的#201值进行计算时，宏变量#200则为正；如果程序中用到的公式曲线为负轮廓，那么，宏变量#20则为负，其表达式就是#201=±#200+△X。
第六步，设计总体的非圆曲线宏程序的模板。首先将Z坐标和X坐标分别设置为自变量#100和因变量#200，同时，自变量的步长设置为△w，而非圆曲线所在坐标原点在工件坐标系下X方向的偏移量则设置为△X，从而得到以下的公式曲线的加工宏程序编程模板：
#100=Z1 /*定义自变量,起点坐标Z*/
WHILE ［ #100 GE Z2］DO 1 /*对非圆曲线进行加工控制*/
#200=f（#100） /*构造因变量、自变量直接的函数*/
# 2 0 1 = ± # 2 0 0 + △ X /*对非圆曲线上点在加工坐标系的X坐标进行计算的表达式*/
#101=#100+△Z /*通过该表达式计算非圆曲线上点在加工坐标系的Z坐标*/
G01 X［2*#201］ Z［#101］F /*曲线加工*/
#100=#100－△w /*自变量缩小一个步距*/
END1 /*结束加工宏程序*/
3 将宏程序作为子程序的手工编程法
根据如今掌握的资料，可以看出,大部分的工件轮廓非圆曲线都是通过方程的方式给出的, 因此，在对程序进行手工编制时,总是将非圆曲线的宏程序编制为子程序, 用来被主程序调用。图2-1 就是椭圆轮廓加工工件, 它的加工程序为：
%0002
G90 G36 G94
T0101
M03 S800 F150
G00 X51 Z2
#50=49
WHILE #50 GE 1
M98 P0003; 调用椭圆曲线子程序
#50=#50- 2
ENDW
G00 X100 Z50
M05
M30
%0003; 椭圆子程序
#1=40;
#2=24;
#3=40;
WHILE #3 GE 8;
#4=24*SQRT[ #1*#1- #3*#3] /40
G01 X[ 2*#4+#5] Z[ #3- 40]
#3=#3- 0.5
ENDW
W- 1
G00 U2
Z2
M99
图3-1 椭圆轮廓工件
在以上整个加工程序中, %0003 椭圆的子程序能够达到的尺寸就是零件轮廓的尺寸, 而%0002 主程序在调用%0003程序对零件进行加工时,数控车床的刀具走刀轨迹为短轴依次变化而长轴不变的椭圆簇。具体的走刀轨迹可以从图3- 2中看出，该图也是HNC- 21T 数控系统 CAK6136 车床中的加工在仿真环境下的校验图。同时，图 3-2 中不难看出, 在对椭圆簇进行加工时, 数床刀具在工件毛坯外部出现严重的空走刀情况，由于刀具是切削进给速度,因此，消耗的加工时间比较多, 从某种角度来说，大大降低了数控设备的利用率。
图3-2 主子程序方法下加工椭圆时的走刀轨迹
4 粗车复合循环与宏程序结合的编程方法
由于将宏程序作为子程序调用的方法存在很多的缺陷，因此，必须寻找比这种常规方法更有效的宏程序加工方法。考虑到粗车复合循环指令的重要作用, 采取将粗车复合循环指令与宏程序有机地结合起来, 直接将椭圆轮廓的宏程序作为粗车复合循环指令中的精加工轮廓循环体的方法来代替原来的手工编程方法。以下是采用无凹槽的粗车复合循环指令 G71 与宏程序结合的程序：
%0004
G90 G36 G94
T0101
M03 S800
G00 X51 Z2
G71 U1 R0.5 P10 Q20 X0.5 Z0.1 F150
G00X51
Z2
M05
M00
T0101
M03 S1000
N10 G00 X0
Z2
G01 Z0 F80
#1=40
#2=24
#3=40
WHILE #3 GE 8
#4=24*SQRT[ #1*#1- #3*#3] /40
G01 X[ 2*#4] Z[ #3- 40]
#3=#3- 0.5
N20 ENDW
G00 X100 Z50
M05
M30
图3-1是用%0004 程序对椭圆工件进行加工的仿真校验图, 从图 3-1中可以看出, 数床刀具按照G71 指令的运行时，整个加工的过程没有出现轮廓空切削的现象,有效地缩短了加工时间，提高了加工效率。
图4-1 G71指令下加工椭圆时的走刀轨迹
5 两种方法的比较
通过比较图3-2与图4-1中椭圆工件加工的走刀轨迹不难看出,在用主子程序对椭圆簇进行加工时,数床的刀具以工进的速度进给出现了严重的空走刀情况, 而用粗车复合循环与宏程序结合的编程方法
对椭圆簇进行加工时，除了端面 2mm 起刀处,几乎不存在工进的空走刀情况。除此之外，从两幅图中还可以看出,主子程序加工方法下的数床的刀具工进速度走刀所扫过的面积远远超过了远远超过粗车复合循环与宏程序结合的编程方法下的走刀面积, 再加上刀具是切削进给速度, 两种方法之间的时间耗费相差更大。因此, 粗车复合循环与宏程序结合的编程方法在使用了 G71 指令后,大大提高了其宏程序的加工效率,并且在科学合理的加工工艺背景下,数床加工非圆曲线的用时较短,宏程序所包含的语句比较少,而且没有嵌套循环的宏程序存在,方便进行程序检查。这种方法不仅适用于不含凹槽的非圆曲线的加工，也适用于含凹槽的非圆曲线工件轮廓的加工。
6结束语
通过以上的例子可以看出，粗车复合循环与宏程序结合的编程方法比主子程序方法更适用于非圆曲线的加工。在现代编程技术如此迅速发展的环境下，改进数床加工非圆曲线宏程序的编制能够有效地提高数控加工的工作效率。
参考文献:
[1]何玉山. 数控车床加工非圆曲线宏程序编程技巧[J].现代制造,2009（10）：88-89
[2]刘帅. 宏程序在非圆曲线内轮廓加工中的应用[J]. 机电产品开发与创新,2015（09）：124-126
[3]徐洪健，杨小华. 宏程序在非圆曲线轮廓车削中的应用[J]. 数控技术,2007（09）：111-112
论文作者:彭并仁
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/14
标签：程序论文; 加工论文; 曲线论文; 轮廓论文; 自变量论文; 工件论文; 坐标论文; 《电力设备》2017年第29期论文;