应用宏程序优化数控车削非切削空程路径_袁文武.pdf

精密制造与自动化 2022年第4期 39 应用宏程序优化数控车削非切削空程路径 袁文武（国家开放大学 北京 100039）摘 要 分析了宏程序在数控车削加工椭圆、抛物线等非圆曲线零件加工中的应用现状，归纳了宏程序编制圆弧、非圆曲线类零件的数学特点。选择以具有非圆曲线和圆弧相连的轴类零件为例，根据斯沃数控仿真软件刀具轨迹验证，运用 G71 指令和宏程序编程，可有效减少数控车削非切削空行程路径。关键词 宏程序 非圆曲线 非切削空行程路径 刀具轨迹 斯沃数控仿真 1 1 引言引言 数控技术赋予了机床“大脑”，而用好这个“大脑”，灵活运用宏程序，可以提升加工效率。笔者以“宏程序+数控车削”、“G71 指令+宏程序”、“G73指令+宏程序”为关键词对中国知网进行检索，剔除数控铣削等非数控车削的论文，重点研究应用宏程序解决数控车削轴类零件加工的相关论文发现，程启森归纳了应用宏程序加工抛物线时的编程技巧 1；岳秋琴以椭圆和抛物线曲面零件的加工证明了宏程序加工非圆曲线类零件灵活简便、通用性和加工效率的提升2；程启森等利用宏程序对非圆曲线加工路径进行了改进，提升了加工效率3；徐兵等巧用圆锥曲线极坐标的数学特点，编制了非圆曲线类零件的统一方程 4；袁永富等通过一个典型零件数控加工走刀路线优化，分析了宏程序的应用5；刘虎等采用数学分析归纳法，应用宏程序对非圆曲线方程进行了编制6；赫焕丽等总结了利用宏程序编制斜椭圆加工程序的格式和技巧7；刘健等应用 G71 指令和宏程序编程改进了典型轴类零件的加工路径8；吴陈燕编制了典型正切曲线零件的宏程序，解决了正切曲线类零件宏程序的加工9；王红梅等根据椭圆标准方程编制了椭圆内孔粗加工宏程序 10。综上，文献1-4阐述了宏程序对轴类零件外侧具有凸域的非圆曲线或圆弧类零件的加工，文献5-9阐述了宏程序对轴类零件外侧具有凹域的非圆曲线或圆弧类零件的加工，文献10阐述了宏程序对轴类零件内侧具有凸域的非圆曲线类零件的加工。应用宏程序解决数控车削加工中出现的椭圆、双曲线、抛物线等单一非圆曲线，体现了宏程序应用时的灵活、便捷，弥补了数控系统不具备直接进行非圆曲线加工与编程的缺陷。但应用宏程序优化具有非圆曲线和圆弧相连的轴类零件尚不多见，笔者运用 G71 指令和宏程序编程，提出了应用宏程序编制此类零件的最佳加工路径，依次编程可有效减少数控车削非切削空行程路径。2 2 粗车循环指令使应用粗车循环指令使应用 2.2.1 1 典型轴类零件典型轴类零件 本文采用典型轴类零件为研究对象，零件尺寸如图 1 所示，材料为铝。假设该零件按照“从右至左、由近至远”的原则进行加工。零件加工工艺可分为以下几个步骤：车端面车 R2 圆弧车 40 mm 外圆车 R30 mm 圆弧车椭圆车 48 mm外圆和切断。图图 1 全国数控技能大赛典型轴类零件全国数控技能大赛典型轴类零件 2.22.2 手工编程方式手工编程方式 此类零件的加工通常采用 G71 指令（内/外径粗车循环指令）、G73 指令（仿形粗车循环指令）和宏程配合编程。常用的是运用G73指令和宏程序编程，其次是运用 G71 指令、G73 指令和宏程序编程，目前难度较大的是运用G71和宏程序编程。原因在于，DOI:10.16371/ki.issn1009-962x.2022.04.008 精密制造与自动化 2022年第4期 40 针对非圆曲线和圆弧相连的轴类零件，运用 G73 指令编程时给出精加工路径和粗加工切削深度，数控系统计算出相应的粗加工路径和次数，相对于直线插补指令和单一固定循环指令，可以极大地提高编程效率。G73 指令常用在具有单调性的零件上，针对不具有单调性的“凹域”轴类零件，其缺陷在于产生大量无效“非切削空行程路径”。本文通过分析宏程序编制数学特点，在“加工起点和切削深度”等加工要素相同的情况下，编制 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。通过对比，用户程序重点对零件“凹域”部分进行编程与加工，可以最大程度上减少空行程，提升加工效率。3 3 宏程序编制数学特点宏程序编制数学特点 本文以 FANUC 0i 数控系统采用 B 类用户宏程序为例，利用宏程序变量、语句和子程序调用优化数控车削加工路径。宏程序编制时难点在于圆弧或非圆曲线的坐标偏移和凹凸弧的取舍。下面以全国数控技能大赛典型轴类零件外轮廓加工为例11，分析其宏程序编制时的数学特点，工件毛坯为 50 mm100 mm，材料为铝。工件原点及其编程坐标系 轴、轴方向如图 1 所示，数控车床为后置刀架，刀具采用副偏角较大的仿形车刀。该零件遵循“从右至左、由近至远”的加工原则。3 3.1.1 确定椭圆坐标方程确定椭圆坐标方程 编制宏程序前首先确定椭圆的标准方程：(xx0)2a2+(zz0)2b2=1，a、b 分别为椭圆长短半轴尺寸，x0、z0分别为椭圆圆心坐标；然后根据椭圆圆心坐标（24，-38）、长半轴尺寸 20 mm、短半轴尺寸 12 mm，输入椭圆坐标方程即可确定椭圆方程如下：(x 24)2122+(z+38)2202=1 3.23.2 选取椭圆自变量与取值范围选取椭圆自变量与取值范围 编制宏程时一般采用等步距直线逼近的方法，公式曲线中x 和z 坐标均可以被定义为自变量，一般根据表达式方便情况和是否具有单调性来确定是x 还是z 作为自变量，按照刀具进给路线选择具有单调性的z 作为自变量比较方便，自变量取值范围-23.73,58。3.3.3 3 转换椭圆车床实际坐标表达式转换椭圆车床实际坐标表达式 根据确定的因变量，将椭圆坐标方程转换为因变量x 相对于自变量z 的实际车床坐标表达式，其公式如下：x=24 122122(z+38)2202 关于正负号的取舍，遵循“凸正凹负”原则，如图 1 椭圆弧由于是凹弧，所以取负，其公式如下：x=24 122122(z+38)2202 参照椭圆坐标表达式的操作方法，可确定 R30 圆弧的实际车床坐标表达式。圆弧的 和 坐标均具有单调性，均可以被定义为自变量，本文选择 坐标作为自变量，根据上述操作方法那么可得出 R30 圆弧自变量 的取值范围为15.595,20,实际车床坐标表达式如下：z=201(x 24)2144 38 4 4 运用运用 G73G73 指令和宏程序编程方案指令和宏程序编程方案 第一种方案采取G73指令和宏程序配合编制零件程序（见表 1），将该程序导入斯沃数控仿真软件V7.3 仿真其刀具路径轨迹，形成刀具轨迹如图 2 所示。该方案是解决具有凹域轴类零件加工编程相对简单、容易，是常用的做法，但会产生大量的非切削空行程，降低加工效率。表表 1 运用运用 F73 指令和宏程序编制程序指令和宏程序编制程序 O0001 G97G99G40G21 G28U0W0 M04S800T0101F0.5 程序头（设定系统参数、返参考点、设定加工参数）G00X50Z2 循环起点 G73U25W0R24 执行粗加工，X 轴退刀量25mm，Z 方向退刀量 0mm，循环次数 24 G73P10Q20U0.5W 0.05 精加工循环 N10、N20，X、Z向余量为 0.5 和 0.05 mm N10G42G00X0 建立刀补，定位到 X0 起刀点 转下表 袁文武 应用宏程序优化数控车削非切削空程路径 41 接上表 G01Z0 车削零件端面 X40R2 车削 R2 圆弧 Z-8.08 车削40 外圆 G03X31.19Z-23.73R30 车削 R30 圆弧 G01X31.19Z-23.73 车削到 R30 圆弧终点#1=-23.73 自变量 Z 赋初值 WHILE#1GE-58DO1 判断是否走到椭圆的 Z 向终点#2=#1+38*#1+38 计算 Z 值#3=24-SQRT144-144*#2/400 计算 X 值 G01X2*#3Z#1 直线插补#1=#1-0.1 自变量 Z 递减一个歩距-0.1 END1 嵌套结束 G01X48 车削48 外圆 Z-78 车削48 外圆 N20G40G00X50 X 向退刀 Z2 Z 向退刀 M05 主轴停止 MOO 程序停止 M04S1200T0101F0.1 设定精加工参数 G00X50Z2 定位精加工起点 G70P10Q20 精加工 M05 主轴停止 M30 程序结束并返回 图图 2 运用运用 G73 指令和宏程序编程刀具仿真轨迹指令和宏程序编程刀具仿真轨迹 5 5 运用运用 G71G71 指令、指令、G73G73 指令和宏程序编程方案指令和宏程序编程方案 第二种方案采取G71指令和G73指令编制零件程序（见表 2 和表 3），并将该程序导入斯沃数控仿真软件 V7.3 仿真其刀具路径轨迹，形成刀具轨迹如图 3 所示。该方案先采用 G71 指令对零件台阶轴编程进行粗精加工，然后再 M98 调用子程序 O0003，运用 G73 和宏程序对零件凹域部分进行粗精加工，解决了零件凹域之外的刀具空行程，从一定程度上提升了加工效率。表表 2 运用运用 G71 和调用子程序编制主程序和调用子程序编制主程序 O0002 G97G99G40G21 G28U0W0 M04S800T0101F0.5 程序头（设定系统参数、返参考点、设定加工参数）G00X50Z2 循环起点 G71U0.5R0.5 执 行 粗 加 工，每 次 切 深0.5mm、退刀量 0.5mm G71P10Q20U0.5W0.05 精加工循环 N10、N20，X、Z 向余量分别为 0.5 和 0.05 N10G42G00X0 建立刀补，定位到起刀点 X0 G01Z0 车削零件端面 X40R2 车削 R2 圆弧 Z-8.08 车削40 外圆 G01X48 定位起点 Z-78 车削48 外圆 N20G40G00X50 X 向退刀 Z3 Z 向退刀 M00 主轴停止 M04S1200T0101F0.1 设定精加工参数 G00X50Z2 定位精加工起点 G70P10Q20 精加工 M98P0003 调用凹域加工子程序 M30 程序结束并返回 表表 3 运用运用 G73 和宏程序编制凹域部分加工子程序和宏程序编制凹域部分加工子程序 O0003 G97G99G40G21 M04S800T0101F0.5 程序头（设定系统参数、返参考点、设定加工参数）G00X50Z-6 循环起点 G73U13W0.5R12 执行粗加工，X 轴退刀量13mm，Z 方向退刀量 0mm，循环次数 12 G73P30Q40U0.5W0.05 精加工 N10、N20，X、Z向余量为 0.5 和 0.05 mm N30G01X40 定位到 X40 起刀点 G01Z-8.08 定位到 Z-8.08 起刀点 G03X31.19Z-23.73R30 车削到 R30 圆弧终点#1=-23.73 自变量 Z 赋初值 转下表 精密制造与自动化 2022年第4期 42 接上表 WHILE#1GE-58DO1 判断是否走到椭圆的 Z 向终点#2=#1+38*#1+38 计算 Z 值#3=24-SQRT144-144*#2/400 计算 X 值 G01X2*#3Z#1 直线插补#1=#1-0.1 自变量 Z 递减一个歩距-0.1 END1 嵌套结束 G01X48 车削48 外圆 N40G40G00X50 X 向退刀 Z-6 Z 向退刀 M05 主轴停止 M00 程序停止 M04S1200T0101F0.1 设定精加工参数 G00X50Z-6 定位精加工起点 G70P30Q40 精加工 M99 子程序调用结束 图图 3 运用运用 G71、G73 和宏程序指令编程刀具仿真轨迹和宏程序指令编程刀具仿真轨迹 6 6 运用运用 G71G71 指令和宏程序编程方案指令和宏程序编程方案 第三种方案采取 G71 和宏程序编制零件程序（见表 4、表 5 和表 6），并将该程序导入斯沃数控仿真软件 V7.3 仿真其刀具路径轨迹，形成刀具轨迹如图 4 所示。该方案采取分四段加工，即：用 G71指令对零件的台阶轴部分进行粗精加工（完成 40、