论文部分内容阅读
摘 要： 本文根据宏指令和CAD/CAMD 在数控编程加工中的应用分析，分析其各自的特点；并通过典型零件的宏指令编程实例，说明利用宏指令编程对程序往往能起到化难为易、化繁为简的作用，使程序具有通用性、灵活性。恰当地使用宏变量，可用同一程序完成一个系列零件的加工，大大提高编程效率。
关键词： 数控机床 数控编程加工 宏指令 CAD/CAM
数控编程作为数控加工的关键技术之一，其程序的编制效率和质量在很大程度上决定了产品的加工精度和生产效率，尤其是随着数控加工不断朝高速、精密方向发展，提高数控程序的编制质量和效率，对提高制造企业的竞争力有着重要的意义。随着CAD/CAM软件的不断普及，数控编程的模式逐渐由自动编程取代了手工编程。但CAM软件和手工编程有着各自的特长，且现有的CAM软件不能满足所有数控系统的特殊功能。如何充分结合两种编程模式，合理有效地利用数控机床的各种功能，编制精简合理的小容量数控程序，有着非常重要的意义。
一、CAD/CAM和用户宏程序在编程加工中的性能对比
当今CAD/CAM软件越来越具有智能化，非常适用于各种复杂曲线零件编程和加工，但并不意味着CAD/CAM编程能绝对取代用户宏程序。相反，在实际应用中用户宏程序相对于CAD/CAM软件有其适用范围和特点，具体如下。
首先，用户宏程序是程序编制的高级形式，素质较高的编程人员在宏程序里应用大量的编程技巧，使程序简洁易懂，并具有较好易读性和修改性。而采用CAD/CAM编程，必须先几何建模，后设定各种加工参数，然后计算刀具轨迹，再经后处理生成程序。这个过程非常耗时，且生成的程序十分繁琐，内容较多，可读性和修改性较差。对于中等难度的零件，使用宏程序编程要比CAD/CAM方便得多。
其次，一般的数控系统内部存贮空间不超过256K，而采用CAD/CAM生成的程序比较繁琐，基本上都超过额定存贮空间，因而只能通过DNC方式加工，即通过数控机床配备的通信接口在线加工。现在的机床常备的是RS-232串行接口，其最大的传输波特率为19200bit/s，当计算精度、计算速度F值较大时，程序的传输速度就跟不上机床的节拍，出现进给运动有明显的继续的现象，采用其他方法也不会太大的改观。由于宏程序一般都短小精悍，存储空间一般为3K以下，完全可以存储在数控系统内部。在计算的速度较快，使用宏程序不会出现加工中断续的现象。
最后，CAD/CAM软件生成的程序具有一定的误差，使得对零件加工精度具有很大的影响。误差来源于很多方面，从用户使用的层面上说，使用CAD/CAM软件来生成刀路及程序是非常容易的事，但是剖析CAD/CAM软件计算刀路的原理，就知道它存在一定的弊端。在CAD/CAM软件中，无论构造规则或不规则的曲面都有一个数学运算的过程，也必然存在着计算的误差和处理，而在对其生成三维加工刀路时，软件是根据你选择的加工方式、设定的加工参数，并结合所设定的加工误差（或称为曲面的计算精度），使刀具与加工表面接触点（相交点或相切点）逐点移动完成加工，从本质上看，其实就是在允许的误差值范围内沿每条路径用直线去逼近曲面的过程。例如手工编程中用G02或G03表示圆弧，CAD/CAM生成的程序使用n边形去逼近一个圆。CAD/CAM软件生成的程序除了受NC刀具轨迹的计算精度影响，还受多方面因素的影响，例如受CAD建模时的计算精度的影响、不同软件之间CAD图档的转换精度的影响和后处理环节的影响等。
二、用户宏程序在数控编程加工中的优点
宏功能是数控编程技术的一项关键技术，是提高数控加工性能的一种特殊功能。宏功能的主体是宏程序，由一系列指令组成，宏程序用一个总指令作代号，也称宏指令。其特点是可以对变量得对变量进行运算，用变量执行相应操作，使程序应用更加灵活、方便。
1.宏程序中的变量有局部变量、公共变量、系统变量三种，可满足不同的赋值需求。在宏程中，用事先指定的事变量代替地址符后面直接给出的数值，在调用宏程序或该宏程序本身执行时，给出计算好的变量值，这种使宏程序有广泛的通用性。更改也非常简单，若程序中某数据要更改，只需将相应变量重新赋值即可。
2.在宏程序中已赋值的变量，在后续程序中可被重新赋值，原先的内容被新内容代替，利用数控系纺对变量值进行计算和变量可以理新赋值的特性，使得在进行复杂非圆轮廓的曲线加工中，而不必人工逐点计算，从而用很短的直线或圆弧线段逼近理想轮廓曲线，满足零件加工精度。
3.宏程序中的算术和逻辑计算功能，如：反正运算、指数函数运算、异或运算等，满足了用户不同的计算要求，减少了编程的繁琐计算，使编程更佳快捷、方便。
4.宏程序所具有的转移和循环功能，包括GOTO、IF、WHILE语句，可方便地实现语句的无条件、有条件跳转和重复多次循环减少了编程语句的数量，满足了用户对不同情况的编程要求。
三、宏指令编程实例
实例一：宏指令在壳体类零件数控加工编程中的应用
在工厂实际生产中，常常生产不同型号的同类产品，每一型号的产品都有不同的规格，这些规格不同而型号相同的产品一般结构和形状相似，仅尺寸大小不同。所以其壳体零件也是结构和形状相似，只是尺寸或数量不同。而基本上所有产品的壳体零件，其加工内容无非是轴孔镗削加工、断面铣削加工、连接孔钻削加工，如果对每个规格壳体的零件都去编程，很费时，易出差错，且占用内存空间大。为了提高程序的通用性，可以将同类形状的表面加工采用宏指令编程，加工时给宏程序中的变量赋值就可调用宏程序，大大简化加工程序。例如阀门产品型号很多，然而同一型号的阀门其结构及外形却非常相似，阀体结构基本一样，仅是尺寸大小即规格不同。
如图1所示是D343X-10D蝶阀阀体，加工中心加工，采用0I系统。
（1）变量设定：
#1——第一刀的起始角A，主程序中用对应文字变量A赋值; #3——孔加工循环中R平面值C，主程序中用对应文字C赋值;
#9——孔加工的进给量F，主程序中用对应文字F赋值;
#11——要加工孔的孔数H，主程序中用对应文字H赋值；
#18——加工也所处的圆环半径R，主程序中用对应文字R赋值；
#26——孔深坐标值Z，主程序中用对应文字Z赋值；
#30——当前加工刀的序号i；
#31——当前加工第i孔的角度；
#101——当前加工刀的X坐标值；
#102——当前加工刀的Y坐标值；
（2）程序和说明：
阀门规格为400mm，则d1=400,d4=565,d5=26,d6=515,n=16,
a=22.5°，孔深为32mm。
主程序：
O0010
G40 G49 G80：/程序初始化
G91 G28 Z0.；/Z向回参考点
M03 S4000；/主轴转速1200r/min
G54 G90 G00 X0.Y0./快速回坐标系零点
G43 H01 Z30./给定刀具长度补偿H01并下刀到30mm面
G65 P2000 A22.5 C10 F200 H26 R257.5 Z32；/非模态调用宏程序赋值
M30；/程序结束
子程序
O2000；
N2010 #30=1；/计数值置1
N2020 WHILE［#30 LE ABS［#11］］ D01；/进入孔加工循环体
N2030 #31= #1 + 360 * ［#30-1］/#11；/计算第i孔的角度
N2040 #101 =#18 * COS［#31］；/计算第i孔的X坐标值
N2050 #102 =#18 * SIN［#31］；/计算第i孔的Y坐标值
N2060 G90 G81 G99 X#101 Y#102 Z#26 R#3 F#9；/钻削第i孔
N2070 #30 = #30+1；/计数器对孔序号i技术累加
N2080 END1；/加工循环体结束
N2090 M99；/子程序结束并返回主程序
实例二：宏，指令在椭圆分布不等深孔数控加工编程中的应用
如图2所示，按椭圆规律等角度分布孔的加工程序。其中孔深按如图3所示的正弦曲线Z=5sin（a+30°）-10变化。椭圆长半轴为50mm，短半轴为30mm，第一孔的起始角为15°，相邻两孔与中心线连线的夹角为30°，孔数为12个。
变量设定
#1=（A） /起始角度
#2=（B） /各空间的角度间隔
#3=（C） /椭圆长半轴长
#4=（I） /椭圆短半轴长
#5=（J） /加工孔个数
#9=（F） /进给速度
#11=（H） /加工孔数赋初值
#17=（Q） /G83方式钻孔的每次钻深
#18=（R） /安全平面高度
（2）程序和说明
主程序：
O0504
G40 G49 G80：/程序初始化
G91 G28 Z0.；/Z向回参考点
M03 S4000；/主轴转速1200r/min
G54 G90 G00 X0.Y0./快速回坐标系零点
G43 H01 Z30./给定刀具长度补偿H01并下刀到30mm面
G65 P0503 A15.B30.C50.I30.J12.H1.Q5.R3.F200.；/非模态调用宏程序赋值
M30； /程序结束
宏程序：
O0503；
WHILE［#11LE#5］DO1；/当#11≤#5时，循环1继续#10=#1+#2*［#11-1］； /#11孔所对应的角度
#21=#3*COS［#10］；/#11孔的X坐标值
#22=#4*SIN［#10］；/#11孔的Y坐标值
#23=5*［SIN#10+30］-10；/#11孔Z坐标值
G99 G83 X#21 Y#22 Z#23 R#18 Q#17 F#19；/G83方式钻孔
#11=#11+1；/孔数加1
END1；/循环结束
G00 G80 Z30 /取消固定循环并返回初始平面
M99；/子程序结束并返回主程序
四、结语
利用宏程序可实现同一型号产品采用同一程序加工，也可实现同一零件采用同一程序实现粗精加工，适用于批量小，形状复杂而交货期又短的产品加工，特别是对于复杂空间曲线外形的壳体零件，只能以变量的形式编程，并同宏程序的计算功能来计算刀具轨迹，简化程序的编制。只要加工的产品模型能用基本数学函数构造出来，宏指令编程就是一种简便快捷的可行方法。总之，在数控编程加工中，灵活应用宏指令编程，可以提高编程效率，更好地发挥数控机床高效自动化的作用。
参考文献：
［１］周劲松.巧用宏程序解决复杂零件的数控加工编程问题［J］.现代制造与自动化，2005，（3）.
［２］李建跃，黄登红.宏程序在数控加工中的应用［J］.机械工程师，2004，（4）.
［３］张美山.数控加工中宏程序的开发及应用［J］.机械工程师，2005，（4）.
［４］王华侨.用户子程序及宏程序在模具数控铣削加工编程中的应用［J］.模具工业，2005，（6）.
［５］黄美康主编.数控加工编程［M］.上海：上海交通大学出版社，2004.
［６］张军.基于宏程序的非圆曲线的数控精密加工［J］.机电元件，2004，（4）.
［７］李爱红.CAD/CAM软件在数控加工中的应用［J］.宿州教育学院学报，2007.4：133-134.
［８］韩全立，王宏颖.宏程序在数控编程中的应用技巧及编程实例［J］.机床与液压，2010，（6）：29-31.
关键词： 数控机床 数控编程加工 宏指令 CAD/CAM
数控编程作为数控加工的关键技术之一，其程序的编制效率和质量在很大程度上决定了产品的加工精度和生产效率，尤其是随着数控加工不断朝高速、精密方向发展，提高数控程序的编制质量和效率，对提高制造企业的竞争力有着重要的意义。随着CAD/CAM软件的不断普及，数控编程的模式逐渐由自动编程取代了手工编程。但CAM软件和手工编程有着各自的特长，且现有的CAM软件不能满足所有数控系统的特殊功能。如何充分结合两种编程模式，合理有效地利用数控机床的各种功能，编制精简合理的小容量数控程序，有着非常重要的意义。
一、CAD/CAM和用户宏程序在编程加工中的性能对比
当今CAD/CAM软件越来越具有智能化，非常适用于各种复杂曲线零件编程和加工，但并不意味着CAD/CAM编程能绝对取代用户宏程序。相反，在实际应用中用户宏程序相对于CAD/CAM软件有其适用范围和特点，具体如下。
首先，用户宏程序是程序编制的高级形式，素质较高的编程人员在宏程序里应用大量的编程技巧，使程序简洁易懂，并具有较好易读性和修改性。而采用CAD/CAM编程，必须先几何建模，后设定各种加工参数，然后计算刀具轨迹，再经后处理生成程序。这个过程非常耗时，且生成的程序十分繁琐，内容较多，可读性和修改性较差。对于中等难度的零件，使用宏程序编程要比CAD/CAM方便得多。
其次，一般的数控系统内部存贮空间不超过256K，而采用CAD/CAM生成的程序比较繁琐，基本上都超过额定存贮空间，因而只能通过DNC方式加工，即通过数控机床配备的通信接口在线加工。现在的机床常备的是RS-232串行接口，其最大的传输波特率为19200bit/s，当计算精度、计算速度F值较大时，程序的传输速度就跟不上机床的节拍，出现进给运动有明显的继续的现象，采用其他方法也不会太大的改观。由于宏程序一般都短小精悍，存储空间一般为3K以下，完全可以存储在数控系统内部。在计算的速度较快，使用宏程序不会出现加工中断续的现象。
最后，CAD/CAM软件生成的程序具有一定的误差，使得对零件加工精度具有很大的影响。误差来源于很多方面，从用户使用的层面上说，使用CAD/CAM软件来生成刀路及程序是非常容易的事，但是剖析CAD/CAM软件计算刀路的原理，就知道它存在一定的弊端。在CAD/CAM软件中，无论构造规则或不规则的曲面都有一个数学运算的过程，也必然存在着计算的误差和处理，而在对其生成三维加工刀路时，软件是根据你选择的加工方式、设定的加工参数，并结合所设定的加工误差（或称为曲面的计算精度），使刀具与加工表面接触点（相交点或相切点）逐点移动完成加工，从本质上看，其实就是在允许的误差值范围内沿每条路径用直线去逼近曲面的过程。例如手工编程中用G02或G03表示圆弧，CAD/CAM生成的程序使用n边形去逼近一个圆。CAD/CAM软件生成的程序除了受NC刀具轨迹的计算精度影响，还受多方面因素的影响，例如受CAD建模时的计算精度的影响、不同软件之间CAD图档的转换精度的影响和后处理环节的影响等。
二、用户宏程序在数控编程加工中的优点
宏功能是数控编程技术的一项关键技术，是提高数控加工性能的一种特殊功能。宏功能的主体是宏程序，由一系列指令组成，宏程序用一个总指令作代号，也称宏指令。其特点是可以对变量得对变量进行运算，用变量执行相应操作，使程序应用更加灵活、方便。
1.宏程序中的变量有局部变量、公共变量、系统变量三种，可满足不同的赋值需求。在宏程中，用事先指定的事变量代替地址符后面直接给出的数值，在调用宏程序或该宏程序本身执行时，给出计算好的变量值，这种使宏程序有广泛的通用性。更改也非常简单，若程序中某数据要更改，只需将相应变量重新赋值即可。
2.在宏程序中已赋值的变量，在后续程序中可被重新赋值，原先的内容被新内容代替，利用数控系纺对变量值进行计算和变量可以理新赋值的特性，使得在进行复杂非圆轮廓的曲线加工中，而不必人工逐点计算，从而用很短的直线或圆弧线段逼近理想轮廓曲线，满足零件加工精度。
3.宏程序中的算术和逻辑计算功能，如：反正运算、指数函数运算、异或运算等，满足了用户不同的计算要求，减少了编程的繁琐计算，使编程更佳快捷、方便。
4.宏程序所具有的转移和循环功能，包括GOTO、IF、WHILE语句，可方便地实现语句的无条件、有条件跳转和重复多次循环减少了编程语句的数量，满足了用户对不同情况的编程要求。
三、宏指令编程实例
实例一：宏指令在壳体类零件数控加工编程中的应用
在工厂实际生产中，常常生产不同型号的同类产品，每一型号的产品都有不同的规格，这些规格不同而型号相同的产品一般结构和形状相似，仅尺寸大小不同。所以其壳体零件也是结构和形状相似，只是尺寸或数量不同。而基本上所有产品的壳体零件，其加工内容无非是轴孔镗削加工、断面铣削加工、连接孔钻削加工，如果对每个规格壳体的零件都去编程，很费时，易出差错，且占用内存空间大。为了提高程序的通用性，可以将同类形状的表面加工采用宏指令编程，加工时给宏程序中的变量赋值就可调用宏程序，大大简化加工程序。例如阀门产品型号很多，然而同一型号的阀门其结构及外形却非常相似，阀体结构基本一样，仅是尺寸大小即规格不同。
如图1所示是D343X-10D蝶阀阀体，加工中心加工，采用0I系统。
（1）变量设定：
#1——第一刀的起始角A，主程序中用对应文字变量A赋值; #3——孔加工循环中R平面值C，主程序中用对应文字C赋值;
#9——孔加工的进给量F，主程序中用对应文字F赋值;
#11——要加工孔的孔数H，主程序中用对应文字H赋值；
#18——加工也所处的圆环半径R，主程序中用对应文字R赋值；
#26——孔深坐标值Z，主程序中用对应文字Z赋值；
#30——当前加工刀的序号i；
#31——当前加工第i孔的角度；
#101——当前加工刀的X坐标值；
#102——当前加工刀的Y坐标值；
（2）程序和说明：
阀门规格为400mm，则d1=400,d4=565,d5=26,d6=515,n=16,
a=22.5°，孔深为32mm。
主程序：
O0010
G40 G49 G80：/程序初始化
G91 G28 Z0.；/Z向回参考点
M03 S4000；/主轴转速1200r/min
G54 G90 G00 X0.Y0./快速回坐标系零点
G43 H01 Z30./给定刀具长度补偿H01并下刀到30mm面
G65 P2000 A22.5 C10 F200 H26 R257.5 Z32；/非模态调用宏程序赋值
M30；/程序结束
子程序
O2000；
N2010 #30=1；/计数值置1
N2020 WHILE［#30 LE ABS［#11］］ D01；/进入孔加工循环体
N2030 #31= #1 + 360 * ［#30-1］/#11；/计算第i孔的角度
N2040 #101 =#18 * COS［#31］；/计算第i孔的X坐标值
N2050 #102 =#18 * SIN［#31］；/计算第i孔的Y坐标值
N2060 G90 G81 G99 X#101 Y#102 Z#26 R#3 F#9；/钻削第i孔
N2070 #30 = #30+1；/计数器对孔序号i技术累加
N2080 END1；/加工循环体结束
N2090 M99；/子程序结束并返回主程序
实例二：宏，指令在椭圆分布不等深孔数控加工编程中的应用
如图2所示，按椭圆规律等角度分布孔的加工程序。其中孔深按如图3所示的正弦曲线Z=5sin（a+30°）-10变化。椭圆长半轴为50mm，短半轴为30mm，第一孔的起始角为15°，相邻两孔与中心线连线的夹角为30°，孔数为12个。
变量设定
#1=（A） /起始角度
#2=（B） /各空间的角度间隔
#3=（C） /椭圆长半轴长
#4=（I） /椭圆短半轴长
#5=（J） /加工孔个数
#9=（F） /进给速度
#11=（H） /加工孔数赋初值
#17=（Q） /G83方式钻孔的每次钻深
#18=（R） /安全平面高度
（2）程序和说明
主程序：
O0504
G40 G49 G80：/程序初始化
G91 G28 Z0.；/Z向回参考点
M03 S4000；/主轴转速1200r/min
G54 G90 G00 X0.Y0./快速回坐标系零点
G43 H01 Z30./给定刀具长度补偿H01并下刀到30mm面
G65 P0503 A15.B30.C50.I30.J12.H1.Q5.R3.F200.；/非模态调用宏程序赋值
M30； /程序结束
宏程序：
O0503；
WHILE［#11LE#5］DO1；/当#11≤#5时，循环1继续#10=#1+#2*［#11-1］； /#11孔所对应的角度
#21=#3*COS［#10］；/#11孔的X坐标值
#22=#4*SIN［#10］；/#11孔的Y坐标值
#23=5*［SIN#10+30］-10；/#11孔Z坐标值
G99 G83 X#21 Y#22 Z#23 R#18 Q#17 F#19；/G83方式钻孔
#11=#11+1；/孔数加1
END1；/循环结束
G00 G80 Z30 /取消固定循环并返回初始平面
M99；/子程序结束并返回主程序
四、结语
利用宏程序可实现同一型号产品采用同一程序加工，也可实现同一零件采用同一程序实现粗精加工，适用于批量小，形状复杂而交货期又短的产品加工，特别是对于复杂空间曲线外形的壳体零件，只能以变量的形式编程，并同宏程序的计算功能来计算刀具轨迹，简化程序的编制。只要加工的产品模型能用基本数学函数构造出来，宏指令编程就是一种简便快捷的可行方法。总之，在数控编程加工中，灵活应用宏指令编程，可以提高编程效率，更好地发挥数控机床高效自动化的作用。
参考文献：
［１］周劲松.巧用宏程序解决复杂零件的数控加工编程问题［J］.现代制造与自动化，2005，（3）.
［２］李建跃，黄登红.宏程序在数控加工中的应用［J］.机械工程师，2004，（4）.
［３］张美山.数控加工中宏程序的开发及应用［J］.机械工程师，2005，（4）.
［４］王华侨.用户子程序及宏程序在模具数控铣削加工编程中的应用［J］.模具工业，2005，（6）.
［５］黄美康主编.数控加工编程［M］.上海：上海交通大学出版社，2004.
［６］张军.基于宏程序的非圆曲线的数控精密加工［J］.机电元件，2004，（4）.
［７］李爱红.CAD/CAM软件在数控加工中的应用［J］.宿州教育学院学报，2007.4：133-134.
［８］韩全立，王宏颖.宏程序在数控编程中的应用技巧及编程实例［J］.机床与液压，2010，（6）：29-31.