宏程序在数控铣床编程球面加工中的应用

宏程序在数控铣床编程球面加工中的应用
摘 要：宏程序在生产实践中有着广泛的应用 ，尤其在曲面的编程时更为常用。掌握宏程序在数控编程中的
应用，是数控技术的重要组成部分。文章针 对宏程序在球面加工中的使用，阐述了如何使用变量及高级语
言的表达式编制程序。
关键词：数控编程 宏程序 变量
中图分类号：TP313 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2007)01-02-03
1 引言
在铣床上，数控编 程方式有两种，一是自动编程，二是手工编程。自动编程是指依靠自动编
程软件来完成程序编制，它可以 解决复杂零件的加工问题，但其产生的数控加工程序受多方
面因素的影响，首先受CADCAM 软件在CAD 建模时计算精度的影响，其次，受CADCAM 软件
在生成NC 刀具轨迹时计算精度 的影响，有时后处理环节对其也会有影响，打开一个自动编
程的数控加工程序，可发现程序中几乎都是简 单的圆弧与直线指令的组合，虽然数据很准确，
但很繁琐，几乎无法读懂程序。手工编程是由人工完成零 件的程序编制工作，主要包括零件
图样分析、工艺处理、数据计算、编制程序及输入并校验程序等过程， 相对于自动编程而言，
可以完成的零件相对较为简单，但为什么还要学手工编程呢？对于数控从业人员来 讲，手工
编程是自动编程的基础，在任何时候，手工编程都是必须要掌握，在我国，无论是数控类技能鉴定等级考试或是数控类技能大赛，都不允许使用CADCAM 软件进行自动编程，而只能进
行 手工编程，在企业中，手工编程依然运用于实际生产。特别是宏程序，是手工编程的高级
形式，程序编制 过程中，如果能够精通宏程序的使用，会使程序变得简单，而且其加工精很
高，相对于自动编程产生的数 控加工程序，加工时间也会大大缩短。
2 关于宏程序
2.1 宏程序的定义、特点
在程序中使用变量，通过对变量进行赋值及处理的方法达到程序功能，这种有变量的程序称
之 为宏程序。在一般的程序编制中程序字视为一常量，一个程序只能描述一个几何形状，所
以缺乏灵活性和 适用性；而使用宏程序编程，针对同一类型的编程，只须改动变量数值，不
用重新编程，就可以得到不同 尺寸而几何形状相似的程序具有应用灵活、形式自由的特点；
还具备计算机高级语言的表达式、逻辑运算 及类似的程序流程，使加工程序简练易懂，实现
普通编程难以实现的功能。
2.2 宏程序的作用
由于宏程序允许使用变量、算术和逻辑运算、条件转移以及循环指令，使得编制相同的加 工
操作程序更方便，可将相同的加工操作编为通用程序，如内型腔加工、球面加工等，使用时，
只需通过改变其变量值就可以直接使用，还可以用一条简单指令调出用户宏程序，和调用子
程序一样。 文中关于宏程序的调用不作研究，着重研究怎样使用变量宏程序进行球面加工。
3 宏程序在球面加工实例中的应用
如果不用宏程序，加工球面只能用自动编程完成，但引入宏程序理念就 不同了。在大多数文
章中介绍曲面加工宏程序时，一般只给出曲面精加工宏程序，较少涉及去除体积的粗 加工宏
程序，本文就粗、精加工不同的情况来介绍曲面加工宏程序的数学原理及加工特点。若需要
加工一个半径
R
为25mm 的完整半球面，毛坯是半径R 为30mm 的圆柱体，粗加工用直径为
Ф10mm 的平底铣刀，自上而下以等高线方式逐层铣削，并且由外到内多次完成铣削(当
去除部分宽度大于刀具直径时)。精加工用直径为Ф10mm 球头铣刀，采用自下而上等角度水
平环绕方式精加工。
3.1 粗加工宏程序编制过程

无论需要加工的外球面是一个完整的半球面还是球面的一部分，毛坯为一圆柱体，图1中的< br>阴影部分是使用平底立铣刀进行粗加工时需要去除的部分，自上而下铣削过程如图所示，去
除部分 的宽度逐渐减小，越靠近上方，去除宽度越大当去除部分的宽度大于刀具直径时，则
需由外至内多次完成 每层以G02 方式走刀(顺铣)，设置变量走刀走的次数通过设定变量及循
环语句(WHILE DOm?ENDm)完成，具体操作是：计算出每层要去除的宽度#10，#10 是一变量，
加工过程中每层其值都不一样，将#10 除以步距#6（#6=2*#2*0.8 即刀具直径的80%）并向
上取整得到循环次数#11 ， 再通过设置循环语句(WHILE[〈#11GE0〉] DO2?END2)完成每层
去除宽度的铣削，当加工满足#11 大于零时，继续该内部循环2(从N210— N240)，#11 依次
递减1直至不满足#11 大 于零的条件时则退出循环2，该层加工结束。而要完成整个粗加工程
序，需设置嵌套语句，把起始点刀尖 高度（#8）作为自变量，每次递减#17（每层切深），
当满足加工时刀尖高度小于终止点刀尖高度（ #9）时，继续循环
1(从N140— N280)，直至不满足条件则退出循
环1，粗加工结束。具体作法见如下程序及说明：

图1 自上而上等高体积粗加工
O0001； 程序名
N10 #1=R； 球面圆弧半径
N20 #2=r； 平底立铣刀半径
N30 #3=θ0；（zx 平面）起始角与竖直方向Y 轴夹角，最小值为0°
N40 #4=θ； （zx 平面）终止角与竖值方向Y 轴夹角最大值为90°
N50 #5=#1*SIN[#4]； 所加工球面的横向最大半径
N60 #6=2*#2*0.8；刀间距
N70 #8=#1*COS[#3]；铣削时任意高度刀尖距球心的z 坐标值，赋初值
N80 #9=#1*COS[#4]；终止高度刀尖距球心的z 坐标值
N90 #17=1；每层切削深度
N100 #18=0；z 轴下刀位置，赋初值
N110 G54M03F1000；
N120 G90X0Y0Z30；
N130 WHILE[#8GT#9]DO1；循环1 开始
N140 G00X[#5+#2#1] Y0；快速移动至毛坯外侧

N150 Z[#18+2.]；快速移动到#18 上方2mm.处
N160 G01Z-#18F150；切削进给至当前加工深度
N170 #7=SQRT[#1*#1-#18*#8]；铣削时任意高度刀尖距球心的x 坐标值
N180 #10=#5-#7；铣削时任意高度上要去除部分的宽度
N190 #11=FIX[#10#6]；每层铣削次数（当去除宽度大于刀径时）
N200 WHILE[#11GE0]DO2； 循环2 开始
N210 #12=#7+#11*#6+#2； 每层（刀具中心）在x 方向上移动的x 坐标值
N220 G01X#12Y0F150；每层在x 方向上移动的第一目标点（当去除宽度大于刀径时）
N230 G02I-#12；整圆铣削
N240 #11=#11-1；每层走刀圈数依次递减至零
N250 END2；循环2 结束，最里一圈走完
N260 G00 Z[#1+30.]；安全提刀
N270 #18=#18+#17；循环1 下刀位置
N280 #8=#8-#18；自变量递减#18
N290 END1；循环1 结束
N300 G00 Z[#1+30.]；安全提刀
N310 M05；主轴停转
N320 M30；程序结束
程序中：如果#3=0，#4=90，即对应的是一个完整的半球面。
3.2 精加工宏程序编制过程
从加工工艺上看，精加工球面时，如果选放射状流线加工时，刀具轨迹在球面上 的分布不均
匀，靠近中心间隔过密，而周边相对较疏，加工效果势必不理想，而如果选择水平等高环绕< br>方式加工时，则不存在上述情况，相对而言，加工效果比较理想，所以该球面选择的走刀方
式可以 设置以角度#3 为自变量的等角度水平环绕加工，变量#3 每次递增量为变量#17，即
把要加工的断面圆弧（一般选择XZ 坐标平面）均分成若干段，如每段对应的圆心角#17=
[#4-#3]50=[θ-θ
0
]50，即把圆心角分为50 段，为了提高其加工 质量，在设置角度递增
量（#17）可以小一点，即可多分几段，理论上，角度递增量#17越小，精度 越高，一般最小
值的选取要参考机床的识别精度，也可以根据经验值设定；就加工顺序来讲，自下而上的 上
移式，也比自上而下的下插式更合理，为了减轻接刀痕的影响，最大限度地提高表面加工质
量 ，在每一层刀具开始和结束位置采用了14 圆弧切入和14 圆弧切出的进、退刀方式，设
置圆弧半径为刀具半径，每层均走整圆，整圆半径通过设置变量#5 完成，如图2根据三角系，
可得出#5=#12*SIN#3 关系式，#12（#12=#1+#2） 是球心与刀心连线距离。最后通过设置环
语句（WHILE[〈#3LT#4〉] DO1?END1）控制整个加工过程，当满足加工时#3 小于#4 时，继
续该内部循环1(从N100— N200)，#3 依次递增#17 直至不满足条件#3 小于#4 则退
出循环1，精加工结束。根据以上分析可编制程序如下：

图2 自下而上水平圆弧环绕精加工
O0002；
N10 #1=R；
N20 #2=r；
N30 #3=θ0；（zx 平面）起始角，与Y 轴夹角，最小值为0°
N40 #4=θ；（zx 平面）终止角，与Y 轴夹角，最大值为90°
N50 #17= [#4-#3]50；将圆心角50 等分作为#3 的递增量，；
N60 #12=#1+#2；球心与刀心连线距离
N70 G54M03F1000；
N80 G90X0Y0Z30；
N90 WHILE[#3LT#4]DO1；
N100 #5=#12*SIN#3；铣削时任意高度铣刀球心的x 坐标值
N110 #6=#12*COS#3；铣削时任意高度铣刀球心的z 坐标值
N120 #7=#6-#12；铣削时任意高度铣刀刀尖的z 坐标值
N130 X[#5+#2]Y#2；G00 定位至进刀点
N140 G01 Z-#7F200；
N150 G03X#5Y0R#2F500；圆弧进刀
N160 G02I-#5；
N170 G03X[#5+#2]Y-#2R#2；圆弧退刀
N180 G00 Z[#7+1]；抬刀1mm
N190 Ｙ＃２；移到进刀点
N200 ＃3=#3+#17；
N210 END1；
N220 G00Z[#1+30]；
N230 M05；
N240 M30；
程序中：如果#3=0，#4=90，即对应的是一个完整的半球面。
4.结束语
宏程序编程是数控编程技术的一项关键技术。本文利用宏程序解决了圆球面的编程，宏程序
还可以解决椭 圆球面的编程，采用的方法与圆球面相似，不同之处在X、Y 位置的确定，采
用长半轴、短半轴来代替 单一的圆半径。在面铣、挖槽加工中，利用宏程序可以最大限度的
简化编制程序，也易于检查，提高编程 效率。关于宏程序技术的运用，还有待于我们数控从
业人员的进一步努力探索。
参考文献：
[1] 方 沂.数控编程与操作[M].国防工业出版社，2003.7.
[2] 袁名伟等.宏程序在数控加工中的应用[J].机械制造与自动化，2005.3.
[3] 王贵明.数控实用技术[M]，机械工业出版社，2002.7.
作者简介：成苏群，（1969 年～）女，福州市交通职专教师，中级职称。
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