数控车床宏程序编程模板在数控大赛中的应用
数控车削加工中公式曲线宏程序编程模板在数控大赛中的应用
应用宏程序变量编程，对可以用函数公式描叙的工件轮廓或曲面进行数控加工，是现代数控系统一个重要的新功能和新方法，也是第二届全国数控技能大赛实操考试主要考核点之一。但是，在一些地方的数控技能大赛中，数控宏程序编程的普及和应用还有待进一步提高。例如：用数控车床加工公式曲线轮廓时，常需要使用宏程序，而很多数学和高级语言基础较差的学生往往很难掌握好。
以配置华中世纪星HNC-21TD系统的数控车床为例，在加工零件公式曲线轮廓时，使用粗加工循环指令结合精加工宏程序可以方便快捷地完成零件的粗精加工。现按照实际编程的顺序步骤，结合三个实例，将公式曲线精加工宏程序模板的原理和使用办法介绍如下：
一、公式曲线宏程序编程模板的原理和使用步骤
1、如何选定自变量
1）公式曲线中的X和Z坐标任意一个都可以被定义为自变量，
2）一般选择变化范围大的一个作为自变量，如图1，椭圆曲线从起点S到终点T，Z坐标变化量为16，X坐标变化量从图中可以看出比Z坐标要小得多，所以将Z坐标选定为自变量比较适当。实际加工中我们通常将Z坐标选定为自变量。
3）根据表达式方便情况来确定X或Z作为自变量，如图3，公式曲线表达式为Z=0.005X3，将X坐标定义为自变量比较适当。如果将Z坐标定义为自变量，则因变量X的表达式为，其中含有三次开方函数在宏程序中不方便表达。
4）为了表达方便，在这里将和X坐标相关的变量设为#1、#11、#12等，将和Z坐标相关的变量设为#2、#21、#22等。实际中变量的定义完全可根据个人习惯进行定义。
2、如何确定自变量的起止点的坐标值
该坐标值是相对于公式曲线自身坐标系的坐标值。其中起点坐标为自变量的初始值，终点坐标为自变量的终止值。
如图1所示，选定椭圆线段的Z坐标为自变量#2，起点S的Z坐标为Z1=8，终点T的Z坐标为Z2=-8。则自变量#2的初始值为8，终止值为-8。
如图2所示，选定抛物线段的Z坐标为自变量#2，起点S的Z坐标为Z1=15.626，终点T的Z坐标为Z2=1.6。则#2的初始值为15.626，终止值为1.6。
图1 含椭圆曲线的零件图 图2 含抛物线的零件图
如图3所示，选定三次曲线的X坐标为自变量#1，起点S的X坐标为X1=28.171-12=16.171，终点T的X标为X2==7.368。则#1的初始值为16.171，终止值为7.368。
3、如何进行函数变换，确定因变量相对于自变量的宏表达式
如图1，Z坐标为自变量#2，则X坐标为因变量#1，那么X用Z表示为：
分别用宏变量#1、#2代替上式中的X、Z，即得因变量#1相对于自变量#2的宏表达式：
如图2，Z坐标为自变量#2，则X坐标为因变量#1，那么X用Z表示为：
分别用宏变量#1、#2代替上式中的X、Z，即得因变量#1相对于自变量#2的宏表达式：
如图3，X坐标为自变量#1，因Z坐标为因变量#2，那么Z用X表示为：
Z=0.005*X*X*X
分别用宏变量#1、#2代替上式中的X、Z，即得因变量#2相对于自变量#1的宏表达式：
#2=0.005*#1*#1*#1
4、如何确定公式曲线自身坐标系原点对编程原点的偏移量（含正负号）
该偏移量是相对于工件坐标系而言的。
如图1所示，椭圆线段自身原点相对于编程原点的X轴偏移量ΔX=15，Z轴偏移量△Z=-30
如图2所示，抛物线段自身原点相对于编程原点的X轴偏移量ΔX=20，Z轴偏移量△Z=-25.626
图3 含三次曲线的零件图
如图3所示，三次曲线段自身原点相对于编程原点的X轴偏移量ΔX=28.171，Z轴偏移量△Z=-39.144
5、如何判别在计算工件坐标系下的X坐标值（#11）时，宏变量#1的正负号。
1）根据编程使用的工件坐标系,确定编程轮廓为零件的下侧轮廓还是上侧轮廓：当编程使用的是X向下为正的工件坐标系，则编程轮廓为零件的下侧轮廓，当编程使用的是X向上为正的工件坐标系，则编程轮廓为零件的上侧轮廓。
2）以编程轮廓中的公式曲线自身坐标系原点为原点，绘制对应工件坐标系的X＇和Z＇坐标轴，以其Z＇坐标为分界线,将轮廓分为正负两种轮廓，编程轮廓在X＇正方向的称为正轮廓，编程轮廓在X负方向的称为负轮廓；
3）如果编程中使用的公式曲线是正轮廓，则在计算工件坐标系下的X坐标值（#11）时宏变量#1的前面应冠以正号，反之为负。
如图1所示，在X向下为正的前置刀架数控车床编程工件坐标系下，编程中使用的是零件的下侧轮廓，其中的公式曲线为负轮廓，所以在计算工件坐标系下的X坐标值#11时宏变量#1的前面应冠以负号。
如图2所示，在X向下为正的前置刀架数控车床编程工件坐标系下，编程中使用的是零件的下侧轮廓，其中的公式曲线为负轮廓，所以在计算工件坐标系下的X坐标值#11时宏变量#1的前面应冠以负号。
如图3所示，在X向下为正的前置刀架数控车床编程工件坐标系下，编程中使用的是零件的上侧轮廓，其中的公式曲线为负轮廓，所以在计算工件坐标系下的X坐标值#11时宏变量#1的前面应冠以负号。
6、如何套用宏编程模板
1）设Z坐标为自变量#2，X坐标为因变量#1，自变量步长为ΔW，则公式曲线段的精加工程序宏指令编程模板如下：
#2=Z1 （给自变量#2赋值Z1：Z1是公式曲线自身坐标系下起始点的坐标值）
WHILE #2 GE Z2 （自变量#2的终止值Z2：Z2是公式曲线自身坐标系下终止点的坐标值）
#1=f（#2） （函数变换：确定因变量#1（X）相对于自变量#2（Z）的宏表达式）
#11=±#1+ΔX （计算工件坐标系下的X坐标值#11：编程中使用的是正轮廓，#1前冠以正，反之冠以负；ΔX为公式曲线自身坐标原点相对于编程原点的X轴偏移量。）
#22=#2+ΔZ （计算工件坐标系下的Z坐标值#22：ΔZ为公式曲线自身坐标原点相对于编程原点的Z轴偏移量）
G01 X[2*#11] Z[#22]（直线插补，X为直径编程）
#2=#2-ΔW （自变量以步长ΔW变化）
ENDW （循环结束）
2）设X坐标为自变量#1，Z坐标为因变量#2，自变量步长为ΔU，则公式曲线段的精加工程序宏指令编程模板如下：
#1=X1 （给自变量#1赋值X1：X1是公式曲线自身坐标系下起始点的坐标值）
WHILE #1 GE X2 （自变量#1的终止值X2：X2是公式曲线自身坐标系下终止点的坐标值）
#2=f（#1） （函数变换：确定因变量#2（Z）相对于自变量#1（X）的宏表达式）
#11=±#1+ΔX （计算工件坐标系下的X坐标值#11：编程使用的是正轮廓，#1前冠以正，反之冠以负。ΔX为公式曲线自身坐标原点相对于编程原点的X轴偏移量。）
#22=#2+ΔZ （计算工件坐标系下的Z坐标值#22：ΔZ为公式曲线自身坐标原点相对于编程原点的Z轴偏移量）
G01 X[2*#11] Z[#22] （直线插补，X为直径编程）
#1=#1-ΔU （自变量以步长ΔU变化）
ENDW （循环结束）
二、公式曲线宏程序编程模板的具体应用实例
运用以上公式曲线宏程序模板，结合粗加工循环指令，就可以快速准确实现零件公式曲线轮廓的编程和加工。具体应用示例如下：
例1：如图1所示零件的外轮廓粗精加参考程序如下（设毛坯为直径25毫米的棒料）：
%0001（程序头）
T0101（调用01号外圆刀及01号刀具偏置补偿）
G90 M03 S700（绝对值编程；主轴以700转/分正转）
G00 X33 Z2（快速定位到粗加工循环起点）
G71 U1 R0.5 P10 Q20 X0.6 F100（外径粗车循环）
N10 G01 X10 F60 S1000（精加工起始程序段）
Z-10
X24
Z-22（公式曲线起点）
#2=8（设Z为自变量#2，给自变量#2赋值8：Z1=8）
WHILE #2 GE [-8]（自变量#2的终止值-8：Z2=-8）
（因变量#1：，用#1、#2代替X、Z）
#11=-#1+15（工件坐标系下的X坐标值#11：编程使用的是负轮廓，#1前冠以负；ΔX=15）
#22=#2-30（工件坐标系下的Z坐标值#22：ΔZ=-30）
G01 X[2*#11] Z[#22]（直线插补，X为直径编程）
#2=#2-0.5（自变量以步长0.5变化）
ENDW（循环结束）
N20 G01 Z-50(精加工终止程序段)
G00 X100 Z80(快速定位到退刀点)
M30(程序结束)
例2：如图2所示零件的外轮廓粗精加参考程序如下（设毛坯为直径33毫米的棒料）：
%0002（程序头）
T0101（调用01号外圆刀及01号刀具偏置补偿）
G90 M03 S700（绝对值编程；主轴以700转/分正转）
G00 X33 Z2（快速定位到粗加工循环起点）
G71 U1 R0.5 P10 Q20 X0.6 F100（外径粗车循环）
N10 G01 X10 F60 S1000（精加工起始程序段）
Z-10
X15（公式曲线起点）
#2=15.626（设Z为自变量#2，给自变量#2赋值15.626：Z1=15.626）
WHILE #2 GE 1.6（自变量#2的终止值1.6：Z2=1.6）
（因变量#1：，用#1、#2代替X、Z）
#11=-#1+20（工件坐标系下的X坐标值#11：编程使用的是负轮廓，#1前冠以负；ΔX=20）
#22=#2-25.626（工件坐标系下的Z坐标值#22：△Z=-25.626）
G01 X[2*#11] Z[#22]（直线插补，X为直径编程）
#2=#2-0.5（自变量以步长0.5变化）
ENDW（循环结束）
N20 G01 Z-35(精加工终止程序段)
G00 X100 Z80(快速定位到退刀点)
M30(程序结束)
例3：如图3所示零件的外轮廓粗精加参考程序如下（设毛坯为直径57毫米的棒料）：
%0003（程序头）
T0101（调用01号外圆刀及01号刀具偏置补偿）
G90 M03 S700（绝对值编程；主轴以700转/分正转）
G00 X57 Z2（快速定位到粗加工循环起点）
G71 U1 R0.5 P10 Q20 X0.6 F100（外径粗车循环）
N10 G01 X20 F60 S1000（精加工起始程序段）
Z-13
X24
Z-18（公式曲线起点）
#1=16.171（设X为自变量#1，给自变量#1赋值16.171：X1=16.171）
WHILE #1 GE 7.368（自变量#1的终止值7.368：X2=7.368）
#2=0.005*#1*#1*#1（因变量#2：，用#1、#2代替X、Z）
#11=-#1+28.171（工件坐标系下的X坐标值#11：编程使用的是负轮廓，#1前冠以负；ΔX=28.171）
#22=#2-39.144（工件坐标系下的Z坐标值#22：△Z=-39.144）
G01 X[2*#11] Z[#22]（直线插补，X为直径编程）
#1=#1-0.5（自变量以步长0.5变化）
ENDW（循环结束）
G01 X50 R2
Z-42.144 R2
X56
N20 Z-55((精加工终止程序段)
G00 X100 Z80(快速定位到退刀点)
M30(程序结束)
以上例题都在配置华中世纪星HNC-21TD系统的数控车床上实际运行通过。如果使用配置其它数控系统的数控车床，也只需简单修改个别语句，公式曲线宏程序编程模板即可使用。现在将这个编程模板公布出来，共同探讨并且提出宝贵意见，为我国数控技能人才培养和数控技术发展做出更大的贡献！
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