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基于f a n u co i 数控系统宏程序研究 摘要 随着数控技术以及计算机辅助制造软件的迅速发展，在数控编程方面，手工 编程越来越多的被计算机自动编程所取代，从而使大家慢慢忽略了手工编程特别 是宏程序的重要性，一个宏程序可以很方便地编制三维曲面的加工程序，而且程 序非常简洁，通用性好，对于相同形状、不同尺寸的零件，只要在调用宏程序时赋 不同的数值即可。宏程序的优越性同时体现在孔系加工、口袋及轮廓加工、各类 圆柱面、斜面、内外球面、椭球面及倒r 面加工。本文通过对f a n u co i 系统研 究，以宏程序的理论知识及应用为基础，从宏程序编制的数学基础开始，涉及到 了宏程序的编译，给出了一种典型的可以用于任意宏程序的编译方法，以及用户 宏程序b 的应用，并对其常见问题进行了归纳总结，并以典型车削及铣削实例的 形式加以具体阐述，希望为宏程序的应用及推广起到一定的借鉴作用。 关键词：数控系统、宏程序、手工编程 r e s e a r c ha b o u tt h em a c r op r o g r a mb a s e do i lf a n u c0 i c n c s y s t e m a bs t r a c t a l o n gw i t h 也er a p i d l yd e v e l o p m e n to fc n ct e c h n o l o g ya n dc a ms o f t w a r e m a n u a lp r o g r a m m i n gh a sb e e nm a i n l yr e p l a c e db yc a p s om a n yp e o p l ei g n o r et h e m a p o r t a n c eo im a n u a lp r o g r a m m m ge s p e c i a l l ym a c r op r o g r a m am a c r op r o g r a i rc a n w o r k o u t3 一dc u r v e df a c ep r o g r a me a s i l y , a n dt h ep r o g r a mw i l lb ec o n c i s i o na n dg o o d a tu n i v e r s a lp r o p e r t y i ft h ep a r t sh a v es a m es h a pb u td i f f e r e n td i m e n s i o n , y o uc a nu s e d i f f e r e n tu n i v e n c a lv a l u ew h e nt r a n s f e ram a c r op r o g r a m 。砀ea d v a n t a g eo fam a c r o p r o g r a mc a ni n c a r n a t eo nm a c h i n i n gs u c ha sh o l es y s t e m ，a d u m b r a t i o n , c y l i n d e r ， s p h e r e ，rf a c e 1 1 l i sa r t i c l es t u d y sf a n u c0 ic n cs y s t e m t h a tb a s e do nt h e s p e c u l a t i v ek n o w l e d g ea n da p p l i c a t i o n t h i sa r t i c l ec o m e sd o w nt ot h em a t h e m a t i c a l b a s e m e n t ，e o m p l i e ，a n dp r o v i d e do n et y p i c a lt r a n s l a t i o nm e t h o d ，w h i c hc a nb eu s e dt o a l lt h em a c r op r o g r a ma n db p r o g r a ma b o u tm a c r op r o g r a m a n dt h i sa r t i c l eu s e t w oe x a m p l e s h o p et h i sa r t i c l ew i l lb eu s e f u lf o rt h ea p p l i c a t i o na n de x t e n s i o no f m a c r op r o g r a m k e yw o r d s ：c n cs y s t e m ，m a c r op r o g r a m ，m a n u a lp r o g r a m m i n g 插图清单 图1 - 1 半球曲面构造u v 流线8 图2 - 1 二次曲线图g o 1 3 图2 - 2 双f h j 线图1 4 图2 - 3 抛物线图1 5 图2 - 4 椭球面1 6 图2 - 5 双曲抛物面1 6 图2 5 正五边形几何图1 7 图2 - 6 正五边形倒圆角计算1 7 图2 - 7 正五边形倒圆角简编程1 7 图2 - 8 正五边形内凹圆弧连接之常规计算1 8 图2 9 正五边形外凸圆弧连接之简化编程1 8 图2 1 0 正六边形内凹圆弧连接之常规计算1 9 图2 1 1 正六边形外凸圆弧连接之常规计算2 0 图2 - 1 2 正六边形外凸圆弧连接之简化编程2 0 图2 - 1 3 两圆弧切线连接1 之常规计算2 1 图2 - 1 4 两圆弧切线连接2 之常规计算2 2 图2 - 1 5 特殊轮廓2 2 图2 1 6 不相交的两圆弧间外切凸圆弧连接之常规计算2 3 图2 - 1 7 不相交的两圆弧间外切凹圆弧连接之常规计算2 3 图2 - 1 8 相交的两圆弧间过渡( 反向相交) 之常规计算2 4 图2 - 1 9 相交的两圆弧间过渡( 反向相交) 之简化编程2 5 图3 1 用户宏编译流程图3 1 图3 - 2 车削加工零件图3 2 图5 - 1 手柄零件草图4 7 图5 2 手柄零件三维图4 7 图5 3 数控车削加工现场4 9 图5 4 快餐饭盒凹模的三维实体图5 3 图5 5 快餐饭盒凹模的加紧草图5 3 图5 6 数控铣削加工现场图6 3 表格清单 表卜1 用户宏程序和普通程序的简要对比3 表2 1 直线方程l 表2 - 2 两直线间的位置关系1 1 表2 - 3 圆的方程l2 表2 - 4 椭圆( 极其等距线) 的方程1 3 表2 - 5 双曲线的方程15 表2 6 抛物线的方程l5 表2 - 7 椭球面的方程16 表2 - 8 双曲抛物面的方程1 6 表2 - 9 正五边形极其倒圆l7 表4 - 1f a n u co i 地址与局部变量的对应关系3 6 表4 - 2f a n u co i 参数、g 代码与宏程序号之间的对应关系4 0 表4 - 3f a n u c0 i 参数、m 代码与宏程序号之间的对应关系4 1 表4 - 4f a n u co i 参数、m 代码与宏程序号之间的对应关系4 2 表5 - 1 图5 - 1 工件右端主程序4 9 表5 - 2 图5 - 1 工件右端子程序一5 0 表5 - 3 图5 - 1 工件右端子程序二5 1 表5 - 4 快餐盒凹模的数控加工工序5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金壁王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 一躲粞奇蝴飙一例日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 魍王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期龇年歹月夕e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 辄舻阳广 电话： 邮编： 致谢 时光匆匆，转眼到了即将毕业的时间，三年的学习和生活中，得到了导师 刘志峰教授的悉心照顾和精心指导。在本人写作硕士论文的过程中，导师对内容 提出了许多宝贵意见，并进行了反复认真地修改，在本论文即将完稿之际，我要 向导师表示衷心地感谢! 师者，所以传道、授业、解惑，在这三个方面，导师给了我深深的印记。 每一次的师生之间的交流都使我得益匪浅，他的严谨治学作风，认真负责的工作 精神，谦虚诚恳的态度，为我树立了为人、治学、处事的榜样。尤其是在导师走 上学院领导岗位之后，在百忙之中仍经常对学生进行教诲，更令我深深感动。对 于导师在各个方面的指点和教诲，学生将永远铭刻于心! 衷心感谢大学本科辅导员郑学慧老师，感谢他十多年一如既往对我的关心 和支持，感谢刘明周教授，陈科教授，在研究生学习的过程中，他们给予我大力 支持和耐心指导，为本人顺利完成学业提供了巨大的帮助。 衷心感谢博士研究生陈鹏，硕士研究生尚守峰，他们在我的学习过程中提 供了大量帮助。 感谢我的工作单位开封大学机电工程学院的各位同事。 感谢我的父母、妻子、女儿，是他们的理解、支持和深爱，才使我顺利走 到今天! 作者：朱跃峰 2 0 0 8 4 8 第一章宏程序应用概述 随着现代制造技术的发展和数控机床的日益普及，数控加工技术在我国得到 了广泛的应用，其中相当比例的数控铣床( 包括加工中心) 都应用在模具行业。 由于模具加工的特殊性，以及众所周知的非技术性原因，各种c a d c a m 软件的应 用由来已久，且日趋成熟，从规模较大的各种企业，到那些仅有1 2 台数控铣 床或加工中心的数控“加工店 ，随处可见u g 、c i m a t r o n 、m a s t e r c a m 、p o w e r m i l l 等世界知名c a d c a m 软件的身影。 由于种种因素的影响，目前在各类职业技术学院、技工学校的相关专业教学 中，过分依赖c a d c a m 软件( 主要指数控铣) ，造成学生的编程基本能力得不到 应有的训练和提高，对真正博大精深的c a d c a m 软件也不过掌握一些皮毛，仅停 留在能够应付考级考试，而缺乏工艺知识积累和培训的介质。 在c a d c a m 软件普及应用的今天，手工编程的应用空间日趋缩小，数控界有 一种说法很流行：“宏程序已经没有什么用 ，对此本人不敢苟同。其实任何数控 系统都有很多指令在一般情况下用不着，那它们是否也没用呢? 这显然不对，对 宏程序也是如此，原因只是大家对宏程序不熟悉，往往误以为宏程序深不可测而 已。在实际工作中，宏程序确实也有广泛的应用空间，并且能够方便工人编程， 锻炼工人的编程能力，帮助工人更加深入地了解自动编程的本质。以日本为例， 日本机械行业的自动化、数控化、智能化水平高于中国，c a d c a m 软件应用也很 普遍，但是日本并没有因此而忽略和削弱对编程基本功的要求，无论是数控类技 能鉴定、等级考试或是数控技能大赛，都不允许使用c a d c a m 软件进行自动编程， 而只能进行手工编程( 在机床控制器上直接编程) ，因为在企业的实际生产中手 工编程依然存在，尤其对宏程序的运用也有明确要求。 自动编程产生的数控加工程序的精度受多方面因素的影响。首先它受 c a d c a m 软件在c a d 建模时的计算精度( 还包括不同软件之间c a d 图档的转换精 度) 的影响，其次，受c a d c a m 软件在生成n c 刀具轨迹时的( 逼近) 计算精度 影响，再者，就是后处理( p o s tp r o c e s s ) 环节有时也会对其有影响。打开一个 自动编程产生的数控加工程序，可以发现里面几乎都是直线圆弧简单指令的组 合，虽然数据相当准确，但也相当繁琐，基本上没有办法读懂。 宏程序是程序编制的高级形式，程序编制的质量与编程人员的素质息息相 关，宏程序里应用了大量的编程技巧，例如数学模型的建立、数学关系的表达、 加工刀具的选择，走刀方式的取舍等，这些使得宏程序的精度很高。特别是对于 中等难度的零件，使用宏程序进行编程加工要比自动编程加工快得多，有时自动 编程的程序长度可能是宏程序的几十倍、几百倍甚至更悬殊，加工时间也会大大 增加。宏程序是手工编程，c a d c a m 软件编程是自动编程，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掌握的，特别是其精髓宏程序。 在能应用手工编程的地方尽量不使用自动编程，在必要的地方可以采用自动 编程。由于编写宏程序的过程其实也是一个直接地体现编程者工艺指导思想，衡 量编程者工艺制定水平的过程，宏程序也非常有助于提高数控加工工艺水平。 本文是以f a n u co i 系统来研究宏程序的基础理论知识及应用实例，但并不 是这些内容对于其他数控系统就毫无价值。首先，在宏程序方面f a n u c 系统各系 列不同之处甚微；其次，即使对于f a n u c 以外的其他数控系统( 涉及到系统内部 的参数定义、用法规定等) ，在基本原理和编写语法方面同样有参考价值，例如 f a n u c 系统的宏程序同华中系统的差别就不大，用f a n u c 能编的宏程序，一定可 以转为华中系统识别的宏程序，反之亦然。本文就是针对宏程序的应用展开讨论 的。 1 1 论文来源 本论文来源于第一届全国职业院校技能大赛河南赛区选拔赛，随着国家教育 部对职业教育的重视程度的大幅度提高，以及依托于实践的各类大赛的频繁举 行，对数控技术的要求越来越高，特别是本次比赛，要求参赛选手不仅能够进行 熟练的机床操作、普通手工编程，而且对三维建模以及自动编程也提出了较高的 要求，特别在提到宏程序编制时，各位专家对掌握这类应用能力给出了很高的评 价。 但就目前的应用情况而言，还远没有达到人们期望的应用广度及收到良好的 应用效果，因此本论文以此次大赛为课题来源，对宏程序的理论及应用以实例的 形式加以探讨。 1 2 宏程序与普通程序的对比 一般意义上所讲的数控指令其实是指i s o 代码指令编程，即每个代码的功能 是固定的，由系统生产厂家开发，使用者只需( 只能) 按照规定编程即可。但有 2 时候这些指令满足不了用户的需要，系统因此提供了用户宏程序功能，使用户可 以对数控系统进行一定的功能扩展，实际上是数控系统对用户的开放，也可视为 用户利用数控系统提供的工具，在数控系统的平台上进行二次开发，当然这里的 开放和开发都是有条件和有限制的。 用户宏程序与普通程序存在一定的区别，认识和了解这些区别，将有助于宏 程序的学习理解和掌握运用，表卜1 为用户宏程序和普通程序的简要对比。 表i - i 用户宏程序和普通程序的简要对比 普通程序宏程序 只能使用常量可以使用变量，并给变量赋值 常量之间不可以运算变量之间可以运算 程序只能顺序执行，不能跳转程序运行可以跳转 1 3 数控编程技术的应用现状 众所周知，我国目前被誉为“世界工厂 、“制造大国，这其中以制造业高 度发达的华南( 以珠江三角地区为代表) 和华东( 以上海及江浙地区为代表) 最 具代表性，我国制造工业在飞速发展的同时，与世界制造业先进水平的差距也在 不断缩小。而作为现代制造技术的灵魂及核心，数控加工技术在上述地区得到了 最为广泛的应用：据不完全统计，早在2 0 世纪9 0 年代广东地区所拥有的数控铣 床( 包括加工中心) 数量，已经超出广东以外全国其他所有地区的数控铣床( 包 括加工中心) 数量的总和，十几年后的今天，这种情况已经发生了相当大的变化。 这些地区的数控加工技术的应用水平，在某种程度上也代表了我国数控加工技术 的最高水平。 在我国，六成以上数控铣床( 加工中心) 都是应用在模具行业，由于模具加 工的特殊性和一些非技术性原因，c a d c a m 软件的应用由来已久，且日趋成熟， 从规模较大的各种企业，到那些仅有1 2 台数控铣床或加工中心的数控“加工 店”，随处可见u g 、c i m a t r o n 、m a s t e r c a m 、p o w e r m i l l 等世界知名c a d c a m 软件 的身影。 迄今为止，各类c a d c a m 软件日趋普及，特别是在数控三维曲面加工中，手 工编程几乎已没有用武之地，而由于强大的思维定势和使用习惯，使得编程人员 3 不论程序大小、加工难易，都习惯并乐于使用各种c a d c a m 软件来编程加工。手 工编程似乎遗忘在角落里，大有无人问津之势。 1 4 宏程序编程的技术特点 ( 1 ) 机械零件绝大多数都是批量生产( 除了样品试制，即俗称的“打板 ) ， 在保证质量的前提下要求最大限度地提高加工效率以降低生产成本，一个零件哪 怕仅仅节省1 s ，成百上千的同样零件合计起来节省的时间就非常可观了。另外 批量零件在加工的几何尺寸精度和形状位置精度方面都要求保证高度的一致性， 而加工工艺的优化主要就是程序的优化，是一个反复调整、尝试的过程，这就要 求操作者能够非常方便地调整程序中的各项加工参数( 如刀具尺寸、刀具补偿值、 必须强调的是，尽管使用各种c a d c a m 软件来编制数控加工程序已经成为潮流 ( 或是主流) ，但是手工编程毕竟还是基础，各种“疑难杂症”的解决往往还要 利用手工编程；且手动编程还可以使用变量编程，即宏程序的运用。其最大特点 就是将有规律的形状或尺寸用最短的程序段表示出来，具有极好的易读性和易修 改性，编写出的程序非常简洁，逻辑严密，通用性极强，而且机床在执行此类程 序时，较执行c a d c a m 软件生成的程序更加快捷，反应更迅速。 随着技术的发展，自动编程逐渐会取代手工编程，但宏程序简捷的特点使之 依然具有使用价值，可以认为，宏程序的运用应该是手工编程应用中最大的亮点 和最后的堡垒。 宏程序具有灵活性、通用性和智能性等特点，例如对于规则曲面的编程来说， 使用c a d c a m 软件编程一般都有工作量大，程序庞大，加工参数不易修改等缺点， 只要任何一个加工参数发生任何变化，再智能的软件也要根据变化后的加工参数 重新计算刀具轨迹，尽管软件计算刀具轨迹的计算速度非常快，但始终是个比较 繁琐的过程。而宏程序则注重把机床功能参数与编程语言结合，且灵活的参数设 置也使机床具有最佳的工作性能，同时也给予操作工人极大的自由调整空间。 从模块化加工的角度看，宏程序最具有模块化的思想和资质条件，编程人员 只需要根据零件几何信息和不同的数学模型即可完成相应的模块化加工程序设 计，应用时只需要把零件信息、加工参数等输入到相应模块的调用语句中，就能 使编程人员从繁琐的、大量重复性编程工作中解脱出来。 另外，由于宏程序基本上包含了所有的加工信息( 如所使用刀具的几何尺寸 4 信息等) ，而且非常简明、直观，通过简单地存储和调用，就可以很方便地查看 当时的加工状态，给周期性的生产特别是不定期的间隔式生产带来了极大的便 利。 客观地说，对于主要由大量的不规则复杂曲面构成的模具成型零件，特别是 各种注塑模、压铸模等型腔类模具的型芯、型腔和电极，以及汽车覆盖件模具的 的凸模、凹模等，由于从设计、分析到制造的整个产业链在技术层面及生产管理 上都是通过以各种c a d c a m 软件为核心( 还包括p d m 、c a e 等) 的纽带紧密相联 的，从而形成一种高度的一体化和关联性，无论从哪个角度来看，数控加工的程 序编制几乎百分之百地依赖各种c a d c a m 软件，宏程序在这里的发挥空间是非常 有限的。但是，数控加工领域还有很大一片天空是属于机械零件的批量加工，虽 然同样是数控加工，它与上述的模具类零件的数控加工还是有着相当大差别，机 械零件的数控加工主要有以下特点：层降、步距、计算精度、进给速度等) ，正 如上所述，只要其中任何一项发生变化，再智能的软件也要根据变化后的加工参 数重新计算刀具轨迹，再经后处理生成程序，这个过程非常耗时，且十分繁琐。 显然，宏程序在这方面就有强大的优越性，只要能用宏程序来表述，操作者就根 本无需触动程序本身，而只需针对各项加工参数所对应的自变量赋值做出个别调 整，就能迅速的将程序调整到最优化的状态，这就体现出宏程序的一个突出优点， 即一次调整，终身受益。 ( 2 ) 机械零件的形状主要是由各种凸台、凹槽、圆孔、斜平面、回转面等 组成，很少包含不规则的复杂曲面，构成其的几何因素无外乎点、直线、圆弧， 各种二次圆锥曲线( 椭圆、抛物线、双曲线) ，以及一些渐开线( 常用于齿轮及 凸轮等) ，所有这些都是基于三角函数。解析几何的应用，而数学上都可以用三 角函数表达式及参数方程加以表述，因此宏程序在此有广泛的应用空间，可以发 挥其强大的作用。 ( 3 ) 机械零件还有一些很特殊的应用，即使采用c a d c a m 软件也不一定能 轻易地解决，例如变螺距螺纹的加工、用螺旋插补进行锥度螺纹的加工和钻深可 变式深孔钻加工等，而在这些方面采用宏程序进行相关程序编制却可以发挥它的 优势。 5 1 5 宏程序与c a d c a m 软件生成程序的加工性能对比 任何数控加工只要能够用宏程序完整地表达，即使再复杂，其程序篇幅都比 较精炼，可以说任何一个合理、优化的宏程序，极少会超过6 0 行，换算成字节 数，至多不过2 k b 。 一方面，宏程序短小精悍，即使是最廉价的机床数控系统，其内部程序存储 空间也会有i o k b 左右( f a n u co i 系统的标准配置一般为1 2 8 k b 或2 5 6 k b ，其他 常见的数控系统也与此大体相仿) ，完全容纳得下任何复杂的宏程序，因此根本 无须考虑机床与外部电脑的传输速度对实际加工速度的影响( 目前尚无任何数控 系统或d n c 软件能够支持以d n c 方式运行宏程序进行在线加工) 。 另一方面，为了对复杂的加工运动进行描述，宏程序必然会最大限度地使用 数控系统内部的各种指令代码，例如直线插补g 0 1 指令和圆弧( 螺旋) 插补 g 0 2 g 0 3 指令等。因此机床在执行宏程序时，数控系统的计算机可以直接进行插 补运算，且运算速度极快，再加上伺服电动机和机床的迅速响应，使得加工效率 极高。 而对于c a d c a m 软件生成的程序，情况则要复杂的多： 首先，c a d c a m 软件生成的程序通常都比较大，非常容易突破机床数控系统 内部程序存储空间的限制( 通常地说就是系统装不下程序) ，因此一般来说除了 相对简单的孔系加工、二维轮廓或口袋加工以外，其余绝大部分程序都不得不以 d n c 方式进行在线加工，显然机床与电脑之间的传输速度成为了影响加工速度的 第一个“瓶颈”因素。除了那些机床系统内置硬盘或机床与电脑之间以f d d i 、 以太网等形式进行组网的新型数控机床( 主要是高速加工机床) 之外，目前大多 数的数控铣床力工中心都是通过r s - 2 3 2 口的串口通信来实现d n c 在线加工。 绝大多数主流的中档数控系统，如f a n u co m 、o i ，三菱m 5 2 、m 6 4 ，西门子 8 0 2 d 、8 1 0 d 等系统所支持的r s - 2 3 2 口最大传输波特率为1 9 2 0 0 b i t s ，而大多数 d n c 软件( 如v 2 4 ，p c i n ，a i c 等) 支持的最大波特率多数也不过在1 9 2 0 0 3 8 4 0 0 b i t s ，即使在1 9 2 0 0 b i t s 的波特率下工作，当计算精度较高、进给速度f 值较大( 如f 1 8 0 0 f 2 5 0 0 ) 时，程序传输速率往往跟不上机床的节拍，在实际 加工中可以看到机床的进给运动有明显的断续、迟滞，对于f a n u c 系统，即使打 开d n c 缓冲，或设置g 5 1 1 参数，也难以有大的改观。 实践证明，由于r s - 2 3 2 口通信抗干扰能力有限( 除非在机床及计算机两侧 都采用较昂贵的光电耦合保护电路) ，其传输效果实际上还涉及到传输线是否屏 6 蔽良好、是否长度适中、机床与电脑两端接地是否良好等，波特率越高，传输越 不稳定，实际中往往被迫限制在9 6 0 0 b i t s 甚至更低，如此一来d n c 在线加工方 式下的加工效率便大打折扣。 其次，从用户使用的角度说，使用c a d c a m 软件来生成刀具轨迹及加工程 序是非常容易的事，但是剖析c a d c a m 软件计算刀具轨迹的原理，就知道它存在 一定弊端。在c a d c a m 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具轨迹时， 软件是根据操作者所选择的加工方式、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 渐移动完成加工，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。 这样任意曲面自然都能对付，而且也是完全合理的做法，但是在加工规则曲 面( 如球面) 时，工艺上就出现了一些问题，由于c a d c a m 软件构造曲面的底层 数学模型所限，也由于c a d c a m 软件对曲面生成刀具轨迹的逼近原理所限，在执 行事实上真正的整圆或圆弧轨迹时，软件无法智能地判断这里是“真正的整圆或 圆弧 ，生成的程序并不是g 0 2 g 0 3 指令，而是g 0 1 逐点逼近形成的“圆 可以想像为用正n 边形去逼近一个圆，只不过这个“n ”非常巨大而已。如果整 圆或圆弧是位于g 1 8 或g i o 平面内，更加没有机会生成g 0 2 g 0 3 指令。这也正能 解释为什么c a d c a m 软件生成的程序“天生 就庞大无比。程序执行时，相邻的 每两个逼近点之间数控系统都要进行直线插补运算，系统计算机的工作量巨大， 反映到机床上，必然表现为运动迟钝、不连贯。 如图i - 1 所示，表面上看起来都是同样的半球，但是在c a d 中却有多种不同 的建模方法，图1 - 1 a 是把z x 平面内的一段i 4 圆弧作为母线，以z 轴为轴线 旋转3 6 0 。得出的半球曲面；图l - l b 是把x y 平面内的一段1 2 圆弧作为母线， 以x 轴为轴线旋转1 8 0 。得出的半球面。即使是采用实体造型( 如p r o e 、 s o l i d w o r k s 之类) ，在其底层草图构造的数学机理上，也有类似的差别。 7 b ) 图卜1 半球曲面构造u v 流线 由此可以看出，两种情况下构成半球曲面的u v 流线是截然不同的，各种 c a d c a m 软件在生成半球曲面精加工的刀具轨迹时，也必然存在差别，如果通过 数据接口接收来自其他c a d c a m 软件的c a d 模型，更是如此。简单地说，即使是 被业界普遍认为是最杰出的数控编程设计系统之一的c i m a t r o n 软件，也只有在 极少数情况下( 如图卜l a ) ，并以s u r m i l l 其实是“真正的整圆”，生成的刀具 轨迹本身才是“真正的整圆，后处理出来的程序才都是由g 0 2 g 0 3 指令构成的。 如果使用s r f p k t 、3 0s t e p 等其他走刀方式，则绝对都是用g 0 1 逼近的结果。 再举另外一个很简单的例子，例如用铣刀以螺旋方式加工内圆孔( 在后面的 实例章节中将会作详细介绍) ，使用宏程序不仅程序非常的短( 参见0 0 5 2 1 程序) ， 而且机床实际运行时，执行进给速度f = 2 0 0 0 m m m i n 都可以保持非常均匀、快速 的螺旋运动；而在c i m a t r o n 软件中，即使通过使用外部用户功能生成相似的刀 具轨迹，但刀具轨迹是根据给定的误差值用g 0 1 逐段逼近的实现，其程序就比宏 程序大两个数量级，而且即使把整个程序都存入到机床的控制系统中，机床运行 的实际速度也上不去，当进给速度小于6 0 0 m m m i n 时还不明显，如果f 值设定为 1 0 0 0 m m m i n 左右，就可以看到机床在明显的“颤抖。 对于数控系统支持n u r b s 曲线插补的高速机床来说，如果使用拥有高速加工 功能的c a d c a m 软件来配合编程，当然没有太大的问题；但是对于绝大多数的数 控系统来说始终都是问题。 c a d c a m 软件厂商也意识到这个问题，事实上，各个c a d c a m 软件也提供了 一些其他途径来对此加以改善，但都不是从根本上解决“先天的问题，而是在 后“天“的环节上做文章。众所周知，c a d c a m 软件进行编程的原理是首先生成 一个仅包含纯粹几何意义的刀位点文件( 即刀具轨迹) ，这个过程对于使用者来 说往往是后台的、不透明的，例如p r o e 的c l 文件( c u t t e rl o c a t i o nf i l e ) ， u g 的c l f 文件，m a s t e r c a m 的n c i 文件，c i m a t o r n 的a p t 文件等，然后要经过一 道非常重要的环节即后置处理，才能生成真正的程序。 c a d c a m 软件所能做的，就是在不改变刀位点文件( 即用g 0 1 直线逼近曲线 的刀具轨迹) 的前提下，在后置处理( p o s tp r o c o s s ) 上做文章。例如m a s t e r c a m 软件后处理的环节中，允许使用者设定最小半径值和最大半径值来生成g 0 2 g 0 3 指令，其实就是用g 0 2 g 0 3 来逼近( 准确说应是“拟合 ) 相邻的若干段直线段， 以达到减少程序字节，提高机床实际运行速度的目的。 c i m a t r o n 软件也是采用相似的做法，即使用者不用通常使用的g p p 后置处 理，而是用另外一个非常专业的后置处理软件i m s ，这是第三方软件，可以外挂 在众多的知名c a d c a m 软件上运行，使用者可以根据自己的需要设置最适合自己 的后置处理选项，不过一般的软件用户很少拥有运行i m s 软件的权限。本文针对 c i m a t r o n 软件的g p p 和i m s 两种处理进行过研究，并结合真实加工测试，所获 得的结论是：改善较大，但不能从根本上解决问题。 9 在后置处理上做文章有一个根本的弊端：它并没有改变、改良或优化刀具本 身，只是增加了一个“二次逼近的计算过程，因而必然会导致额外的误差积累， 也无法从根本上解决问题。 1 6 论文架构 基于以上的对比分析，本文从以下几个方面展开论述： 首先，通过对宏程序的应用及其基础理论的简介引出本文对宏程序的研究和 讨论。 其次，对宏程序的译码实现，以实例的形式给出本论文的一些独到看法，即 用c 语言，通过在循环嵌套中两次调用逻辑判断函数l o g i c j u d g e0 ，简单有效 的实现了对各种宏指令的处理。 再次，以f a n u c 为例，对用户宏程序b 的调用做了讨论，对非模态调用指令 g 6 5 进行了详细分析，总结了多项应用经验；同时对模态调用指令g 6 6 以及m 调 用指令和t 调用指令的使用都做了一定的归纳总结。 最后，以实例的形式，具体表现了其应用过程，充分体现出宏程序应用相对 其他编程方式的优越性，同时体现出宏程序在生产应用中的巨大潜力。 l o 2 1 解析几何基础 第二章宏程序应用的数学基础 宏程序的应用离不开相关的数学知识，其中三角函数、解析几何是最主要、 最直接的数学基础，要编制出精良的加工用宏程序，一方面要求编程者具有相关 的工艺知识和经验，即知道确定合理的刀具、走刀方式等，另一方面也要求编程 者具有相应的数学知识，即知道如何将上述的意图通过逻辑严密的数学语言配合 标准的格式语句加以表达出来。下面列出了本文所应用到的几种直线和曲面方 程。 2 1 1 直线和圆 1 直线方程见表2 - 1 表2 - 1 直线方程 类别表达式 点斜式 y - y l = k ( x x 1 ) 斜截式y = 缸+ b 两点式 ! 二z ! ：查二苎 y 2 一j ，lx 2 一x 1 一般式a x + b y + c = o 备注在一般图形表达中，点斜式及两点式应用机会较多 2 两直线关系见表2 - 2 表2 - 2 两直线间的位置关系 类别直线方程表达式充分条件关系表达式 p 平行 i t ：y = 七l z + 6 lk l = k 2 且6 l b 2 z 2 ：y = 七2 x + b 2 垂直 ：y = k x + b l k l k 2 = l ，2 ：y = k e x + 6 2 夹角a ( 锐角)z l ：y = k x + 包 t a i lq = k l k 2 1 + 局屯 ，2 ：y = k 2 x + b 2 交点 厶：a i x + b l y + c i = 0 解方程组 ，鸣工+ 岛y + ， z 两平行线之间的距离 a x + b y + c l = 0 d ：匡z c - i a x + b y + c 2 = 0 爿2 + b 2 点到直线距离公式 点：p ( x o ，r o ) d ：l 出。+ 缈。+ c i 直线：a x + b y + c = 0 彳2 + b 2 两点间的距离 点1 ：p - ( x l ，k ) d = ( x 2 一而) 2 + ( y 2 一咒) 2 点2 ：p 2 ( x ：，e ) 3 圆的方程见表2 3 表2 - 3 圆的方程 类别表达式备注 圆心：( a ，b ) 标准方程 ( x 一口) 2 + ( y 一6 ) 2 = ，2 半径：r 圆心：( - d ，- o ) 一般方程x 2 + y 2 + 2 d x + 2 e y + f = 0 半径：r = x d2 + e 2 一f x = 厂( 矽) z = a + r c o s 秒 圆心；( a b ) 参数方程 y = 厂( 口) _ y = b + ，s i n0 半径：r 极坐标方程 ，2 2 r r o c o s ( o o o ) + r 0 2 = r 2 圆心：( r o ，口o ) ( r ，0 ) 半径：r = r 二次曲线的定义是：从动点p 到定点f 的距离p f 与到定直线1 的距离p h 之比为定值，即p f ：p h = e 。如果 l ，则动点p 的轨迹为双曲线。 这时，定点f 称为焦点，定比e 称为离心率，定直线1 成为准线。椭圆和双 曲线( 及其退化形式) 称为有心二次曲线，抛物线( 及其退化形式) 称为无心二 次曲线。 二次曲线的立体几何上都是由一平面以不同角度与标准圆锥面相割而得到 的截面线，又被称为圆锥曲线。在工程实践中，二次曲线的应用是非常广泛的。 在宏程序的应用中，应特别关注二次曲线的标准方程和参数方程，见表2 - 4 ， 表2 6 。 1 2 2 1 2 二次曲线( 椭圆、双曲线、抛物线) 图2 - 1 二次曲线图 表2 - 4 椭圆( 及其等距线) 的方程 椭圆的方程式 类别 表达式 标准方程 事+ 詈= - 中心0 ( o ，o ) 顶点a ，b ( a ，0 ) 顶点c ， 说明 d ( o ，b ) 焦距= 2 cc = o f l = o f 2 = 石【矿 离心率e= o f l a = 石可a ( 1 ) 参数方程( 直角坐标) x = 厂( p ) x = 口c o s p ( o r x = a s e c0 ) ( 0 叫双曲线的离心角) y = ( 护) 一j ，= b t a n o 极坐标方程 焦点f l 为极点，f i x 为极轴叫，= p ( 1 一e g o s 功 ( p 为焦弦之半) 焦点f 2 为极点，f 2 x 为极轴一，= p ( 1 + 8 c o s 功 f y i l p 书i 图2 - 3 抛物线图 表2 - 6 抛物线的方程 类别表达式 标准方程 y 2 = 2 p x 焦距o f ，离心率 = o f = p 2 ( = 1 ) 参数方程( 极坐标)f 为极点，f ) 【为极轴叫r = p ( 1 一c o s0 ) ( p 为焦弦之半) 2 1 3 ( 空间) 二次曲面( 椭球面双曲抛物面等) 1 5 在空间解析几何中，由以下一般方程所表示的曲面称为二次曲面： a i i x 2 + a 2 2 y 2 + 口3 3 2 2 + 2 a 1 2 砂+ 2 a 2 3 y z + 2 a 3 1 z x + 2 a 1 4 x + 2 a 2 4 y + 2 a 3 4 z + a 4 4 = 0 经过适当的坐标转换可使二次曲面变为各种标准形式( 或称为特例) ，在数 学上共有十几种，结合数控加工的实际情况本处只介绍其中两种比较典型的曲 面，即椭球面和双曲抛物面( 见表2 7 和表2 8 ) 。 表2 - 7 椭球面的方程 表2 8双曲抛物面的方程 标准方程( 直角坐标) 一x 2 2 p + y 2 2 q = z ( p 和q 同号) 其中“常规计算”是指最基本的逐点坐标计算方法，“简化编程”是指采用 f a n u c 系统简化编程功能中的“任意角度倒角和拐角圆弧过度指令功能。 2 2 典型几何图形计算图解 2 2 1 正多边形及其简单衍生图形( 见表2 9 ) 图2 - 6 正五边形倒圆角计算 2 - 7 正五边形倒圆角简编程 1 7 2 2 2 正多边形圆弧连接类图形( 见图2 8 图2 - 1 2 ) b 艮乏 江鼍 |i jl 、 图2 - 8 正五边形内凹圆弧连接之常规计算 已知rr l r 2 求解切点c ，d 坐标 o a b 中，已知0 a - r ， a b = r 2 一r 1 ， 么a o b = 9 0 + 3 6 + 1 8 = 1 4 4 利用正弦定理可求出角度a = a r c s i n ( o a s i n l 4 4 a b ) 角度0 = 么o a b = 1 8 0 1 4 4 一a 已知：o a = 1 8 点a 坐标可求：x a = r c o s l 8 ， y a = r s i n l 8 已知：o a ，1 8 ，e切点c ，d 坐标可求x a = r c o s l 8 ， y a = r s i n l 8 x d = x a + r l c o s ( 1 8 + 0 ) y d = y a + ( r i ) s i n ( 1 8 + 0 ) x c = x a + r l c o s ( 1 8 0 )y c = y a + ( r i ) s i n ( 1 8 - 0 ) 心 跎i z 烈 f | 口 浏 | | | l k 镥 b 图2 - 9 正五边形外凸圆弧连接之简化编程 1 8 已知 rr 1r 2 求解( 大圆弧r 2 之交点坐标) o c 0 a b 中，已知o a = r ，a b = r 2 一r 1 ， 么a o b = 9 0 + 5 4 = 1 4 4 利用正弦定理角度a = a r c s i n ( o a s i n l 4 4 a b ) a b c 中，已知么c a b = 1 4 4 + a ，a b = r 2 一r 1 ，b c = r 2 利用正弦定理角度b = a r c s i n ( a b s i n 么c a b b c ) 角度么a b c = 1 8 0 么c a b - b 利用余弦定理可求出a c 平方= a b 平方+ b c 平方一2 a b b c c o sz a b c o c = o a + a c = r + a c 厌 、 臻么黛汰 累人j 一_ f 7 咚 图2 - 1 0 正六边形内凹圆弧连接之常规计算 已知rr 1r 2 求解切点cd 坐标 o a b已知o a = ra b = r i + r 2 ， 么a o b = 3 0 利用正弦定理角度a = a r c s i n ( o a s i n 3 0 a b ) 角度么0 a b = 1 8 0