毕业设计 宏编程技术探索及其在数控车床中的应用

1、数控技术及应用专业毕 业 设 计 任 务 书武汉职业技术学院机电工程学院二八年四月武汉职业技术学院机电学院毕 业 设 计 任 务 书一、设计题目：宏编程技术探索及其在数控车床中的应用 二、主要内容：以华中数控系统为基础，了解掌握宏编程的技术基础及编程规则。了解宏变量的概念、设置及其赋值运算、算术运算等基本规则。熟悉宏程序的顺序、分支选择和循环控制的三大基本结构。了解在数控加工中使用宏编程的意义。利用宏编程技术解决数控加工中的实际问题。利用宏编程技术简化加工程序。利用宏编程技术实现车削加工的粗、精车削加工。利用宏编程技术实现非圆方程曲线轮廓的加工。利用宏编程技术扩充数控系统的编程加工功能。撰写毕

2、业设计论文。三、考核及评分标准熟悉宏编程规则占30利用宏编程解决数控加工中的实际问题30毕业论文占20毕业答辩占15其他占5四、设计时间和学分：6周、6学分。指导教师： 李艳华 教研室主任： 姜新桥 . 2008年4月5日目录绪论.1第一章 概述 1.1 变量2 1.2 算术运算、逻辑运算与赋值3分支和循环.8宏程序的应用.10第二章 宏程序车削循环.10 .11.12 .12 宏程序编制思路. 13第三章结论与展望.16 .16 .19后记. .20参考文献. . . .21绪论 21世纪，机械制造业的竞争，其实质就是数控技术的竞争，也就是数控人才的竞争。市场急需数控人才，为此各职业院校都加

3、大了数控人才的培养力度，对数控专业教学的课程体系和教学方式也进行了有益的探索和实践。数控机床是采用数控技术进行控制的机床或者说是装备了数控系统的机床。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术、通信技术和精密机械技术等先进技术的典型的机电一体化产品。数控技术是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。数控系统是由用来实现数字化信息控制的硬件和软件组成的系统。软件在硬件的支持下运行，而离开软件，硬件无法工作，两者缺一不可。数控机床和普通机床不同，整个加工过程中不需要人的操作，而由程序来进行控制。在数控机床上加工零件，是给定一系列的指令，形成数控程序，经机床的数控系统进行

4、寄存运算和处理，以此控制数控机床完成工件的全部加工过程。在数控机床中零件加工程序的编制也就是数控编程一般分为手工编程和自动编程两种。而宏程序就是手工编程。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，CAD/CAM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

5、是必须掌握的，特别是其精髓宏程序。第一章 概 述1、宏变量的定义（variables）普通加工程序中指定G代码和移动距离时，直接使用数字值，如：G100和X 100.0。而在自定义宏程序中，数字值可直接指定或使用变量号（称宏变量）。当采用宏变量时，其值可在程序中修改或利用MDI面板操作进行修改。2、变量的表示一个变量由#符号和变量号组成， 如： #i ( i=1,2,3, ) , 也可用表达式来表示变量， 如： #表达式。例：#100 #9/3 #10011在地址号后可使用变量， 如：F#1 若#1Z-#12 若#12G#13 若#13=1.0则表示G013不同数控系统的宏变量1HNC-22数

6、控系统的宏变量HNC数控系统中的宏变量都是以带#的数字作为变量名，如#0，#10，#500等。变量不需要进行数据类型的预定义，根据赋值和运算结果决定变量数据的类型。变量使用范围受到系统分配区段的限制，这主要取决于该变量性质是局部变量还是全局变量。局部变量：赋值定义的变量的有效范围仅局限于本程序内使用，同样的变量名在主、子程序中使用不同的寄存器地址，是互相独立的变量。HNC系统中，#0#49为当前局部变量，#200#899分别为07层局部变量。全局变量：同一变量名在主、子程序中使用同一寄存器地址，可任意调用并因重新赋值而有相互影响的变量。HNC系统中，#50#199为全局变量。HNC系统中，#6

7、00#899为刀具补偿和刀具寿命使用的变量，#1000以上为系统变量，大多为只读性质的变量。HNC系统定义的常量主要有：PI（圆周率）、TRUE （真值1）、FALSE（假0）2FANUC数控系统的宏变量FANUC-0i数控系统在变量规定方面，FANUC的#0为不能赋值的空变量，#1#33为局部变量，#100#199为全局变量且断电后不保存，#500#999为断电也不丢失的全局变量，#1000以上为系统变量。4、宏变量的类型（FANUC系统中）1、在宏指令中，通常使用变量来代替数值，FANUC数控系统中使用#i表示变量。例如：#1、#100等。其中“1”、“100”称为变量号。变量根据变量号可

8、以分为四种类型。如下：a、在FANUC系统中，#0为空变量。该变量总是空，任何值都不能赋给该变量。b、在宏程序中存储数据，例如运算结果。当断电时，局部变量被初始化为空调用宏序时，自变量对局部变量赋值。FANUC系统中#1到#33为局部变量。c、公共变量，在不同的宏程序中的意义相同，如#100到#109、#500到#999。其中变量#500到#999即使断电时，存储的数据也不会丢失。d、系统变量，用于读CNC运行时的各种数据，例如，刀具当前位置和补偿等。#1000以上的变量均为系统变量。2、在宏指令中，HNC数控系统中可以分为四种类型。如下：当前局部变量，为#0#49全局变量，为#50#1990

9、7层局部变量，为#200#899d、系统变量，为1000以上 1.2算术运算、逻辑运算与赋值1、算术运算: 主要是指加、减、乘、除、乘方、函数等。在宏程序中经常使用的算术运算有： （加） （减）* （乘） （除）SIN （正弦）ASIN （反正弦）COS （余弦）ACOS （反余弦）TAN （正切）ATAN （反正切）SQRT （平方根）ABS （绝对值）ROUND （舍入）EXP （指数）LN （对数）FIX （上取整）FUP （下取整）MOD （取余）2、数学和逻辑运算: 可以理解为比较运算，它通常是指两个数值的比较或者关系。在宏程序中，主要是对两个数值的大小进行比较，常用的运算有：EQ

10、（等于）NE （不等于）GT （大于）GE （大于且等于）LT （小于）LE （小于且等于）AND （与）OR （或）NOT （非）函 数格 式备 注remarks赋值 Definition#i=#j求和 Sum求差 difference乘积 Product求商 Quotient#i=#j+#k#i=#j-#k#i=#j*#k#i=#j/#k正弦 sine余弦 cosine正切 tangent反正切 arctangent#i=SIN#j#i=COS#j#i=TAN#j#i=ATAN#J/#k角度用十进制度表示。平方根 Square root绝对值 Absolute value四舍五入 Roun

11、ding off向下取整 Rounding down向上取整 rounding up#i=SQRT#j#i=ABS#J#I=ROUND#J#I=FIX#J#I=FUP#J或 OR异或 XOR与 AND#I=#J OR #K#I=#J XOR #K#I=#J逻辑运算用二进制数按位操作十二进制转换二十进制转换#I=BIN#J#I=BCD#J用于转换发送到PMC的信号或从PMC 接收的信号3、赋值1、赋值赋值是指将一个数据赋予给一个变量。如：#10，则表示#1的值是0。其中#1代表变量，“#”是变量符号（注：根据数控系统不同，它的表示方法可能有差别），0就是给变量#1赋的值。这里的“”号是赋值符号，

12、起语句定义作用。赋值的规律有： 赋值号两边内容不能随意互换，左边只能是变量，右边只能是表达式。一个赋值语句只能给一个变量赋值。可以多次向同一个变量赋值，新变量值取代原变量值。赋值语句具有运算功能，它的一般形式为：变量表达式。在赋值运算中，表达式可以是变量自身与其它数据的运算结果，如：#1#1100，则表示#1的值为#1100，这一点与数学运算是有所不同的。 赋值表达式的运算顺序与数学运算顺序相同。(7) 角度的单位要用浮点表示法。如：30o30用30.5来表示。(8) 不能用变量代表的地址符有：O、N、：、/。其次，辅助功能的变量有最大值限制，比如将M30赋值300显然是不合理的。分支和循环

13、branch and repetition在程序中可用GOTO语句和IF语句改变控制执行顺序。分支和循环操作共有三种类型:GOTO 语句无条件分支（转移）IF语句条件分支;if,thenLE语句 循环；while HNC-22系统宏指令运算符及其结构语句主 要 函 数比较符 / 逻辑符条件判断语句格式循环语句格式SIN-正弦COS-余弦TAN-正切ATAN-反正切ABS-求绝对值INT-取整SIGN-取符号SQRT-求平方根EXP-指数函数比较符= - EQ - NE - GT - GE)G大于等于greater than or equal to()LT小于 less than ()LE小于等

14、于less than or equal to ()3）例程求110的和。O9500;#1=0; 和#2=1； 加数N1 IF#2 GT 10 GOTO2;相加条件#1=#1+#2;相加#2=#2+1;下一加数GOTO1 返回1N2 M30; 结束3 循环WHILE 语句在WHILE 后指定一条件表达式，当条件满足时，执行DO到END之间的程序，(然后返回到WHILE 重新判断条件,)不满足则执行END后的下一程序段。格式： WHILE 条件表达式 DO m; (m=1, 2, 3)处理； END m;While的嵌套对单重DO-END循环体来说，识别号（13）可随意使用且可多次使用。但当程序中

15、出现循环交叉(DO范围重叠)时，产生124号报警。(1)、识别号（13）可随意使用且可多次使用WHILE DO1;ProcessingEND1;WHILE DO1;ProcessingEND1;(2)、DO范围不能重叠WHILE DO1;ProcessingWHILE DO2;END1;ProcessingEND2;(3)、DO循环体最大嵌套深度为三重WHILE DO1;WHILE DO2;WHILE DO3;ProcessingEND3;END2;END1;(4)、控制不能跳转到循环体外WHILE DO1;IF GOTO n;END1;Nn ;(5)、分支不能直接跳转到循环体内WHILE D

16、O1;IF GOTO n;END1;Nn ;宏程序的应用1、 通过下边的程序来看宏程序的应用方法主程序：O0010 G40 G90 G92 X0 Y0 Z0 ; 确定坐标系; N10 G65 P0002 A60 B80 C100 ; 调用宏程序并赋初值; N20 M30 ; 程序结束;子程序：O0020 G01 X#1 Y#2 F#3+#1 ; 子程序运行; N10 M99 ; 返回主程序;上边的程序是将宏程序以调用子程序的方式来实现。在主程序第N10段使用调用宏程序指令G65，并为变量赋初值。A、B、C都是子程序中的变量，A代表子程序中的变量#1，#1赋值为60，B代表子程序中的变量#2，#

17、2赋值为80，C为子程序中的变量#3，#3赋值为100。当程序执行到主程序中G65时，会自动执行子程序，当执行到子程序中X#1时，为自动调用主程序中为其赋的值60，X#1也就相当于X60，Y和F也同样。在使用表达式代表变量时，要用括号将表达式括起来，如以上程序中的F#3+#1。2、 用自变量的自加功能实现循环对于一个程序中某些程序段，因需要进行循环时，只用一个自变量自加功能及IF语句配合跳转语句即可完成。比如下边的程序：N10 G90 G01 X10 ;N20 G91 Y10 ;N30 X15 Y50 ;N40 G90 X0 Y0 ;如果想要将第N20和N30段作为循环体进行循环，只用在第N3

18、0段与第N40段加入以下程序段：#1#11 ;IF#1LT2GOTO20 ;即可实现循环。如果要循环10次，只用更改IF语句为：IF#1LT10GOTO20就可以轻松的实现循环10次，其中#1的初值可以省略。IF的意思为“如果”。上面IF语句的中文意思为：如果变量#1的值小于10，那么跳转到第N20段程序，如果不小于10，那么程序向下执行。3、 加工一椭圆，来说明宏程序的优越性。椭圆长轴为100，短轴为50（如图1）。 图1加工路线为O X Y X Y X O，假如现在要加工内形，它的刀具轨迹如下图（图2） 图2用普通算点的方法来加工这个椭圆显然是不科学的，如果采用编程软件（如MASTERCA

19、M）来生成这个程序的话（设使用10的铣刀，步距取1mm），那么程序长度将在400段左右，对于程序本身的阅读和修改都不是很方便 ，而且也会过多的占用计算机的内存。使用宏程序的话，那么很轻意的就可以解决这个问题，程序如下：O0001 G92 X0 Y0 Z0 S1200 M03 ; 确定坐标系;N10 G01 G41 X50 ; 图1中OX距离;N20 #1=0 ; 将角度设为自变量，赋初值为0;N30 X50*COS#1 Y25*SIN#1 F200 ; XY轴联动的步距;N40 #1=#11 ; 自变量每次自加1O;N50 IF#1LT360GOTO30 ; 如果变量自加后不足360度，则 转

20、到第30段执行，否则执行下一段;（30前不用加行号N）N60 GO G40 X0 ; 撤消刀补，回到起点N70 M30 ; 程序结束。只用很简单的几段程序就可以完成椭圆的加工，在程序中第N20段其实也可以省略，通过上例可以看出，改变刀具流向的程序只有第N30段，这一段也就是椭圆的参数方程。在这个程序中，角度是自变量，每执行到第N40段时，角度自加一度，直至到达360度自动跳转到第N60段。如果我们将自变量的角度改变为度，那么只用改变第N40段为：#1 #1，椭圆的精度提高了很多，步距减小了很多，可它的程序长度并没有因此而改变。即使要将此椭圆轮廓加工多次，至多也只用加两循环语句而已。 上面的程序

21、是依照椭圆的标准参数方程得到，如果依照标准参数方程编写宏程序，那么同样只用短短的几段程序即可以加工出另外的一些曲线。比如：正圆、渐开线、摆线等。有一些非圆曲线虽然没有标准的参数方程，但我们仍可以利用作图法的规律很容易的求出最接近它们的形状，如抛物线，阿基米德螺旋线、正弦曲线等。还有，比如加工圆球类、锥台类、大面积渐近去余量等等都可以使用宏程序，这里不再一一举出。特别值得一提的是，目前有许多回转工作台不支持刀具补偿功能，但是如果运用宏程序，很轻松的就可以弥补这个制造缺陷。 第二章 宏程序车削循环数控车削加工编程的对象是简单的二维图形，车削系统已经提供了非常全面的从粗车到精车的各类功能指令，指令格

22、式简单且实用。对于边廓以直线、圆弧为主的常规零件加工，大多采用手工编程的方法，宏编程技术的优势在车削加工中主要表现在非圆曲线边廓的处理上。FANUC的宏编程只能在非圆曲线轮廓的精车时独立使用，且不能为G71G73的粗车提供参考边廓数据，而HNC精车的程序段若用宏编程，其计算的数据可提供给G71G73作边廓参考依据，这使得HNC的车削宏编程技术更具实用性。使用主、子程序调用的宏编程技术，在调用子程序时可通过宏变量传递参数的功能，易于实现子程序的模块化，整个程序修改起来更简单，程序通用性得到了增强。利用宏编程技术实现如图2-2所示的零件的加工2.1 数学分析建立工件坐标系及相应参数设置如图2-1所

23、示：1.求直线方程由抛物线方程Z=得：X=+故A点X坐标值=+又B点坐标（X，Z）为（D，V）则直线AB斜率K为：K=设AB直线方程为：X=KZ+h坐标（X，Z）为（D，V）得：D=KV+h所以：h=D-KV=DV求椭圆方程椭圆中心坐标为：（V，D+b）由椭圆方程：=1得椭圆在图2-1所示坐标系中方程为： 数学建模根据零件图，我们用数学的方式来分析一下，本利利用宏编程技术的编程思路是用无数段直线逼近轮廓线，把零件划分为四段，此程序以Z为变量，X为函数，各段数模求法如下：当U时由抛物方程得：X=当VZU时由直线AB方程得：X=KZ+h （其中 k，Z以求）当VaZV时由椭圆方程得：故 ： X=W

24、ZV-a时，由图知 X=20变量设置1、为了使程序变量与子程序变量协调起来，即使系统能将当前程序段各字段的内容拷贝到宏执行的局部变量，故在变量设置时，一定要满足宏程序子程序的调用的参数传递规则。本程序在编写过程中所用到的主要宏程序调用传递的字段参数如下：宏程序局部变量宏程序调用时所传送的字段名或系统变量#20U#21V#22W#3D#0A#1B#2C2、此程序中所用到的主要变量及其表达意义如下：变量名称变量意义#10Z坐标#11X坐标#41直线AB的斜率K#42直线AB的截距h#40A点X坐标值 即#43其赋值为 #0椭圆Z方向半轴长度a#1椭圆X方向半轴长度b宏程序编制思路根据本程序变量设置

25、和零件数字建模，现编相应代码如下：由数字建模中x直计算和变量设置变成如下： eq oac(,1) 抛物线x值#11=2*SQRT#10 eq oac(,2) 直线x值#41=#3#40/#21#20#42=#3#41*#21#11=#41*#10+#42 eq oac(,3) 椭圆x值#43=#1021/#0 （椭圆z轴上半径值a，为程序中A值对应）#11=#1*SQRT eq oac(,4) 圆柱面x值#11=20粗车走路线及程序编写例1使用宏编程编制加工如图5-4所示抛物线轮廓的精车程序。抛物线方程为：X2 = -10Z（此处X为半径值）若X用直径值，则抛物线方程应为：X2 = -40Z编

26、程思路：采用循环程序结构，以Z值为循环变量，循环间距0.1（等间距直线逼近法），按照X2 = -40Z来计算每一步的X值，Z值取值范围：（-40 Z 0）参考程序编写如下（直径编程）：O0001T0101G90 G00 X45.0 Z5.0 S600 M3；G90G0X0 Z2 (走到右端的起刀点)G1Z0F200 (走刀到抛物线的起点)#1=-0.1 (循环初值,Z右边界)#2=-40 (循环终值,Z左边界)WHILE #1 GE #2 （循环语句，以Z作循环变量）#3=SQRT-40*#1 (计算X直径值)G01X#3 Z#1 (加工拟合的小线段)#1=#1-0.1 (Z变化一个步长)EN

27、DWG90G0X#3+0.5 (X方向向外退刀0.5) Z5 (退刀到右端外5mm处)M5M30 例2.粗车走刀路线如下图所示，其起刀点坐标（Z，X）为（5，25），刀具从起点开始车削，其车削的工作路线可由多个简单循环组成，简单循环路线可分解为如图所示中的 eq oac(,1)， eq oac(,2)， eq oac(,3)， eq oac(,4)步骤完成，其Z方向每次进刀，即k=。 说明:刀具以G00速度走平行于Z轴的路线为：G90G00Z#10。刀具以G01走平行于X轴路线，其程序指令为G90G01X#11+0.4F1000。刀具以一定倾斜角度退刀，其程序指令为：G90G01X#11+0.

28、5Z#10+0.1。刀具快速提刀，其程序指令为：G90G00X50。由刀具在Z轴方向每次进刀为，其程序指令为#10=#10-0.3。3、精车路线及程序编写刀具以走直线方式沿着零件轮廓走刀，其程序指令为： G90G01X#11Z#10F5000。精车时，每次循环步长为，则用程序指令表达为：#10=#10。2.5粗精车循环的宏程序文件%0001G37T0101G00G90X25Z5S600M03M98P2U10V20W40D10A5B8C1K0.3 (粗车循环方式)M98P2U10V20W40D10A5B8C2K （精车循环方式）M05 （主轴停转）M30 （程序结束并返回）%0002 （子程序）

29、IF #2 EQ 2 （C语言的IF语句）G90G00X0.2Z0.5 (精车前先走到左端面附近的地方)ENDIF#40=2*SQRT#20#41=#3#40/#21#20 (计算斜线段斜率和截距)#42=#3#41*#21WHILE #10 GE #22 （抛物线部分的X轴计算）IF #10 GE #20 #11=2*SQRT#10ENDIFIF #10 LT #20 AND #10 GE #21 （X轴的斜线的计算段）#11=#41*#10+#42ENDIFIF #10 LT #21 AND #10 GE #21#0#43=#10#21/#0#11=#1*SQRT1#43*#43+#3+#

30、1 （X轴的椭圆计算段）ENDIFIF #10 LT #21#0#11=20ENDIFIF #2 EQ 1 （粗车时的走刀路线）G90G00Z#10G01X#11+0.4F1000G01X#11+0.5Z#10+0.1G00X25#10=#10 （粗车时循环步长）ELSE G90G01X#11Z#10F5000 （精车时走刀路线）#10=#10 （精车的循环步长）ENDIFENDW D1G91X1G90G00Z5M99 （退刀，子程序返回）第三章 结论与展望3.1宏编程的优点其一、程序形式中，一般都提供循环、判断、分支和子程序调用的方法，可用于编制各种复杂的零件加工程序。当不具备自动编程辅助手

31、段，数控系统的指令功能有限，但却提供宏程序功能时，熟练应用宏程序指令进行编程，可以显著地增强机床的加工能力，同时可精简程序量。其二、各种数控系统的宏程序格式和用法均有所不同。比如T600M系统使用V1V99来规定变量符号，用V1=，V2=等形式来设定变量和给变量赋值，在调用宏程序时还可传值调用。FANUC3MA数控系统是用#100、#101等来规定变量名，用G65指令按一定的格式来设置变量和赋值。HCNC1M数控系统也是使用#0、#1、#1199等作变量名，直接用#1=、#2=等形式设定变量和赋值。在一个程序中，宏指令和NC系统指令可混合使用，主、子程序的调用关系基本上还是和前面介绍的一样，用

32、M98、M99指令进行。 其三、宏程序有广泛的通用性。在宏指令中，用事先指定的变量代替地址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，这样使宏程序有广泛的通用性，更改也非常简单，若程序中某数据更改，在编程时，用变量表示，更改时，只需将这些变量重新赋值即可。 其四，使用用户宏旨令编程方法增加了程序的柔性，可用同一个程序加工形状相似、不同材料的工件，形状相似的轮廓，按比例对轮廓进行放缩，都可用此方法实现。其五，宏指令编程适用于各种轮廓曲线的编程，充分利用宏指令中的变量及其各种机能，使得该编程方法获得广泛的应用，方便复杂轮廓加工程序的编制，而不必人工逐点计算。本人在探索

33、宏程序编写技术中，深感宏程序的好处。例如第二章中车削零件加工其形状比较复杂，若采用手工编程和自动编程可能反而复杂，采用宏编程比较简单，同时采用宏编程技术可使普遍加工格式，若第二章零件的椭圆长短半轴发生变化，在编程时，只需在原程序上修改相应的参数即可。无疑，采用宏编程技术可以大大缩短编程时间，对尺寸大小不同、同一类型零件加工的程序编写可具有“一劳永逸”的作用。现以在圆周上钻、镗均匀分布的孔为例来进一步说明。如下图3-1所示，在半径为R的圆周上均匀分布n个孔。 图3-11、数学建模n个孔均匀分布，则第i个孔与编程坐标系X轴夹角为=d+360则第i个孔的孔中心在编程坐标系中X、Y值分别如下：=+R（

34、）=+R（）变量设置变量名称变量意义#50圆形坯料圆心点的X坐标#51圆形坯料圆心点的Y坐标#52半径（）#53初始角（a）#54总孔数（n），逆+ ，顺#0执行过程中，计数指示加工的第i个孔#1计数器的终值（|n|=）#2圆周上第i个孔的角度#3第i个孔的X坐标值（）#4第i个孔的Y坐标值（）#12#13#14#10第i个孔#55孔深度#56R平面高度3，程序编制思路由=i/n 和变量设置，可编相应代码为： #12=#53+#10*60/#11*#57（角度单位应转为弧度）由=+和变量设置，可编相应代码为：#13=#50+#52*cos#12由=+rsin和变量设置，可编相应代码为：#14=#51+#52*sin#12孔加工选用G81指令，故程序代码为：G98G90G81X#13Y#14Z#55R#56F500%0015#50=0#51=0#52=100#53=0#54=6#55=-15#56=5G54Z50X0Y0S500M03M98P9010G00Z50X0Y0%9010#10=0#11=ABS#54WHILE #