橢圓宏程序自動編制技術研究*

曹智梅

(廣東松山職業技術學院，廣東 韶關 512126)

數控加工編程一般分為手工編程和自動編程。手工編程編制的程序簡潔明了，識讀性強，程序段少。自動編程通常是借助CAD/CAM軟件來實現，其程序段多，占用內存大，可讀性差。在近年的數控大賽中，數控車床、數控銑床和加工中心都包含橢圓曲線的加工。對于橢圓曲線，數控機床中并沒有提供專門的加工指令。雖然現在越來越多的操作者喜好用CAD/CAM自動編程軟件進行曲線的加工，但由于宏程序具有通用性好、易讀性強、程序段短等優點，在數控加工中仍然占有非常重要的地位。

宏程序使用起來事半功倍，但在真正編寫宏程序時，由于點的坐標表達較繁瑣，編寫過程中極易出錯。本文借助VB軟件，對橢圓加工參數進行了一般表達，將其長半軸、短半軸、加工刀具號、進給率、主軸轉速、坐標位置和坐標旋轉角度等多個參數設置為可輸入的變量。當這些變量發生改變時，程序對應進行自動修改，大大減輕了編程人員的工作量，結合自動編程和手工編程的優勢，在保證程序可讀性的前提下，提高了程序的正確性和編寫效率[1]。

1 橢圓曲線分析

1.1 橢圓參數方程

采用宏程序加工橢圓時，一般采用橢圓參數方程。橢圓的參數方程為：x=acosθ，y=bsinθ。橢圓參數方程中的參數θ是宏程序的編程變量，它控制著橢圓曲線加工的起止點位置。方程中每一個θ對應于一個x和一個y，當θ從0°變化到360°時，就可以求出橢圓上插補點對應的(x,y)坐標，無論加工哪個象限的橢圓，僅需要用一個表達式來表達。

橢圓標準參數方程描述的橢圓中心剛好位于坐標原點，且橢圓的長半軸與X軸坐標重合。當橢圓的中心不與原點重合，且橢圓的長半軸與X軸逆時針成一定角度時，橢圓上點的坐標則需要進一步計算[2]。

1.2 橢圓上點的坐標平移

橢圓圖形位置如圖1所示。圖1a中，已知橢圓中心O′在XOY坐標系中的坐標值為(x0,y0)，橢圓長半軸長度為a，橢圓短半軸長度為b，則橢圓上任意點的坐標可表達為：

x=acosθ+x0

y=bsinθ+y0

a) 橢圓平移

b) 橢圓平移+旋轉

1.3 橢圓上點的坐標旋轉

當橢圓平移后，橢圓長軸雙繞橢圓中心逆時針旋轉角度φ(見圖1b)，則此時需要對橢圓上點的坐標重新計算。

當數控機床具備旋轉指令G68時，旋轉中心為(x0,y0)，旋轉角度為φ，編寫的程序為G68 Xx0Yy0Rφ。若機床沒有可供使用的旋轉指令，則橢圓上點的坐標可表達為：

x=(acosθ+x0)cosφ+(bsinθ+y0)sinφ

y=(bsinθ+y0)cosφ-(acosθ+x0)sinφ

2 編程基礎及變量設置

2.1 宏程序編制基礎

在進行宏程序編制時，要用到變量表達，首先要將圖形上的點的坐標進行數值表達。宏程序主要有程序開頭、程序中間和程序結尾3部分，程序開頭主要是描述加工前的準備狀態，如主軸啟動、換刀、快速定位、冷卻液開關控制等；程序中間部分是整個程序的核心，主要通過循環語句來控制走刀的路線，重點是插補點的坐標計算公式。程序結尾主要是退刀，以及程序結束語句等。

2.2 VB編程基礎

VB是一種可視化編程語言，具備強大的計算功能、輸出功能和控制功能，能很好地完成條件判斷，以及按計劃的輸出。

本程序的界面設計如圖2所示。整個界面分成4個區域，第1個區域為橢圓參數區，將橢圓長半軸、短半軸、橢圓中心點坐標、橢圓旋轉角度等參數進行輸入；第2個區域為加工參數區，主要是將加工過程中的刀具號、主軸轉速、進給率、切削液開關控制等參數進行設定；第3個區域為橢圓圖形顯示區，方便使用者理解各個參數的含義；第4個區域為宏程序生成區，也是整個軟件的結果輸出區，是整個系統界面中的核心區域[3-4]。

圖2 橢圓宏程序自動生成系統初始界面

2.3 編程變量選擇

橢圓曲線參數和切削加工參數都是編程過程中需要設置的變量。

1)橢圓曲線參數主要包括橢圓的定形尺寸和定位尺寸，橢圓的定形尺寸有橢圓長半軸a和短半軸b，橢圓的定位尺寸有橢圓中心位置的坐標x0和y0，橢圓的旋轉角度φ。這些基本參數在加工過程中會隨著具體加工對象的不同而改變，也是會變動的變量，均設置成變量，編程前可以按實際情況進行修改。

2)切削加工參數主要包括刀具號、刀具直徑、轉速和進給率、切削深度以及切削液開關控制等。在加工過程中，切削參數也是需要變化的量，設置好后，可以在自動編程中體現。

2.4 編程變量默認值及參數設置

圖2中，橢圓長半軸長度默認值設置成50，橢圓短半軸長度默認值設置成30，橢圓中心坐標X向平移和Y向平移均默認設置為0，橢圓長軸與X軸旋轉角度默認為0，橢圓插補角度增量也就是橢圓參數方程中的變量θ默認值設置為1；加工參數中刀具號默認值設置為01，主軸轉速默認值設置為2 500，進給率設置為100，切削液默認值設置成開(即M8)。

為了對編程中的變量進行控制，VB程序設計時需要設置10個變量值，即6個橢圓參數、3個加工參數和1個冷卻液控制參數進行對應，編程加工參數設置如下：

Option Explicit

Private Sub Command1_Click()

Dim A1!, B2!, C3!, D4!, E5!, F6!, G7%, H8!, I9%, I%, J10%

List1.Clear

A1 = Val(Text1.Text) '橢圓長半軸

B2 = Val(Text2.Text) '橢圓短半軸

C3 = Val(Text3.Text) '橢圓中心坐標X向平移

D4 = Val(Text4.Text) '橢圓中心坐標Y向平移

E5 = Val(Text5.Text) '橢圓的旋轉角度

F6 = Val(Text6.Text) '橢圓插補角度增量

G7 = Val(Text7.Text) '刀具號碼

H8 = Val(Text8.Text) '主軸轉速

I9 = Val(Text9.Text) '進給率

J10 = 8 '切削液開

3 宏程序自動編程算法及編制

3.1 算法流程圖

整個自動編程算法包含3個部分：第一部分是輸入已知參數，通過已知參數來計算編程的變量。第二部分是VB程序計算，通過橢圓宏程序的部體框架設計，將計算的數值替代程序中的具體位置；第三部分是輸出加工宏程序，將替換完變量的程序進行輸出，同時保證輸出的程序滿足機床輸入標準，可直接用于機床加工[5-6]。其算法流程圖如圖3所示[7-8]。

圖3 算法流程圖

3.2 宏程序段核心部分處理

設置好變量后，應對核心部分進行編寫，具體編寫如下：

If Option2.Value = True Then J10 = 9

List1.AddItem "O0001; " '宏程序名稱

List1.AddItem "G40 G80 G49 G69 G21 G17; " '宏程序初始化

List1.AddItem "G90 G54 G0 X0 Y0 S" & H8 & " M03; " '主軸轉速

List1.AddItem "M6 T" & G7 & "; " '換刀

List1.AddItem "G43 Z50 H" & G7 & " ; " '刀長補正

List1.AddItem "G0 Z5; "

List1.AddItem "#1=0; "

List1.AddItem "#5=" & a1 & "; "

List1.AddItem "#6=" & B2 & "; "

List1.AddItem "G68 X" & C3 & " Y" & D4 & " R" & E5 & "; " '坐標旋轉

List1.AddItem "#7=" & a1 & "+" & C3 & ";" '下刀點位置計算

List1.AddItem "G0 X#7 Y" & D4 & " M" & J10 & "; " '切削液

List1.AddItem "G1 Z-2 F" & I9 & "; " '進給率

List1.AddItem "WHILE [#1 LE 360] DO1 ;"

List1.AddItem "#101=#5*COS[#1]+ X" & C3 & ";"

List1.AddItem "#102=#6*SIN[#1]+ Y" & D4 & ";"

List1.AddItem "G01 X[#101] Y[#102];"

List1.AddItem "#1=#1+1 ;"

List1.AddItem "END1; "

List1.AddItem "G1 Z2 ; "

List1.AddItem "G49 G69 "

List1.AddItem "G0 Z50 M5 M9; "

List1.AddItem "G0 X0 Y0; "

List1.AddItem "M30"

End Sub

3.3 宏程序以文件形式輸出

為了更好地使用編寫的宏程序，可以在“編制程序”按鈕中加入輸出指令，將編寫好的宏程序寫入電腦中，并以a.txt為文件名保存到C盤要目錄中，方便使用者。

Open "c:a.txt" For Output As #1

For i = 0 To List1.ListCount - 1

Print #1, List1.List(i)

Next i

Close

4 宏程序自動編程效果展示

4.1 運行測試

當橢圓參數如圖4所示時，單擊“編制程序”按鈕，編寫的宏程序如圖4所示；可以驗證繪制的宏程序形式正確，內容完整，能直接輸入數控機床進行加工。用不同的數值來測試，其程序的正確性也得到了驗證。橢圓插補角度增量θ可根據實際需要來取值，當加工的橢圓插補誤差偏大時，應適當減小θ的數值。

圖4 橢圓宏程序自動編程系統運行結果

4.2 輸出的完整宏程序

以記事本形式打開C盤根目錄下的a.txt文件，得到的宏程序如下，其程序可以直接傳輸到機床進行數控加工。

O0001;

G40 G80 G49 G69 G21 G17;

G90 G54 G0 X0 Y0 S2500 M03;

M6 T1;

G43 Z50 H1 ;

G0 Z5;

#1=0;

#5=50;

#6=30;

G68 X10 Y20 R10;

#7=50+10;

G0 X#7 Y20 M8;

G1 Z-2 F100;

WHILE [#1 LE 360] DO1 ;

#101=#5*COS[#1]+ X10;

#102=#6*SIN[#1]+ Y20;

G01 X[#101] Y[#102];

#1=#1+1 ;

END1;

G1 Z2 ;

G49 G69

G0 Z50 M5 M9;

G0 X0 Y0;

M30

4.3 改進方向

本程序中，為了研究方便：1)研究的加工對象為完整橢圓，若加工的為橢圓弧，則還需要進一步計算橢圓圓弧起止點的對應參數，并設置成變量，編制程序時應保證從起點到止點為逆時針方向；2)忽略了刀具補償，刀具只沿著軌跡直接進刀，實際加工過程中較多情況下會有刀具補償的情況，程序中需要加入G41或G42指令，下刀點需要從軌跡外部下刀；3)切削深度沒有設置成變量，且在Z方向沒有分層銑削，只切削了一層，接下來要考慮Z向分層加工和XY分層加工。

5 結語

本文在研究宏程序編程的基礎上，應用VB軟件實現橢圓宏程序的自動生成，主要研究工作如下。

1)將橢圓宏程序編寫進行模塊化和規范化處理，將加工過程中需要設置的值進行直觀化變量處理，并給出了通用的自動編程思路和方法。

2)克服了傳統CAD/CAM軟件不能自動生成宏程序的弊端，提高了橢圓宏程序的編寫效率。

3)應用VB軟件的直觀性，結合宏程序的便捷性，由橢圓宏程序作為示例，可以移植到其他曲線的宏程序自動編程，具有較好的借鑒性，極大地方便了工程技術人員，有很高的應用價值和推廣前景。