FANUC经典曲面宏程序讲解实例

本科生毕业论文（设计）题目：基于FANUC曲面加工研究

专业代码：机械设计制造及其自动化（080301）

作者姓名：孙士彬

学号： 2008300971 单位汽车与交通工程学院

指导教师：王峰波

2010年5月24日

原创性声明

本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的相应责任。

学位论文作者签名：日期

指导教师签名：日期

摘要

自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。而作为现代制造技术的灵魂及核心，数控加工技术也得到了广泛的应用，各类CAD/CAM软件的应用日趋普及，特别是在数控三维曲面加工中手工编程几乎已无用武之地，在学习手工编程时只是简单地学习基本的编程指令，对宏程序也是如此。原因是大家对宏程序不熟悉，往往以为宏程序深不可测。在实际工作中，宏程序确实有着广泛的应用空间，并且能够方便编程。

本文主要阐述了数控车床与数控铣床的简介。并着重介绍车削椭圆，抛物线，铣削正弦线，凸棱台及行腔模具等具体实例的加工，来表述手工宏程序在数控车床与数控铣床的应用。

关键词：数控编程、宏程序、数控车床、数控铣床、加工实例

Abstract

Since 1952, Massachusetts Institute of Technology developed the world's first CNC machine tools since the CNC machine tools in manufacturing industry, especially in the automotive, aerospace, and military industry has been widely used, numerical control technology both in hardware and software have rapid development. As the soul of modern manufacturing technology and core, CNC machining technology has been widely used, various CAD / CAM software applications become increasingly popular, especially in CNC machining three-dimensional surface is almost no longer useless manual programming, learning programming by hand simply to learn basic programming instructions on the macro as well. This is because the procedures are not familiar to the macro, that macro is often unpredictable. In practice, the macro does have broad application space, and can be easily programmed.

.This article focuses on a CNC lathe and CNC milling machine was introd uced. With an emphasis on turning ellipse, parabola, sine milling line, convex bevel and the line-cavity mold and other specific examples of the process, to express the manual macro program CNC lathes and CNC milling machine applications. Keywords:: control programming, program, CNC lathes, CNC milling, processing examples

目录

绪论 (3)

1 数控机床与宏程序 (5)

1.1数控机床的简要介绍 (5)

1.2宏程序与普通程序的对比 (6)

1.3宏程序应用基础 (6)

1.3.1变量分类与运算判断 (7)

1.3.2流向与控制 (8)

2 数控车床部分 (12)

2.1数控车床简介 (12)

2.2加工带椭圆零件 (13)

2.2.2刀具的选择编制加工工艺 (13)

2.2.3FANUC数控手工编程 (14)

2.2.4仿真校验 (16)

2.3加工带抛物线零件 (17)

2.3.1零件图的分析 (17)

2.3.3刀具的选择编制 (18)

2.3.4加工步骤 (18)

2.3.4FANUC编程及仿真 (18)

2.3.5仿真校验 (21)

3 数控铣床部分 (21)

3.1数铣与加工中心(FANUC)介绍 (21)

3.2零件1（正弦线）的加工 (23)

3.2.1刀具的选择编制加工工艺 (23)

3.2.2FANUC手工编程 (23)

3.2.3仿真校验 (24)

3.3零件2（五角形棱台）的加工 (25)

3.3.1刀具的选择编制加工工艺 (26)

3.3.2FANUC手工编程 (26)

3.3.3仿真校验 (28)

3.4零件3（型腔模具加工）的加工 (29)

3.4.1分析图形及计算各平面尺寸 (29)

3.4.2刀具与夹具的选择 (30)

3.4.3FANUC编程及仿真较 (30)

3.4.4仿真校验 (33)

4 程序与CAD／CAM软件生成程序的加工性能对比 (34)

总结 (36)

参考书目 (37)

致谢 (38)

绪论

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CAD／CAM软件的应用由来已久，且日趋成熟。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CAD／CAM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CAD／CAM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CAD／CAM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，CAD／CAM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CAD／CAM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CAD／CAM软件在CAD建模时的计算精度(还包括不同软件之间CAD图档的转换精度)的影响，其次，受CAD／CAM软件在生成NC刀具轨迹时的(逼近)计算精度影响，再者，就是后处理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，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FANUC Oi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FANUC系统各系列不同之处甚微；其次，即使对于FANUC以外的其他数控系统(涉及到系统内部参数定义、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FANUC系统的宏程序同华中系统的差别就不大，用FANUC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。

1 数控机床与宏程序

1.1数控机床的简要介绍

数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。

数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点：

1.加工精度高，具有稳定的加工质量；

2.可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；

3.加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；

4.机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3~5倍）；

5.机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；

6.对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。

数控机床一般由下列几个部分组成：

1.主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。

2.数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

3.驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

4.辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

5.编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

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ISO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，下表为用户宏程序和普通程序的简要对比。

表1-1 用户宏程序和普通程序的简要对比

1.3宏程序应用基础

为提高数控加工程序的编程效率，并简化数控加工程序，中高档数控机床一般都提供了一些高效编程功能，如固定循环指令、子程序和用户宏程序等。由于用户宏程序允许使用变量、算术、逻辑运算及条件转移等方法，更加容易编制相同操作的通用程序，而且其高了可靠性，加工不规则形状零件时，机床可能要作非圆曲线运动，一般手工编程达不到要求。在进行自动测量时机床要对测量数据进行处理，这些数据属于变量，一般程序是不能处理的，针对这些情况数控机床提供了另外一种编程方式，宏编程，即系统提供了用户宏程序功能使用户对数控系统进行一定的功能扩展，所谓用户宏程序其实质与子程序相似，它也是把一组实现某种功能的指令，以子程序的形式事变量编程的方式增加了应用对象的灵活性。用户宏程序实际上是一种带变量的子程序，其使用方法和子程序完全一样，都是通过一条简单指令进行调用。而且，数控加工主程序在调用用户宏程序的过程中，可以通过给变量赋值的方式来定义特定加工过程的参数，这是用户宏程序比子程序功能强大之处。正确恰当地使用宏程序，可以极大地提高编程效率，并

扩展数控系统的功能。对于一个中高档数控系统，宏程序应该是其必备的功能之一。由于用户宏程序的结构和语法定义相对子程序较为复杂，使得宏程序的译码也成为译码模块的一个实现难点。从文献检索来看，很多用户都有应用用户宏程序的编程经验，但是具体介绍用户宏程序的译码功能实现的文章却较为罕见。

数控指令一般来讲其实是指ISO代码指令编程，在一般的程序中，程序功能字为常量即每个代码的功能是固定的，只能描述固定的形状缺乏灵活性和适用性。若能用改变参数的方法使同一程序能加工形状属性相同但尺寸参数不同的零件，加工就会非常方便，也提先储存在系统存储器中，通过宏程序调用指令执行这一功能的。下面为宏程序的基础。

1.3.1变量分类与运算判断

FANUC变量用变量符号（#）和后面的变量号指定。表达式可以用于指定变量号，此时，表达式必须封闭在中括号内。FANU Oi系统规定变量的类型由变量号区分，共三类，如下图:

注：#0是空变量，总是空，不能赋值。

表1-2 变量号区分

表1-3 数学运算功能

在条件转移和循环宏程序中，经常要使用“条件表达式”，条件表达式必须包含运算符。运算符在两个变量中间或变量和常量中间，并且用“[ ]”封闭。表达

式可以替代变量。条件表达式中的运算符见下表

单位：度

表1-4 函数运算符

表1-5 逻辑判断功能

1.3.2 流向与控制

转移和循环

在宏程序中，使用GOTO语句和IF语句改变控制的流向，有三种转移和循环操作可供使用。

1）无条件转移

编程格式：GOTO n ；（n：程序段号（1-9999））

如GOTO 100；当执行到该语句时，将无条件转移到N100程序段执行。

2）条件转移

条件转移一般采用IF语句，IF语句有两种格式

格式一：IF〔〈条件表达式〉〕GOTO n ；

如： IF [ #10 GT 0 ] GOTO 2 ；

如果条件不满足︰

如果条件满足 N2 G00 U10.0；

这种格式表示如果表达式指定的条件满足时，转移到标有顺序号n的序段。如果指定的条件不满足，执行下个程序段。

格式二：IF[〈条件表达式〉] THEN…；

这种格式表示如果表达式指定的条件满足时，执行“THEN”后面的语句。如：IF [#10EQ#2 ] THEN #3=10；表示当变量10和变量2相等时，变量3的值为10。

3）循环编程格式：WHILE[〈条件表达式〉] DO m ；（m=1，2，3）如： WHILE[〈条件表达式〉] DO m ；

如果条件满足︰

如果条件不满足 END m ；

︰

当指定的条件满足时，执行WHILE从DO到END之间的程序。否则转而执行END之后的程序段。DO后的号和END后的号是指定程序执行范围的标号。

4）循环嵌套

在编制较复杂的宏程序时，往往采用循环嵌套，但一定要注意嵌套规则和要求

⑴标号（1、2、3）可以根据要求多次使用

W HILE〔…〕 DO 1 ；

︰

END1；

︰

W HILE〔…〕 DO 1 ；

︰

END1；

︰

⑵ DO的范围不能交叉

W HILE〔…〕 DO 1 ；

︰

W HILE〔…〕 DO 2 ；

︰

END1；

︰

END2；

︰

⑶ DO循环可以嵌套3次

WHILE〔…〕 DO 1 ；

︰

W HILE〔…〕 DO 2 ；

︰

W HILE〔…〕 DO 3 ；

︰

END3；

︰

END2；

︰

END1；

︰

⑷控制可以转到循环外边

W HILE〔…〕 DO 1 ；

︰

IF〔…〕GOTO n ；

︰

END1；

︰

Nn …；

︰

⑸转移不能进入循环区内

IF〔…〕GOTO n ；

︰

W HILE〔…〕 DO 1 ；

︰

Nn …；

︰

END1；

︰

图1-1 用户宏程序流程图

2 数控车床部分

2.1数控车床简介

数控车床与普通车床的加工对象结构及工艺有着很大的相似之处，但由于数控系统的也存在,也有着很大的区别.与普通车床相比，数控车床具有以下特点： 1、采用了全封闭或半封闭防护装置数控车床采用封闭防护装置可防止切屑或切削液飞出，给操作者带来意外伤害。

2、采用自动排屑装置数控车床大都采用斜床身结构布局，排屑方便，便于采用自动排屑机。

3、主轴转速高，工件装夹安全可靠。数控车床大都采用了液压卡盘，夹紧力调整方便可靠，同时也降低了操作工人的劳动强度。

4、可自动换刀数控车床都采用了自动回转刀架，在加工过程中可自动换刀，连续完成多道工序的加工。

5、主、进给传动分离数控车床的主传动与进给传动采用了各自独立的伺服电机，使传动链变得简单、可靠，同时，各电机既可单独运动，也可实现多轴联动。

图2-1 仿真标准FANUC Oi前置刀架界面

2.2加工带椭圆零件

2.2.1加工工艺分析

结构分析；该零件为套类零件，根据毛坯为U型棒料的特点，应先加工左端内孔，内锥，外圆柱面，然后切断，加工右端面及R6圆弧内孔。此零件加工难点为椭圆部分。

2.2.2 刀具的选择编制加工工艺

材料为45钢，毛坯尺寸为52mm*35mmU型圆棒料。

刀具选择：1号刀为外圆尖刀。

2号刀为内孔车刀。

考虑到工件直径较大，且装夹较短，建议采用如下的参考切削用量：

粗加工主轴转速n=500r／min，进给速度f=O．2mm／r，

精加工，主轴转速n=800r／min，进给速度f=O．1 mm／r，

步骤如下：

1.车削左端内孔和端面，外圆，；

2.调头装夹，找正夹紧；

3.粗车右端外圆表面，留精工余量0.5mm；

4.精车右端椭圆，达到图纸尺寸和形位公差要求；

5.车削内孔圆弧到图纸尺寸；

6.去毛倒刺，检测工件各项尺寸要求。

数值计算；图中未给出椭圆两端点坐标，因此必须进行计算。

由图得：BC=AC-AB=28-26=2,代人椭圆方程；因BC=2=X,则

得出

Z=OG=OD=9.17

BD=CO-OD=13.5-9.17=4.33

FE=FB-BD-DE=35-4.33-2*9.17=12.33

2.2.3 FANUC数控手工编程

刀具选择

一号：内孔刀，

二号：外圆刀

上序程序：

O0001;

M3500T0202G99;

G00X34; 定位

G00Z1; 靠近工件

1

100

25

2

2

=

+

Z

X

1

100

25

2

*

22

=

+

Z

G01Z0F0.2;

G01Z-8.X30.; 车削锥面

Z-35.; 车削内孔

G00X28.;

G00Z200.; 安全退刀

T0101; 换刀

G00X60.; 定位

Z0;

G01X0F0.2; 平端面

X50.;

G01X52.Z-1.; 倒角

G01Z-32.;由于仿真无法拾取掉落零件，故采用35mm长的毛坯，不再切断。G00X60;.

Z200.; 退刀

M30; 程序结束

下序：

O0002;

M3S500G99T0101; 主轴正转选刀

G00X62.Z3.；快速定位起始点

G73U7.R8.; G73循环指令

G73P1Q2U4F0.2;

N1G00X0.; G73循环起始行

G01Z0;

G01X50.;

X52.Z-1.;

Z-3.5;

#1=9.17; 定义循环起点位置

WHILE[#1GE-9.17]DO1;

#2=SQRT[[1-#1*#1/100]*25];

#3=56.-#2*2; 定义x方向坐标

#4=13.5-#1; 定义z方向坐标G01X#3Z-#4F0.1; 椭圆加工循环#1=#1-0.1; 循环增量

END1; 循环结束符号G01X52.Z-22.62; N2G1X60.; G73循环结束行M3S2000;

G70P1Q2U2.F0.2; 半精车加工

G70P1Q2F0.2S800; 精车加工

G00X100.Z100.;

T0202;

G0X42.;

Z3.;

G01Z0;

G03X30.Z-6.R6.; 车内孔圆弧

G00Z200.;

M30; 程序结束

2.2.4仿真校验

把程序导入仿真车床，对刀加工。得到下图，

2.3 加工带抛物线零件

2.3.1零件图的分析

由图所示，两条抛物线与一个内螺纹相接构成的，材料为45钢，毛坯尺寸为52mm*53mm的U型圆钢棒料。

2.3.2加工工艺分析

工件右端为锥面外形左面为抛物线，都不易装夹，故应做一个螺纹心轴，作为加工卡具，所以应先加工右端再加工左端。加工内端时，一次完成作为下次装夹定位。（由于仿真不可以做心轴模具故不采用以上所述，还是用卡盘装夹，不考虑装夹是否合理）。

2.3.3刀具的选择编制

编程时，两次加工分别以各自的端面中心为工件坐标系零点。

刀具选择：1号刀为外圆尖刀。

2号内孔刀。

3号60度内孔螺纹刀。

考虑到工件直径较小，且伸出较长，建议采用如下的参考切削用量：粗加工主轴转速n=800r／min，进给速度f=O．2mm／r，

精加工，主轴转速n=1200r／min，进给速度f=O．1mm／r，

2.3.4加工步骤

步骤如下：

①粗车右端端面和外圆，留精工余量0．2"--0．5册；

②精车右端各表面，车内螺纹d2=24-1.3*1.5=22.05

③调头装夹，找正夹紧：

④粗车左端外圆表面，留精工余量0．2"-0．5姗；

⑤精车左端内外抛物线面，达到图纸尺寸和形位公差要求；

2.3.4FANUC编程及仿真

数控编程

O0005;

M3S800;

G99G00X55.Z2.;

G71U2.R1.;

G71P1Q2U0.5F0.2;

N1G00X30.;