馮大鵬

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山528000)

宏程序在復(fù)雜軸類零件加工中的應(yīng)用越來越廣泛。宏程序具有靈活、通用和智能的特點(diǎn)。宏程序編寫體現(xiàn)出設(shè)計(jì)人員工藝設(shè)計(jì)水平和編程能力，要求設(shè)計(jì)者不但要具備基本機(jī)械工藝數(shù)控編程知識(shí)，還要有深厚的數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)語言知識(shí)，這無疑增加宏程序編寫難度。而在數(shù)控編程加工領(lǐng)域，具有上述綜合知識(shí)和能力的一線工程技術(shù)人員并不多。為此，可以借助一定的方法來提高技術(shù)人員的宏程序編程設(shè)計(jì)能力，程序流程圖就是其中的方法之一。無論采用哪一種數(shù)控系統(tǒng)軟件，不論是富有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員還是剛剛涉及宏程序的新手，都可以采用程序流程圖作為設(shè)計(jì)和檢查宏程序的依據(jù)。對于復(fù)雜零件的編程，流程圖的指導(dǎo)作用更是必不可少。如果能對流程圖的設(shè)計(jì)及其對宏指令編程的指導(dǎo)作用分析透切，將使設(shè)計(jì)者少走彎路，有助于編程人員順利編出準(zhǔn)確合理的宏程序。

流程圖是程序設(shè)計(jì)者對解決零件加工工藝問題的方法、思路或算法的一種描述，和一般的程序流程圖相比，數(shù)控加工流程圖具有一般流程圖的基本結(jié)構(gòu):順序、選擇、循環(huán)。其中，循環(huán)結(jié)構(gòu)是較為復(fù)雜的一種結(jié)構(gòu)，數(shù)控加工所有的程序都離不開循環(huán)。由于數(shù)控加工的特點(diǎn)，加工循環(huán)又呈現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性。因此，在研究宏程序流程圖設(shè)計(jì)方法時(shí)，可從分析循環(huán)結(jié)構(gòu)入手，探討數(shù)控加工流程圖的構(gòu)成及變化規(guī)律。

1 數(shù)控加工流程圖設(shè)計(jì)的基本方法

數(shù)控加工流程圖設(shè)計(jì)的基本方法是根據(jù)加工工藝路線，提取出變量，根據(jù)變量變化規(guī)律，建立循環(huán)體并確定循環(huán)流出條件。

數(shù)控加工循環(huán)有單循環(huán)和多重嵌套循環(huán)模式。

1.1 變量的提取

不同的數(shù)控系統(tǒng)所定義的變量含義較廣，從程序設(shè)計(jì)角度來看，變量不過是程序中數(shù)據(jù)的臨時(shí)存放場所，是可以改變的數(shù)，需要通過賦值或代入方法來確定。在設(shè)計(jì)流程圖時(shí)，變量的選擇取決于加工工藝的需要，這就需要將零件加工路線列出來，分清楚哪些是程序編制過程中的變量，哪些是常量。一般來說，變量主要有以下幾類:切削余量變量，一般以單向遞減的形式出現(xiàn)，如果是復(fù)合循環(huán)指令內(nèi)含宏程序，變量就會(huì)以指令所指定的切深遞減的形式表現(xiàn)出來;數(shù)學(xué)函數(shù)上的自變量，也是以遞減或遞增的形式出現(xiàn)的。有一些變量并不以增量形式變化，僅用于傳遞參數(shù)，如當(dāng)宏表達(dá)式復(fù)雜時(shí)，出現(xiàn)用于過渡的中間變量。另外一些變量是用于控制加工精度、調(diào)整工藝參數(shù)，如步距變量、切削速度、切深變量，這些變量的形成與加工工藝有密切關(guān)聯(lián)。

1.2 單循環(huán)結(jié)構(gòu)的流程圖設(shè)計(jì)

單循環(huán)由以下要素構(gòu)成:初始化;增量;條件表達(dá)式。初始化就是對循環(huán)控制變量賦初值;增量就是定義循環(huán)控制變量每循環(huán)一次后，按什么方式變化;條件表達(dá)式用于決定什么時(shí)候退出循環(huán)。在應(yīng)用流程圖設(shè)計(jì)宏程序時(shí)，循環(huán)結(jié)構(gòu)可以用if 語句與條件表達(dá)式聯(lián)合表示，也可以用while 語句與條件表達(dá)式聯(lián)合表示，其含義與一般程序設(shè)計(jì)中的循環(huán)語句類似，設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要來決定使用哪一種方式。

從單循環(huán)的結(jié)構(gòu)可以看出，循環(huán)實(shí)質(zhì)上是指變量以增量方式變化，達(dá)到設(shè)定條件后就退出循環(huán)。單循環(huán)主要用于一些特殊加工，如切槽和切斷。

例如，切斷直徑為d的軸，采用間歇進(jìn)刀方式，其切削速度與被加工直徑成正比。這種切斷模式有利于保持合理的切斷速度，防止切斷時(shí)出現(xiàn)的切削后角突然加大的現(xiàn)象。

采用單循環(huán)，其中變量d 反映了直徑遞減變化狀態(tài)，變量f反映了切削速度隨被加工直徑減少而變小的規(guī)律。單循環(huán)基本模式見圖1。

圖1 單循環(huán)基本模式

1.3 兩重嵌套循環(huán)流程圖設(shè)計(jì)

1.3.1 兩重嵌套循環(huán)的基本模式

一個(gè)循環(huán)語句的循環(huán)體內(nèi)包含另一個(gè)完整的循環(huán)結(jié)構(gòu)，稱為循環(huán)嵌套。一個(gè)程序中宏循環(huán)嵌套最多三重，不過數(shù)控加工多采用兩重嵌套循環(huán)，用于粗加工流程。

在兩重循環(huán)中，外循環(huán)的變量一般為切削余量變量，由于大多數(shù)零件的廓形都可以通過建立數(shù)學(xué)模型，用基本函數(shù)的形式表示出來，因此，內(nèi)循環(huán)一般為函數(shù)自變量增量變化，通過方程變換得出因變量，計(jì)算出刀具插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，其軌跡符合加工路線要求。自變量的取值范圍根據(jù)加工零件的尺寸來選定，在流程圖上，用賦初值作為變量取值的開始，用條件判斷語句結(jié)束循環(huán)。

在兩重循環(huán)的基本模式(圖2)中，外循環(huán)包含一個(gè)內(nèi)循環(huán)。作為結(jié)束循環(huán)的測試，內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)各含有一個(gè)條件判斷結(jié)構(gòu)，以此確定變量的變化范圍或取值條件。

圖2 兩重循環(huán)的基本模式

在工程實(shí)踐上，由于加工工藝需要，兩重循環(huán)還有多種變化形式。

1.3.2 嵌套循環(huán)中內(nèi)循環(huán)的串聯(lián)設(shè)計(jì)

一個(gè)外層循環(huán)體中可以包含多個(gè)內(nèi)層循環(huán)結(jié)構(gòu)，即為內(nèi)循環(huán)串聯(lián)。

圖3所示零件分別由非圓曲線A和B組成，如果以單一方向作為自變量進(jìn)行增量循環(huán)，無論對于曲線A或曲線B而言，自變量的變化幅度太大，導(dǎo)致零件表面粗糙度相差較大，加工質(zhì)量不佳。為解決這一問題，在設(shè)計(jì)流程圖時(shí)，曲線A以x為自變量，曲線B以z為自變量，在同一外循環(huán)中，自變量與因變量進(jìn)行互換。因此，在這種自變量互換的內(nèi)循環(huán)中，結(jié)束循環(huán)的判斷條件分別是x 和z坐標(biāo)，此時(shí)，流程圖見圖4。

圖3 實(shí)例零件一

圖4 內(nèi)循環(huán)串聯(lián)的基本模式一

加工圖5所示指數(shù)型超聲變幅桿時(shí)，AB段曲率變化較快，對放大性能影響較敏感，無論是粗加工還是精加工都需要較小步距和進(jìn)給速度;而加工BC段時(shí)，為避免數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算量加大，影響速度的提升和加工效率，需要采用較大的步距和進(jìn)給速度。因此，在進(jìn)行同一路線切削時(shí)，分段采用兩種步距和進(jìn)給速度，BC段采用較大的步距，而AB段采用較小的步距。點(diǎn)B坐標(biāo)要預(yù)先根據(jù)曲線斜率變化及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置，其流程圖見圖6。

圖5 實(shí)例零件二

圖6 內(nèi)循環(huán)串聯(lián)的基本模式二

當(dāng)內(nèi)循環(huán)串聯(lián)時(shí)，第一個(gè)內(nèi)循環(huán)的流出應(yīng)指向另一個(gè)內(nèi)循環(huán)的起點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)注意防止刀位的突變，并與加工工藝相符。

1.3.3 復(fù)合循環(huán)指令中的內(nèi)循環(huán)設(shè)計(jì)

這是嵌套循環(huán)的另一種表達(dá)方式。其中，宏程序作為一種內(nèi)循環(huán)，而外循環(huán)由復(fù)合循環(huán)指令控制，如G71。通過對流程圖的分析，這是一種特殊的兩重嵌套循環(huán)，適合用于部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)上，如華中數(shù)控系統(tǒng)，其中復(fù)合循環(huán)指令G71 承擔(dān)了類似于外循環(huán)的功能，此時(shí)，內(nèi)循環(huán)的運(yùn)動(dòng)不限于作平行于z軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。循環(huán)開始賦值是開始段號(hào)，轉(zhuǎn)跳條件是結(jié)束段號(hào)，見圖7。

1.3.4 內(nèi)循環(huán)的流出設(shè)計(jì)

一般來說，內(nèi)循環(huán)到達(dá)曲線終點(diǎn)，插補(bǔ)完成，需要回到下一層繼續(xù)加工。

在流程圖設(shè)計(jì)中，必然會(huì)遇到控制循環(huán)次數(shù)的問題，否則循環(huán)程序?qū)o法結(jié)束，即陷入“死循環(huán)”。通常采用條件控制辦法，這種條件控制語句可能有一個(gè)，也可能有多個(gè)，并按一定順序出現(xiàn)。其出現(xiàn)原因有以下幾種:

(1)工藝參數(shù)的變換，包括步距、進(jìn)給速度等。

(2)減少空刀，提高加工效率。

同時(shí)出現(xiàn)的多個(gè)條件控制語句在邏輯上存在著“或”的關(guān)系，即只要達(dá)到條件之一即可跳出內(nèi)循環(huán)。因此，其出現(xiàn)順序應(yīng)符合編程人員的設(shè)計(jì)需要。

圖7 復(fù)合循環(huán)指令中的內(nèi)循環(huán)設(shè)計(jì)

例如，加工雙曲線輪廓零件，其直徑單調(diào)增加，材料毛坯為等徑軸。

由于宏程序形成的刀路實(shí)際上是等距線，與毛坯形狀相差大，為了避免空程走刀，循環(huán)中設(shè)置了提前轉(zhuǎn)跳條件——循環(huán)控制直徑，如果刀位超出該直徑，則提前結(jié)束循環(huán)，轉(zhuǎn)入下一層加工，其粗加工流程圖見圖8。

圖8 內(nèi)循環(huán)的流出設(shè)計(jì)示例

1.4 三重嵌套循環(huán)的處理方法

當(dāng)需要運(yùn)用到三重循環(huán)或以上時(shí)，可考慮運(yùn)用子程序調(diào)用的方式來實(shí)現(xiàn)，這樣可使流程圖簡化。即將最內(nèi)層的循環(huán)做成一個(gè)子程序，通過上一層循環(huán)調(diào)用，這樣可解決所在程序嵌套數(shù)量的限制問題，同時(shí)也可以提高所在層程序的簡潔性。

2 結(jié)束語

在當(dāng)前數(shù)控加工技術(shù)逐漸成熟的背景下，零件的數(shù)控加工工藝也趨于成熟和穩(wěn)定，其程序流程圖的設(shè)計(jì)也將遵循一定的模式，只要把握好流程圖的設(shè)計(jì)規(guī)律，設(shè)計(jì)人員就不難設(shè)計(jì)出簡潔合理的流程圖，這將對編程人員應(yīng)用宏指令編制復(fù)雜零件程序有較大的幫助，通過流程圖，可以認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)或變量的流動(dòng)狀態(tài)，確定循環(huán)的嵌套形式和轉(zhuǎn)跳路線，在應(yīng)對不同的數(shù)控系統(tǒng)和語言規(guī)范時(shí)，思路更清楚，程序表達(dá)更合理。

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