CN116088423A - 基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法，包括：获取零件图纸，确定数控设备类型、加工路线等；确定零件的工装夹具以及定位方法，建立工件坐标系；给数控设备配备相应的刀具；利用数控输入装置直接输入或者通过数控设备通讯接口从控制介质调用零件所需的预先编制的通用宏程序和通用宏子程序，利用通用宏程序和通用宏子程序的模块化组合完成数控程序的标准化与结构化编程，对编程后的数控程序的参数变量进行赋值，得到加工主程序；验证加工主宏程序的正确性；验证通过后，数控设备执行加工主程序，进行零件加工。本发明大大节约了数控设备加工方法所需的编程时间，实现了数控加工的快速编程，提高了数控设备加工效率。

Description

基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，特别是涉及一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法。

背景技术

数控技术是指采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术，而应用数控技术的设备就是数控设备，数控技术和数控设备是制造工业现代化的重要基础。

目前，数控设备加工的基本工作原理是按照事先编制存储的数控程序来控制各个部分的运动轨迹和时序，从而加工出满足图纸要求的零件。数控程序由一系列程序段和程序块组成，每一程序段用于描述准备功能、辅助功能、刀具中心坐标位置和工艺参数等。传统的数控设备在加工时，需按照图纸要求编制相应的数控程序，数控程序的编程步骤是：(1)确定工艺过程；(2)计算刀具中心运动轨迹坐标；(3)编写程序单；(4)制备控制介质；(5)程序的校验和首件试切。在数控设备对多品种、小批量以及经常更换加工的工件进行加工时，操作人员需在每次加工工件前重新编制数控程序，而传统的编程方法会占用很多时间，滞留了数控设备加工生产效率，且编程容易出错，限制了生产质量的进一步提高。

发明内容

针对目前的数控设备加工方法对于多品种、小批量以及经常更换加工的工件，影响了数控设备加工生产效率提升和质量提高的问题，本发明提供一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法，包括以下步骤：

步骤1：获取零件图纸，根据所述零件图纸对零件的材料组成、三维形状、尺寸公差、形位公差进行分析，确定数控设备类型、加工路线、加工工艺方案和关键项点精度要求；

步骤2：确定零件的工装夹具以及定位方法，建立工件零点坐标系，确定X轴、Y轴、Z轴程序原点；

步骤3：确定加工路线和加工工艺方案后，根据零件加工工序内容，给数控设备配备相应的刀具，并选择切削参数，所述切削参数包括工装定位参数、机床参数、程序参数、刀具参数以及切削用量三要素；

步骤4：利用数控输入装置直接输入或者通过数控设备通讯接口从控制介质调用所述零件所需的预先编制的通用宏程序和通用宏子程序，利用所述的通用宏程序和通用宏子程序的模块化组合完成数控程序的标准化与结构化编程，对编程后的数控程序的参数变量进行赋值，得到加工主程序；

步骤5：通过数控设备自有的程序图像模拟或者空运行，验证加工主宏程序的正确性；

步骤6：验证通过后，所述数控设备执行加工主程序，进行零件加工。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提出的数控设备加工方法适用于西门子SIEMENS、发那科FANUC、大隈OKUMA、NUM、广州数控、华中数控等各种数控设备操作系统，通过将预先开发编制的上千个通用宏程序和通用宏子程序进行存储，使之形成程序模块，当编制工件的新的加工主程序时，调用预先编制的通用宏程序和通用宏子程序进行模块化组合，从而快速完成数控程序的标准化与结构化编程，解决了新制产品多、新程序多而产生的可靠性差、编程时间长等诸多问题，从而大大节约了数控设备加工方法所需的编程时间，实现了数控加工的快速编程，提高了数控设备加工效率，在数控设备加工的提质提效工作中发挥了巨大的作用。本发明的应用，不但节省辅助准备时间、节省资金、使编写程序简单化，省时省力，而且提高了数控程序的可靠性和准确度，提高了加工效率和质量。

附图说明：

图1为本发明基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法的流程图；

图2为内圆加工通用宏子程序的加工结果示意图；

图3为外椭圆加工通用宏程序的加工结果示意图；

图4为外凸球面加工通用宏程序的加工结果示意图；

图5为生产底板模具加工的加工结果示意图；

图6为镜像加工通用宏子程序的加工结果示意图；

图7为五朵金花数控铣削加工结果示意图；

图8为城市轨道车辆成都地铁3、4号线构架加工结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在其中一个实施例中，如图1所示，本发明提供过一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法，该数控设备加工方法具体包括以下步骤：

步骤1：获取零件图纸，根据零件图纸对零件的材料组成、三维形状、尺寸公差、形位公差(形状公差、位置公差)等进行分析，确定数控设备类型、加工路线、加工工艺方案和关键项点精度要求等。在本步骤中，要对零件图纸进行分析，分析零件的材料组成、三维形状、尺寸公差、形状公差、位置公差等，从而确定适合使用哪种类型的数控设备加工，并明确加工路线，制定工艺方案和保证关键项点精度要求。

步骤2：确定零件的工装夹具以及定位方法，建立工件零点坐标系，确定X轴、Y轴、Z轴程序原点。选定数控设备后，确定零件的加工路线和加工方法，选用工装夹具、定位方法，建立工件零点坐标系，确定X轴、Y轴、Z轴程序原点，确保零件图纸尺寸公差和形位公差要求。

步骤3：确定加工路线和加工工艺方案后，根据零件加工工序内容，给数控设备配备相应的刀具，并选择切削参数，切削参数包括工装定位参数、机床参数、加工程序参数、刀具参数以及切削用量三要素等。在步骤1确定加工工艺方案和步骤2确定加工路线后，本步骤根据零件加工工序内容，如：车削加工、铣削加工、刨削加工、镗削加工、磨削加工、平面加工、曲面加工、定位孔、钻孔，扩孔、镗孔、铰孔、攻丝孔等加工，选用配备相应合适的刀具，并选择合理的切削参数，如：工件定位参数、工装定位参数、机床参数、加工程序参数_、刀具参数、切削用量三要素(切削速度、进给量或进给速度Vf、背吃刀量)等。

步骤4：利用数控输入装置直接输入或者通过数控设备通讯接口从控制介质调用零件所需的预先编制的通用宏程序和通用宏子程序，利用通用宏程序和通用宏子程序的模块化组合完成数控程序的标准化与结构化编程，对编程后的数控程序的参数变量进行赋值，得到加工主程序。

在本步骤中，通用宏程序和通用宏子程序为预先开发编制好的程序，并存储在控制介质中，在预先开发编制时，先确定通用宏程序和通用宏子程序参数(例如：西门子SIEMENS操作系统参数R0到R99--可以自由使用；R100到R249--加工循环传递参数；R250到R299--用于加工循环传递内部计算参数；计算：遵循通常的数学运算规则，括号内优先，乘除优先加减)，然后再对通用宏程序和通用宏子程序进行开发编制。

向数控设备输入各种通用宏程序和通用宏子程序时，有下面多种输入方法：

(1)利用数控输入装置直接手动输入通用宏程序和通用宏子程序

利用操作系统键盘上的符号、字母、数字等输入“需要的通用宏程序和通用宏子程序”，同时可以利用数控设备操作面板上的键盘操作功能，根据显示器显示的加工程序内容，进行检查和修改；

(2)利用数控设备控制介质输入通用宏程序和通用宏子程序

通过数控设备通讯接口从控制介质调用通用宏程序或者通用宏子程序，每种数控设备程序控制介质不同，按照每种数控设备规定的指令代码及程序格式，开发编制了上千个通用宏程序和通用宏子程序的加工程序单，再把程序单中的内容记录在控制介质上，根据加工零件编制程序的需要，插入数控设备系统接口上调用，然后输入到数控设备的数控装置中(有网口，可以直接文件传输协议FTP共享)，就可调用开发编制的通用宏程序和通用宏子程序进行加工零件的程序快速编制，控制介质如：穿孔纸带、磁带、磁盘、优盘、CF卡、电脑、电脑笔记本等可以选择任意一种。

输入通用宏程序和通用宏子程序后，利用通用宏程序和通用宏子程序的模块化组合完成数控程序的标准化与结构化编程，得到编程后的数控程序，通过更改编程后的数控程序的参数变量，对参数变量进行赋值，即可完成加工主程序的编制，如：加工一个球体，调用球体通用宏程序后，只要更改一下通用宏程序球体图纸的加工球半径参数变量，即可完成加工主程序的编制。

步骤5：通过数控设备自有的程序图像模拟或者空运行，对加工主程序进行模拟检验，验证加工主宏程序的正确性，若加工主程序正确，则执行步骤6；若加工主程序不正确，需检查所输入或者调用的通用宏程序和/或通用宏子程序。

进一步地，在完成加工主程序的模拟检验后，标注好用于加工新的零件的通用宏程序和通用宏子程序的名称、图号、物料号等关键文字显示，重要程序段做好解释说明标识，按照优化的加工工序和加工步骤及选定的刀具做好标识。并且，将成功优化后的通用宏程序和通用宏子程序进行存储，存放在数控设备存储器中和优盘、电脑等存储介质中，做好加工相同或者类似零件通用化宏程序和通用宏子程序的储备和保存。

步骤6：验证通过后，数控设备执行加工主程序进行零件加工。

在步骤5的验证通过后，数控设备执行加工主程序进行首件试切，以检验加工主程序的正确性和加工精度是否符合图纸公差要求，当加工主程序正确、工装夹具和刀具合理、加工精度满足图纸公差要求后，数控设备执行加工主程序进行零件批量加工生产。

通过将预先编制的通用宏程序和通用宏子程序进行存储，使之形成程序模块，当编制工件的新的加工主程序时，调用预先编制的通用宏程序和通用宏子程序进行模块化组合，从而快速完成数控程序的标准化与结构化编程，解决了新制产品多、新程序多而产生的可靠性差、编程时间长等诸多问题，从而大大节约了数控设备加工方法所需的编程时间，实现了数控加工的快速编程，提高了数控设备加工效率，在数控设备加工的提质提效工作中发挥了巨大的作用。本发明的应用，不但节省辅助准备时间、节省资金、使编写程序简单化，省时省力，而且提高了数控程序的可靠性和准确度，提高了加工效率和质量。

数控程序的标准化与结构化编程通过对加工程序参数变量化、宏程序和宏子程序化，实现了程序的通用性，互换性，自制程序包(开发编制上千个参数变量化通用宏程序和通用宏子程序)，其中有矩形、多边形、圆形、椭圆形、槽形、锥形、球形、凸凹内外圆、凸凹多边形、凸凹键槽、凸凹长圆孔、钻孔、攻丝、凸凹椭圆、凸凹球、圆形孔口倒圆角、圆形孔口倒直角、椭圆形孔口倒圆角、椭圆形孔口倒直角、多边形孔口倒圆角、多边形孔口倒直角、数学公式凸凹模型加工(如：双曲线、抛物线、阿基米德螺旋线、正弦曲线、余弦曲线、正切曲线等)、孔矩阵等几何形状等时，通过对其参数变量的调用，可实现实心或空心(凸凹形体的加工)，粗、精加工，加工深度等的自动选择，可以实现多维功能，在此基础上，针对铁路客车转向架产品的特点，又相继开发了算术运算、程序跳转、可编程的零点偏移功能、可编程的旋转功能、可编程的比例缩放功能、可编程的镜像功能等加工、阵列加工(包括直线阵列和圆周阵列)功能，并使其模块功能相互调用，完成大型工件的加工工作。每种通用宏程序和宏子程序简短精辟，所占用的字节空间少，是当之无愧的“芯片式通用宏程序和通用宏子程序”，具有携带存储和传输方便适用特性。编制零件程序时，减少了很多辅助时间，如：不用借助电脑软件绘图、进行坐标点标注和数值计算、自动编程软件编程、手工编程、程序录入、验证程序的正确性等等，调用通用宏程序和通用宏子程序即可迅速完成程序的编制，效率高，稳定性好，保证了工件和铁路客车的转向架的加工精度。

本发明中的通用宏程序和通用宏子程序包括凸凹内外圆加工通用宏程序和通用宏子程序、凸凹多边形加工通用宏程序和通用宏子程序、凸凹键槽加工通用宏程序和通用宏子程序、凸凹长圆孔加工通用宏程序和通用宏子程序、钻孔加工通用宏程序和通用宏子程序、攻丝加工通用宏程序和通用宏子程序、凸凹椭圆加工通用宏程序和通用宏子程序、凸凹球面加工通用宏程序和通用宏子程序、圆形孔口倒圆角加工通用宏程序和通用宏子程序、圆形孔口倒直角加工通用宏程序和通用宏子程序、椭圆形孔口倒圆角加工通用宏程序和通用宏子程序、椭圆形孔口倒直角加工通用宏程序和通用宏子程序、多边形孔口倒圆角加工通用宏程序和通用宏子程序、多边形孔口倒直角加工通用宏程序和通用宏子程序、数学公式凸凹模型加工(如：双曲线、抛物线、阿基米德螺旋线、正弦曲线、余弦曲线、正切曲线等)通用宏程序和通用宏子程序、算术运算及程序跳转加工通用宏程序和通用宏子程序、阵列(包括直线阵列和圆周阵列)加工通用宏程序和通用宏子程序、可编程的(零点偏移、镜像功能、比例缩放功能、旋转功能)加工通用宏程序和通用宏子程序等。

(1)单一的通用宏子程序的编制及应用

例1编程举例，单个内圆的加工(见图2)，L20为内圆加工通用宏子程序名。

L20；内圆加工通用宏子程序名；

N10 G90 G54 G00 Z160；绝对尺寸编程，建立工件零点坐标系G54，刀具以快速移动速度到达Z160坐标点；

N20 Z10；刀具以快速移动速度到达安全距离Z10坐标点；

N30 X＝R26Y＝R27；确定圆心坐标，圆心X、Y为图纸要求的任意坐标点，R26和R27为参数变量；

N40 G01 Z＝R28 F1200；直线插补，按照进给速度1200毫米/分钟，刀具到达工件加工深度Z＝R28坐标点，深度R28为参数变量；

N50 G91 G41 X0 Y0；用增量尺寸编程，刀具半径左侧补偿，刀具到达X0Y0坐标点；

N60 R30＝R29/2；切入、切出圆弧半径参数变量设为R30＝R29/2，参数变量R29为图纸要求的加工圆半径；

N70 G03 X＝R29 Y0 CR＝R30；逆时针圆弧插补切入，切入圆弧半径为参数变量R30，刀具到达X＝R29 Y0坐标点；

N80 X0 Y0 I＝-R29 J＝0；逆时针整圆插补；

N90 X＝-R29 Y0 CR＝R29/2；逆时针圆弧插补切出；

N100 G40 G01 X0 Y0；取消刀具半径补偿，用增量尺寸编程，直线插补，按照进给速度1200毫米/分钟，刀具达到X0 Y0坐标点；

N110 G90 G00 Z160；绝对尺寸编程，刀具以快速移动速度到达Z160坐标点；

N120 M17；子程序结束。

当遇到这类内圆工件加工时，用于内圆工件加工的加工主程序通过以下方式编制：调用内圆加工通用宏子程序，根据图纸要求，给参数变量赋值，改变圆心坐标、深度及半径后完成用于内圆工件加工的加工主程序的快速编制。

用于内圆工件加工的主程序CRRC_616如下：

CRRC_616；内圆工件加工的主程序名；

N10 T16 D2；刀具号为16号(选择16号刀具)，刀沿号为2号(刀具补偿号地址为2号)；

N20 G90 G54 G00 Z200；绝对尺寸编程，建立工件零点坐标系G54，刀具以快速移动速度到达Z200坐标点；

N30 M03 S2000 M08 F1500；主轴正转，转速2000转/分钟，冷却液开，进给速度为1500毫米/分钟；

N40 R26＝..R27＝..R28＝..R29＝..；根据加工图纸尺寸要求，给参数变量赋值；

N50 L20；调用内圆加工通用子程序；

N60 M09 M05 G90 G00 Z200；冷却液关闭，主轴转动停止，绝对尺寸编程，刀具以快速移动速度到达Z200坐标点；

N70 M30；程序结束。

(2)利用参数方程编制通用宏程序

利用参数方程编制通用宏程序，可通过设定值变量控制拟合精度，从而提高工件的尺寸精度和形位精度。

例2编程举例，以加工外椭圆轮廓为例(见图3)，通过参数方程编制椭圆通用宏程序，将椭圆方程

转化为参数方程

参数变量R设定：设定椭圆长半轴长度参数变量R20＝a，短半轴长度参数变量R21＝b，加工角度参数变量R22＝θ，选用的加工刀具半径参数变量为R23＝D/2。

外椭圆通用宏程序CRRC_618如下：

CRRC_618；外椭圆通用宏程序名；

N10 T12D1；刀具号为12号(选择12号刀具)，刀沿号为1号(刀具补偿号地址为1号)；

N20 R20＝..R21＝..R23＝..；按照图纸要求，进行椭圆长半轴、短半轴赋值，根据选择刀具，进行刀具半径赋值；

N30 G90 G54 G00 Z200；绝对尺寸编程，建立工件零点坐标系G54，刀具以快速移动速度到达Z200坐标点；

N40 M03 S2000；主轴正转，转速2000转/分钟；

N50 X＝R20+R23+R23 Y0；刀具让出刀具直径安全距离，刀具以快速移动速度到达X＝R20+R23+R23 Y0坐标点；

N60 Z10 M08；刀具以快速移动速度到达安全距离Z10，冷却液开；

N70 G01 Z＝R24 F1200；直线插补，按照进给速度1200毫米/分钟，到达椭圆加工深度Z＝R24，参数变量R24为椭圆加工深度；

N80 R22＝0；给椭圆加工角度参数变量R22赋予初始值，刀具处于起始加工角度0°位置；

N90 ABC：；标识符号；

N100 G64 G42 G01 X＝R20*COS(R22)Y＝R21*SIN(R22)F1600；连续路径加工方式，刀具半径右侧补偿，直线插补，按照进给速度1600毫米/分钟，用直线插补拟合椭圆曲线；

N110 R22＝R22+0.1；每次增加0.1度，该值决定拟合精度；

N120 IF R22<＝360GOTOB ABC；条件判定语句，如果R22小于等于360°，向前跳转到ABC：标识符号，椭圆加工角度参数变量R22终止角度为360°，直至一个椭圆加工完成为止；

N130 G40 G00 X＝R20+R23+R23 Y0；取消刀具半径补偿，刀具以快速移动速度到达让出刀具直径安全距离位置，到达X＝R20+R23+R23 Y0坐标点；

N140 G90 Z160；绝对尺寸编程，刀具以快速移动速度到达Z160坐标点；

N150 M09 M05；冷却液关闭，主轴转动停止；

N160 M30；程序结束。

(3)运用可编程的零点偏移、逻辑算术运算和程序跳转语句开发编制通宏程序程序及通用宏子程序

逻辑算术运算跳转语句分为无条件跳转语句和有条件跳转语句，无条件跳转语句不需要任何条件到所需的程序位置。有条件跳转语句跳转时必须满足某一条件进行跳转。

例3编程举例，外凸球面零件加工(见图4)

CRRC_619；外凸球面通用宏程序名；

N10 T10 D2；刀具号为10号(选择10号刀具)，刀沿号为2号(刀具补偿号地址为2号)；

N20 G17 G54 G90 G00 Z260；选择XY平面，确定工件零点坐标系为G54，绝对尺寸编程，刀具以快速移动速度到达Z260坐标点；

N30 M03 S2000M08；主轴正转，转速2000转/分钟，冷却液开；

N40 R1＝89.998R2＝..R3＝..R26＝..R27＝..；根据图纸尺寸要求，给参数变量R1、R2、R3、R26、R27赋值，其中参数变量R1为外凸球面加工角度变量，给外凸球面加工角度参数变量R1赋予初始值R1＝89.998，R2为加工凸球面球的半径SR，R3为选用加工刀具的半径，R26和R27分别为图纸要求的外凸球面球心X、Y坐标；

N50 TRANS X＝R26Y＝R27；可编程的零点偏移到赋值的X＝R26Y＝R27坐标点；

N60 G90 G00 X0 Y0；绝对尺寸编制程序，刀具以快速移动速度到达可编程的零点偏移X0 Y0坐标点；

N70 X＝R2+R3+R3 Y0；刀具让出刀具直径安全距离，到达X＝R2+R3+R3Y0坐标点；

N80 Z＝R2+6；刀具以快速移动速度到达安全距离Z＝R2+6坐标点；

N90 G01 Z＝R2 F1500；按照进给速度1500毫米/分钟，到达Z＝R2赋值坐标点；

N100 AAAA：；标识符号；

N110 G41 G01 X＝R2*COS(R1)Y0 F1800；刀具半径左侧补偿，直线插补，按照进给速度1800毫米/分钟，到达X＝R2*COS(R1)Y0坐标点；

N120 Z＝R2*SIN(R1)；直线插补，按照进给速度1800毫米/分钟，到达Z＝R2*SIN(R1)坐标点；

N130 G02 I＝-R2*COS(R1)J0；顺时针圆弧插补整圆；

N140 R1＝R1-0.1；计算球面加工角度R1参数变量值；

N150 IF R1>＝0GOTOBAAAA；条件判定语句，如果R1大于等于0°，向前跳转到AAAA：；标识符号，外凸球面加工角度参数变量R1终止角度为0°，直至外凸球面加工完为止；

N160 G40 G00 X＝R2+R3+R3 Y0；取消刀具半径补偿，刀具以快速移动速度到达X＝R2+R3+R3 Y0坐标点；

N170 G90 Z160；绝对尺寸编程，到达Z160坐标点；

N180 M09 M05；冷却液关闭，主轴转动停止；

N190 TRANS；注销可编程的零点偏移指令；

N200 M30；程序结束。

(4)通用宏子程序的结构化编程组合应用

当遇到工件需要加工矩形、多边形、圆形、椭圆形、槽形、锥形、球形、凸凹内外圆、凸凹多边形、凸凹键槽、凸凹长圆孔、钻孔、攻丝、凸凹椭圆、凸凹球、圆形孔口倒圆角、圆形孔口倒直角、椭圆形孔口倒圆角、椭圆形孔口倒直角、多边形孔口倒圆角、多边形孔口倒直角、数学公式凸凹模型加工(如：双曲线、抛物线、阿基米德螺旋线、正弦曲线、余弦曲线、正切曲线等)、孔矩阵、钻孔、攻丝等时，可分别调用各自的通用宏程序和通用宏子程序，利用绝对尺寸编程G90或可编程零点偏移指令找到通用宏程序和通用宏子程序起始点，改变通用宏程序和通用宏子程序中的R参数变量值，来控制工件的尺寸和精度，将各个通用宏程序和通用宏子程序进行模块化组合即可完成该零件的加工主程序的编制。

例4编程举例，此工件是生产中精加工底板模具实例(见图5)

编程说明：子程序名L1034为凹圆精加工通用宏子程序，子程序名L1014为凹方孔精加工通用宏子程序；子程序名L1052是凹纵向键槽精加工通用宏子程；子程序名L1054是凹横向键槽精加工通用宏子程序；子程序名L60为钻孔通用宏子程序；子程序名L61为攻丝通用宏子程序。

生产中精加工底板模具主程序CRRC_620如下：

CRRC_620；程序名；

N10 T12 D2；刀具号为12号(选择12号刀具)，刀沿号为2号(刀具补偿号地址为2号)；

N20 G17 G00 G54 G90 Z260；选择XY平面，确定工件零点坐标系为G54，绝对尺寸编程，刀具以快速移动速度到达Z260坐标点；

N30 M03 S2000M08 F1600；正转，主轴转速2000转/分钟，冷却液开，进给速度1600毫米/分钟；

N50 R31＝80/2；图纸要求圆的半径为80/2，赋予圆的半径参数变量R31＝80/2值；

N60 G00 G54 G90 X＝740/2Y＝240/2；刀具以快速移动速度到达内圆精加工起始点；

N70 L1034；调用凹圆精加工通用宏子程序，精加工4个内圆；

N80 R60＝135/2R61＝80/2R62＝10；赋予参数变量值；

N90 G00G54G90X＝290/4+560/4Y＝170/4+330/4；刀具以快速移动速度到达内方孔精加工起始点；

N100 L1014；调用凹方孔精加工通用宏子程序，精加工4个内方孔；

N110 R51＝820/2-356/2R52＝10*2R53＝10；赋予参数变量值；

N120 G00 G54 G90 X＝356/4+820/4Y＝40/2；刀具以快速移动速度到达横向键槽精加工起始点；

N130 L1052；调用凹横向键槽精加工通用宏子程序，精加工4个横向键槽；

N140 R54＝10*2R55＝83R56＝10；赋予参数变量值；

N150 G00 G54 G90 X＝200/2Y＝-68.5-83/2；刀具以快速移动速度到达纵向键槽精加工起始点；

N160 L1054；调用凹纵向键槽精加工通用宏子程序，精加工2个纵向键槽；

N170 G00 G54 G90 X＝200/2Y＝125；具以快速移动速度到达钻孔起始点；

N180 L60；调用钻孔通用宏子程序，精加工2个孔；

N190 G00 G54 G90 X＝200/2Y＝125；刀具以快速移动速度到达攻丝起始点；

N200 L61；调用攻丝通用宏子程序，攻丝精加工2个孔；

N210 G40 G90 Z160；取消刀具半径补偿，绝对尺寸编程，刀具以快速移动速度到达Z160坐标点；

N220 M09 M05；冷却液关闭，主轴转动停止；

N230 M30；程序结束。

从上面的程序可以看出，通过调用通用宏子程序，既增加了程序的可读性，又减少了占用的存储空间，并且便于程序的修改。

(5)利用坐标系变换指令开发编制通用宏子程序的组合应用

在数控系统中，开发了功能强大的特殊指令，如可编程的零点偏移(TRANS，ATRANS)功能，可编程的旋转(ROT、AROT)功能，可编程的比例缩放(SCALE、ASCALE)功能，可编程的镜像加工(MIRROR、AMIRROR)功能等。如果这些指令与开发编制的通用宏程序和通用宏子程序结合，应用于车、铣、刨、钻、镗、铰、磨、攻丝等加工，就可以大大简化程序编制。

例5利用坐标系变换指令(见图6)，开发编制通用宏子程序

如下面为可编程的镜像加工(MIRROR、AMIRROR)功能

CRRC_621；程序名；

N10 T18 D2；刀具号为18号(选择18号刀具)，刀沿号为2号(刀具补偿号地址为2号)；

N20 G17 G00 G54 G90 Z260；选择XY平面，确定工件零点坐标系为G54，绝对尺寸编程，刀具以快速移动速度到达Z260坐标点；

N30 M03 S2000M08 F1600；正转，主轴转速2000转/分钟，冷却液开，进给速度1600毫米/分钟；

N40 L10；L10为通用宏子程序名，加工轮廓1；

N50 MIRROR X＝0；关于Y轴镜像，对于X轴方向相反；

N60 L10；调用通用宏子程序加工轮廓2；

N70 AMIRROR Y＝0；关于X轴镜像，对于Y轴方向相反；

N80 L10；调用通用宏子程序加工轮廓3；

N90 MIRROR Y＝0；关于X轴镜像，对于Y轴方向相反；

N100 L10；调用通用宏子程序加工轮廓4；

N110 MIRROR；注销镜像指令；

N120 G00 G90 Z160；绝对尺寸编程，刀具以快速移动速度到达Z160坐标点；

N130 G40 M09 M05；取消刀具半径补偿，冷却液关闭，主轴转动停止；

N140 M30；程序结束。

(6)数控铣削程序标准化与结构化编程的综合运用

例6五朵金花数控铣削加工(见图7)

五朵金花数控铣削程序编程说明：该图形运用了圆、椭圆通用宏子程序，五个花瓣的执行运用了ROT和AROT(可编程的旋转功能)指令完成，每朵花位置的执行，运用了TRANS和ATRANS(可编程的零点偏移功能)指令完成，中间花朵与其余花朵的执行运用了SCALE和ASCALE(可编程的比例缩放功能)指令完成、四个小花朵的执行，运用了MIRROR、AMIRROR(可编程的镜像功能)指令而获得。

此例是通用宏子程序与坐标系变换指令的综合运用，进一步扩展了通用宏子程序的使用范围，增加了通用宏子程序的实用性。

例7城市轨道车辆成都地铁3、4号线构架加工(见图8)

编程说明：以成都地铁3、4号线构架加工8个一系弹簧座为例，加工分为铣平面、钻8个

孔和8个粗镗

孔，精镗8个

孔，加工图纸可以看出，需要加工的8个一系弹簧座有很强的对称性，尺寸公差、形位公差要求精度高。

可以建立如下加工模型：

1)在X＝2750/2Y＝1930/2的中心位置铣圆形平面；

2)在X＝1650/2Y＝1930/2的中心位置铣圆形平面；

3)在X＝2750/2Y＝1930/2的中心位置钻

孔；

4)在X＝1650/2Y＝1930/2的中心位置钻

孔；

5)在X＝2750/2Y＝1930/2的中心位置粗镗孔

孔；

6)在X＝1650/2Y＝1930/2的中心位置粗镗孔

孔；

7)在X＝2750/2Y＝1930/2的中心位置精镗孔

孔；

8)在X＝1650/2Y＝1930/2的中心位置精镗孔

孔；

9)相对X＝0直线镜像以上1)～8)步；

10)相对Y＝0直线镜像以上1)～9)步；

执行完上述步骤后，整个构架加工即可完成。

本发明“基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法”基于数控程序的标准化与结构化编程，可最大限度提高编程的速度和精度，从而提高人机对话能力，充分发挥数控设备的最大潜能。通过开发编制的上千个通用宏程序和通用宏子程序，并与产品设计、工艺、加工、检测形成一体化，零件程序编制时，调用通用宏程序和通用宏子程序进行模块化组合，即可迅速完成加工主程序的编制，提高了程序加工的稳定性，效率高，保证了零件的尺寸公差和形位公差的加工精度，从而提高了工件加工效率，特别是针对多品种、小批量以及经常更换加工的工件而言，提高了加工生产效率的同时，保证了产品质量，为中国铁路事业和中国制造做出巨大贡献。

本发明中数控程序的标准化与结构化编程研究应用对加工工艺进行了优化：

(1)零件加工轮廓铣削时进行合理设计切入切出路线

例如单个内圆的精加工(见图2)，铣削零件轮廓时，为避免在切入切出处产生刀具的刻痕，保证零件轮廓表面质量，设计刀具切入切出路线时应避免沿零件轮廓的法向切入切出，切入工件时沿切削起始点延伸线或切线方向逐渐切入工件，保证零件曲线的平滑过渡，同样在切离工件时，也应避免在切削终点处直接抬刀，要沿着切削终点延伸线或切线方向逐渐切离工件。铣削内槽时除选择刀具圆角半径符合内槽的图纸要求外，为保证零件的表面粗糙度，使进给路线短，可先用行切法切去中间部分余量，最后用环切法切一刀，既能使总的进给路线短，又能获得较好的表面粗糙度。

(2)排除进给系统反向间隙对加工精度的影响

数控机床长期使用或由于本身传动系统结构上的原因，有可能存在反向间隙误差，反向间隙误差会影响坐标轴定位精度，而定位精度的高低在孔群加工时，不但影响各孔之间的中心距，还会由于定位精度不高，造成加工余量不均匀，引起几何形状误差。如果在加工过程中刀具不断地改变趋近方向，就会把坐标轴反向间隙带入加工中，造成定位误差增加。采用通用宏程序和通用宏子程序在安排进给路线时，避免了机械进给系统的反向间隙对加工精度的影响。

(3)正确处理加工零件图尺寸公差和形位公差对加工精度的影响

编制通用宏程序和通用宏子程序时，正确处理零件图上的尺寸标注，零件的许多尺寸标注有公差，且各公差带的位置不可能一致，而数控程序一般按零件轮廓编程，即按零件的基本尺寸编程，忽略了公差带位置的影响。如果标注的是非对称尺寸，即使数控机床的精度很高，加工出的零件也可能不符合其尺寸公差要求。零件在用同一把铣刀、同一个刀具半径补偿值编程加工时，由于零件轮廓各处尺寸公差带不同，就很难同时保证各处尺寸在尺寸公差范围内。这时要对其公差带进行调整，开发编制的通用宏程序和通用宏子程序调整方法为：在保证零件极限尺寸不变的前提下，在编程计算时，通常改变轮廓尺寸并移动公差带，改为对称尺寸公差带，保证了尺寸公差和形位公差精度。

本发明的实施效果：解决了新制产品多、新程序多而产生的可靠性差、编程时间长等诸多问题，在提质提效工作中发挥了巨大的作用。

本发明的推广应用情况：

(1)数控程序的标准化与结构化编程的开发与应用，使编制加工程序所需要的时间节省了90％，只需10％的时间即可完成程序的编制，减少了操作人员，节约了人工成本，提高了经济效益。

(2)有效避免了普通方法编制程序过程中，因程序过长而造成的疏漏或数据错误，降低了废品发生率。

(3)程序简洁明了，便于操作者的使用。无论数控操作者对数控程序有无了解，都可以自由调用通用宏程序和通用宏子程序，进行模块化组合即可完成程序的快速编制，程序稳定性和可普及性高。

(4)通用宏程序和通用宏子程序的使用，减少了很多辅助时间，如：不用电脑软件绘图、进行坐标点标注和数值计算、自动编程软件编程、手工编程、程序录入、验证程序的正确性等等，提高了生产效率，保证了产品质量。

(5)开发编制的上千个通用宏程序和通用宏子程序及生产加工应用实例，附有详细、清晰的视图、注释说明，可供从事数控加工操作及编程人员、数控行业的工程技术人员、各类职业技术院校相关专业师生参考使用。

(6)通用宏程序和通用宏子程序的标准化与结构化编程的应用，对于数控设备加工的车、铣、钻、铰、镗、攻丝、刨、磨等数控程序的编制与应用具有很好的参考价值。

(7)进行经济性分析，具体应体现如：节约劳动强度后节省多少元，减少废品数后节省多少元，降低生产成本后节省多少元等等，“直接经济效益”指创新成果单次直接取得的经济效益：“间接经济效益”指创新成果全年取得的全部经济效益的总和；

直接经济效益：每种零件编制程序节约时间0.8～6小时，平均每种零件节约(0.8+6)/2＝3.4小时/种，按每小时节约成本360元计算，单次直接取得的经济效益：3.4小时/种×360元/小时＝1224元/种。

间接经济效益：每种零件节约时间0.8～6小时，平均每种零件节约(0.8+6)/2＝3.4小时/种，全年加工零件编制程序大约5000种，按每小时节约成本360元计算，全年经济效益：5000种/年×3.4小时/种×360元/小时＝6120000元/年。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取零件图纸，根据所述零件图纸对零件的材料组成、三维形状、尺寸公差、形位公差进行分析，确定数控设备类型、加工路线、加工工艺方案和关键项点精度要求；

步骤2：确定零件的工装夹具以及定位方法，建立工件零点坐标系，确定X轴、Y轴、Z轴程序原点；

步骤3：确定加工路线和加工工艺方案后，根据零件加工工序内容，给数控设备配备相应的刀具，并选择切削参数，所述切削参数包括工装定位参数、机床参数、程序参数、刀具参数以及切削用量三要素；

步骤4：利用数控输入装置直接输入或者通过数控设备通讯接口从控制介质调用所述零件所需的预先编制的通用宏程序和通用宏子程序，利用所述的通用宏程序和通用宏子程序的模块化组合完成数控程序的标准化与结构化编程，对编程后的数控程序的参数变量进行赋值，得到加工主程序；

步骤5：通过数控设备自有的程序图像模拟或者空运行，验证加工主宏程序的正确性；

步骤6：验证通过后，所述数控设备执行加工主程序，进行零件加工。

2.根据权利要求1所述的一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法，其特征在于，步骤6包括以下内容：

验证通过后，所述数控设备执行加工主程序进行首件试切，以检验加工主程序的正确性和加工精度是否符合图纸公差要求，当加工主程序正确、工装夹具和刀具合理、加工精度满足图纸公差要求后，所述数控设备执行加工主程序，进行零件批量加工生产。

3.根据权利要求1所述的一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法，其特征在于，按照数控设备规定的指令代码及程序格式开发编制通用宏程序和通用宏子程序的加工程序单，再把加工程序单中的内容记录在控制介质上，所述控制介质选择穿孔纸带、磁带、磁盘、优盘、CF卡、电脑、电脑笔记本中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法，其特征在于，所述通用宏程序和通用宏子程序包括凸凹内外圆加工通用宏程序和通用宏子程序、凸凹多边形加工通用宏程序和通用宏子程序、凸凹键槽加工通用宏程序和通用宏子程序、凸凹长圆孔加工通用宏程序和通用宏子程序、钻孔加工通用宏程序和通用宏子程序、攻丝加工通用宏程序和通用宏子程序、凸凹椭圆加工通用宏程序和通用宏子程序、凸凹球面加工通用宏程序和通用宏子程序、圆形孔口倒圆角加工通用宏程序和通用宏子程序、圆形孔口倒直角加工通用宏程序和通用宏子程序、椭圆形孔口倒圆角加工通用宏程序和通用宏子程序、椭圆形孔口倒直角加工通用宏程序和通用宏子程序、多边形孔口倒圆角加工通用宏程序和通用宏子程序、多边形孔口倒直角加工通用宏程序和通用宏子程序、数学公式凸凹模型加工通用宏程序和通用宏子程序、算术运算及程序跳转加工通用宏程序和通用宏子程序、阵列加工通用宏程序和通用宏子程序和可编程的加工通用宏程序和通用宏子程序。

5.根据权利要求4所述的一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法，其特征在于，当遇到加工零件为凸凹内外圆、凸凹多边形、凸凹键槽、凸凹长圆孔、钻孔、攻丝、凸凹椭圆、凸凹球面、圆形孔口倒圆角、圆形孔口倒直角、椭圆形孔口倒圆角、椭圆形孔口倒直角、多边形孔口倒圆角、多边形孔口倒直角、数学公式凸凹模型加工、算术运算及程序跳转加工、阵列加工、可编程的加工时，分别调用各自的通用宏程序和通用宏子程序，利用绝对尺寸编程G90或可编程零点偏移指令找到通用宏程序和通用宏子程序起始点，根据图纸加工要求，进行通用宏程序和通用宏子程序中的参数变量赋值，将各个通用宏程序和通用宏子程序进行模块化组合，即可完成该零件加工主程序的编制。

6.根据权利要求4所述的一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法，其特征在于，所述凸凹内外圆加工通用宏程序和通用宏子程序包括内圆的加工通用宏子程序L20，内圆的加工通用宏子程序L20如下：

L20；内圆加工通用宏子程序名；

N10 G90 G54 G00 Z160；绝对尺寸编程，建立工件零点坐标系G54，刀具以快速移动速度到达Z160坐标点；

N20 Z10；刀具以快速移动速度到达安全距离Z10坐标点；

N30 X＝R26 Y＝R27；确定圆心坐标，圆心X、Y为图纸要求的任意坐标点，R26和R27为参数变量；

N40 G01 Z＝R28 F1200；直线插补，按照进给速度1200毫米/分钟，刀具到达工件加工深度Z＝R28坐标点，深度R28为参数变量；

N50 G91 G41 X0 Y0；用增量尺寸编程，刀具半径左侧补偿，刀具到达X0 Y0坐标点；

N60 R30＝R29/2；切入、切出圆弧半径参数变量设为R30＝R29/2，参数变量R29为图纸要求的加工圆半径；

N70 G03 X＝R29 Y0 CR＝R30；逆时针圆弧插补切入，切入圆弧半径为参数变量R30，刀具到达X＝R29 Y0坐标点；

N80 X0 Y0 I＝-R29 J＝0；逆时针整圆插补；

N90 X＝-R29 Y0 CR＝R30；逆时针圆弧插补切出；

N100 G40 G01 X0 Y0；取消刀具半径补偿，用增量尺寸编程，直线插补，按照进给速度1200毫米/分钟，刀具达到X0Y0坐标点；

N110 G90 G00 Z160；绝对尺寸编程，刀具以快速移动速度到达Z160坐标点；

N120 M17；子程序结束。

7.根据权利要求6所述的一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法，其特征在于，用于内圆工件加工的主程序通过以下方式编制：

调用所述内圆加工通用宏子程序，根据图纸要求，给参数变量赋值，改变圆心坐标、深度及半径后完成用于内圆工件加工的加工主程序的编制。

8.根据权利要求7所述的一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法，其特征在于，用于内圆工件加工的主程序CRRC_616如下：

CRRC_616；内圆工件加工的主程序名；

N10 T16 D2；刀具号为16号，刀沿号为2号；

N20 G90 G54 G00 Z200；绝对尺寸编程，建立工件零点坐标系G54，刀具以快速移动速度到达Z200坐标点；

N30 M03 S2000 M08 F1500；主轴正转，转速2000转/分钟，冷却液开，进给速度为1500毫米/分钟；

N40 R26＝..R27＝..R28＝..R29＝..；根据加工图纸尺寸要求，给参数变量赋值；

N50 L20；调用内圆加工通用子程序；

N60 M09 M05 G90 G00 Z200；冷却液关闭，主轴转动停止，绝对尺寸编程，刀具以快速移动速度到达Z200坐标点；

N70 M30；程序结束。

9.根据权利要求4所述的一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法，其特征在于，

将椭圆方程

转化为参数方程

参数变量R设定：设定椭圆长半轴长度参数变量R20＝a，短半轴长度参数变量R21＝b，加工角度参数变量R22＝θ，选用的加工刀具半径参数变量为R23＝D/2；

通过参数方程编制的外椭圆加工通用宏程序CRRC_618如下：

CRRC_618；外椭圆通用宏程序名；

N10 T12D1；刀具号为12号，刀沿号为1号；

N20 R20＝..R21＝..R23＝..；按照图纸要求，进行椭圆长半轴、短半轴赋值，根据选择刀具，进行刀具半径赋值；

N30 G90 G54 G00 Z200；绝对尺寸编程，建立工件零点坐标系G54，刀具以快速移动速度到达Z200坐标点；

N40 M03 S2000；主轴正转，转速2000转/分钟；

N50 X＝R20+R23+R23 Y0；刀具让出刀具直径安全距离，刀具以快速移动速度到达X＝R20+R23+R23 Y0坐标点；

N60 Z10 M08；刀具以快速移动速度到达安全距离Z10，冷却液开；

N70 G01 Z＝R24 F1200；直线插补，按照进给速度1200毫米/分钟，到达椭圆加工深度Z＝R24，参数变量R24为椭圆加工深度；

N80 R22＝0；给椭圆加工角度参数变量R22赋予初始值，刀具处于起始加工角度0°位置；

N90 ABC：；标识符号；

N100 G64 G42 G01 X＝R20*COS(R22)Y＝R21*SIN(R22)F1600；连续路径加工方式，刀具半径右侧补偿，直线插补，按照进给速度1600毫米/分钟，用直线插补拟合椭圆曲线；

N110 R22＝R22+0.1；每次增加0.1度，该值决定拟合精度；

N120 IF R22<＝360GOTOB ABC；条件判定语句，如果R22小于等于360°，向前跳转到ABC：标识符号，椭圆加工角度参数变量R22终止角度为360°，直至一个椭圆加工完成为止；

N130 G40 G00 X＝R20+R23+R23 Y0；取消刀具半径补偿，刀具以快速移动速度到达让出刀具直径安全距离位置，到达X＝R20+R23+R23 Y0坐标点；

N140 G90 Z160；绝对尺寸编程，刀具以快速移动速度到达Z160坐标点；

N150 M09 M05；冷却液关闭，主轴转动停止；

N160 M30；程序结束。

10.根据权利要求4所述的一种基于数控程序的标准化与结构化编程的数控设备加工方法，其特征在于，所述凸凹球面加工通用宏程序和通用宏子程序包括外凸球面加工通用宏程序CRRC_619，外凸球面加工通用宏程序CRRC_619如下：

CRRC_619；外凸球面通用宏程序名；

N10 T10 D2；刀具号为10号，刀沿号为2号；

N20 G17 G54 G90 G00 Z260；选择XY平面，确定工件零点坐标系为G54，绝对尺寸编程，刀具以快速移动速度到达Z260坐标点；

N30 M03 S2000M08；主轴正转，转速2000转/分钟，冷却液开；

N40 R1＝89.998R2＝..R3＝..R26＝..R27＝..；根据图纸尺寸要求，给参数变量R1、R2、R3、R26、R27赋值，其中参数变量R1为外凸球面加工角度变量，给外凸球面加工角度参数变量R1赋予初始值R1＝89.998，R2为加工凸球面球的半径SR，R3为选用加工刀具的半径，R26和R27分别为加工图纸要求的外凸球面球心X、Y坐标；

N50 TRANS X＝R26 Y＝R27；可编程的零点偏移到赋值的X＝R26Y＝R27坐标点；

N60 G90 G00 X0 Y0；绝对尺寸编制程序，刀具以快速移动速度到达可编程的零点偏移X0 Y0坐标点；

N70 X＝R2+R3+R3 Y0；刀具让出刀具直径安全距离，到达X＝R2+R3+R3Y0坐标点；

N80 Z＝R2+6；刀具以快速移动速度到达安全距离Z＝R2+6坐标点；

N90 G01 Z＝R2 F1500；按照进给速度1500毫米/分钟，到达Z＝R2赋值坐标点；

N100 AAAA：；标识符号；

N110 G41 G01 X＝R2*COS(R1)Y0 F1800；刀具半径左侧补偿，直线插补，按照进给速度1800毫米/分钟，到达X＝R2*COS(R1)Y0坐标点；

N120 Z＝R2*SIN(R1)；直线插补，按照进给速度1800毫米/分钟，到达Z＝R2*SIN(R1)坐标点；

N130 G02 I＝-R2*COS(R1)J0；顺时针圆弧插补整圆；

N140 R1＝R1-0.1；计算球面加工角度R1参数变量值；

N150 IF R1>＝0GOTOB AAAA；条件判定语句，如果R1大于等于0°，向前跳转到AAAA：；标识符号，外凸球面加工角度参数变量R1终止角度为0°，直至外凸球面加工完为止；

N160 G40 G00 X＝R2+R3+R3 Y0；取消刀具半径补偿，刀具以快速移动速度到达X＝R2+R3+R3 Y0坐标点；

N170 G90 Z160；绝对尺寸编程，到达Z160坐标点；

N180 M09 M05；冷却液关闭，主轴转动停止；

N190 TRANS；注销可编程的零点偏移指令；

N200 M30；程序结束。

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