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子程序在数控车编程的应用
子程序在数控车编程的应用【1】
【摘 要】 子程序常用于加工几何形状完全相同或相似的加工轨迹，是数控车床手工编程的常用方法之一。
正确使用子程序，可以有效简化手工编程工作量，减少程序所占内存，提高加工效率。
本文主要对子程序进行简要介绍，并以具体实例加以说明。
【关键词】 数控车子程序 编程 应用
1 引言
在数控加工中，有时在一个零件上，有两处或两处以上形状和大小都相同的加工部位，为简化程序的编制，可以用子程序来加工，或调用子程序实现循环加工，以减少编制程序时需要计算的基点的个数，简化编程。
2 子程序介绍
(1)子程序的定义。
某些被加工的零件中，常常会出现几何形状完全相同的加工轨迹，在编制加工程序时，有一些固定顺序和重复模式的程序段，通常在几个程序中都会使用它。
这个典型的加工程序段可以做成固定程序，并单独加以命名，这组程序段就称为子程序。
(2)子程序的作用。
使用子程序可以减少不必要的重复编程，从而达到简化编程的目的。
主程序可以调用子程序，一个子程序也可以调用下一级子程序。
子程序必须在主程序结束指令后建立，其作用相当于一个固定循环。
(3)子程序的格式。
子程序的格式与主程序相同，在子程序的开头编制子程序号，在子程序的结尾用M99指令结束子程序并返回主程序。
O××××
…
M99
(4)子程序的调用。
在主程序中，调用子程序的指令是一个程序段。
指令：M98
格式：M98 P×××× ×××× (前四位为调用次数，后四位为子程序号)
或M98 P×××× L××××(P后面为子程序号，L为调用次数)
说明：省略循环次数时，默认循环次数为一次。
(5)子程序的嵌套。
子程序调用另一个子程序，称为子程序的嵌套。
主程序调用同一子程序执行加工，最多可执行9999次，但是子程序的嵌套不是无限次的，在编程中使用较多的是二重嵌套(不同的系统其执行的次数及层次不同)，其程序执行情况如图1所示。
3 应用子程序编程实例
(1)等距槽可以利用循环或子程序进行编程，但加工不等距槽时，就体现出了利用子程序进行编程的优势。
例如：图2所示为车削不等距槽，已知02号刀为切槽刀，刀刃宽度为4mm，左刀尖对刀， 35mm外圆已加工好，试通过调用子程序的形式编写其加工程序。
1)主程序。
O0001
N10 G50 X100.0 Z100.0;设定工件坐标系。
N20 M03 S900;主轴正转，转速900r/min。
N30 T0202;换02号切槽刀。
N40 G00 X38.0;快速定位到38mm处。
N50 Z-20.0 M08;快速定位，准备切槽，开冷却液。
N60 M98 P31000;调用O1000的子程序3次。
N70 G00 X50.0 Z-138.0;快速定位。
N80 G01 X0 F30;切断。
N90 M30;程序结束。
2)子程序。
O1000
N10 G00 W-4.0;Z轴负向移动4mm至第一槽处。
N20 G01 U-13.0F30;切第一槽至指定尺寸。
N30 G04 X1.0;槽底停留1S。
N40 G01 U13.0;X方向退出。
N50 G00 W-14.0;快速定位第二槽处。
N60 G01 U-13.0;切第二槽至指定尺寸。
N70 G04 X1.0;槽底停留1S。
N80 G01 U13.0;X方向退出。
N90 G00 W-20.0;Z轴负向移动20mm。
N100 M99;子程序结束，并返回主程序。
(2)如果加工等距槽，但是形状较复杂时，循环指令就失效了，这时应用子程序就可以大大提高编程的效率。
例如：图3所示为车削等距复杂型槽，已知02号刀为切槽刀，刀刃宽度为3mm，左刀尖对刀，28mm外圆已加工好，试通过调用子程序的形式编写其加工程序。
1)主程序。
O0002
N10 G50 X100.0 Z100.0; 设定工件坐标系。
N20 M03 S600; 主轴正转，转速600r/min。
N30 T0101; 选择1号外圆刀。
N40 G00 X30.0 Z2.0;定位至30mm，距端面正向2mm。
N50 G71 U1.0 R0.5; 采用复合循环粗加工半圆球、外圆、外圆锥面等，
N60 G71 P70 Q130 U0.5 W0 F100; X正方向留精加工余量0.5mm。
N70 G42 G01 X0 F50;
N80 Z0;
N90 G03 X20.0 W-10.0 R10.0;
N100 G01 Z-42.0;
N110 X25.0 Z-50.0;
N120 Z-55.0;
N130 G40 X30.0;
N140 M00 M05;主轴停，程序加工暂停，检测工件。
N150 M03 S1200;主轴正转，转速 1200r/min。
N160 G70 P70 Q130;精加工半圆球、外圆、外圆锥面等。
N170 G00 X100.0 Z100.0;返回换刀点，主轴停。
N180 M03 S800;主轴正转，转速 800r/min。
N190 T0202; 换02号切槽刀。
N200 G00 X22.0 Z-10.7M08;快速定位，准备切槽，开冷却液。
N210 M98 P32000;调用O2000的子程序3次，加工3处等距外沟槽。
N220 G00 X100.0 Z100.0; 返回换刀点。
N230 M30; 程序结束。
2)子程序。
O2000
N10 G00 W-8.6;刀具沿Z轴负方向平移8.6mm。
N20 G01 U-10.0 F20;沿径向切槽至槽底。
N30 G04 X1.0;槽底停留1S。
N40 G00 U10.0 F500;快速退至22mm处。
N50 W1.3;沿Z轴正方向平移1.3mm。
N60 G01 U-2.0;沿径向移动至20mm处。
N70 U-8.0 W-1.3;刀具切沟槽右侧面至槽底。
N80 G00 U10.0;快速退至22mm处。
N90 W-1.3; 沿Z轴正方向平移1.3mm。
N100 G01 U-2.0;沿径向移动至20mm处。
N110 U-8.0 W1.3;刀具切沟槽左侧面至槽底。
N120 G00 U10.0;快速退至22mm处。
N130 M99;子程序结束，并返回主程序。
4 结语
编写子程序时注意应用增量坐标写出加工路线，让程序沿X向(或Z向)循环进刀，设置好背吃刀量，计算出加工次数，在主程序中进行调用。
这种方法可减少基点的计算个数，适用于各种形状复杂的零件，使这类零件在数控机床上的编程变得简便。
灵活的应用子程序，在很大程度上提高了零件的加工效率，并且在实际生产中收到了良好的效果。
参考文献：
[1]谢晓红.数控车削编程与加工技术.北京：电子工业出版社，2008.7.
[2]黄康美.数控加工编程.上海交通大学出版社，2004.8.
[3]宋放之.数控工艺培训教程.清华大学出版社，2003.8.
主程序调用子程序的编程方案在数控教学中的应用【2】
一、手工编程在教学和生产中的概况及意义
在制造业非常发达的华南(以珠三角地区为代表)和(以江浙地区为代表)，各类CAD\CAM软件的应用由来已久，而且非常广泛和成熟，即使在那些只有1～2部数控铣床或加工中心的“路边加工店”里，也随处可见Mastercam、 UG、 PRO\E、Cimatron、Powermill、Surfcam等世界知名CAD\CAM软件的身影。
到目前为止，各类CAD\CAM软件应用日趋普及，特别是数控三维曲面加工，使手工编程几乎已没有用武之地。
但是必须强调的是，手工编程是根本，是基础，各种疑难杂症的解决往往还要利用手工编程;再者，学习手工编程有利于进一步完善数控程序，所以在学校中教学手工编程有着极其重要的意义，特别是“模块式”课程教学手工程序。
另外，当一些中小型认为使用正版CAD\CAM软件成本过高时，手工编程(更高层次的变量编程，即宏程序的运用)就会显示其使用价值。
因此手工编程在教学和生产中仍具有极其重要的地位。
笔者根据多年的数控生产实践经验和教学实践，提出采用主程序调用子程序的编程方案，编写结构化数控程序，有效地改善数控程序的可读性与安全性，给教学和生产带来了安全与便利。
二、用主程序调用子程序编程方案的优点
GSL990M铣床数控系统中，在主程序中用M98指令调用子程序，而在子程序中用M99指令返回主程序。
采用主程序调用子程序进行编程有两大用途，一是把需要重复使用的边界程序段编写成子程序，避免了程序编写重复，使程序简洁;二是把需要重复实现的功能用子程序来完成，使程序清晰易读。
阵列孔加工程序采用子程序结构，充分说明了以上第一用途;多工序加工中，系列辅助功能(如换刀、刀具长度补偿等)采用子程序结构，说明了以上第二个用途。
三、两个重要子程序
多工序加工中无原则经常换刀，换刀后在刀具接近工件的过程中，又需建立刀具的长度补偿。
如果将这两项功能编写成两个子程序，将使主程序结构清晰、易变，而且不容易出错。
下面介绍两个子程序。
1.换刀子程序
O5555;
N0001 G80G40M09;撤消固定循环、撤消半径补偿、
关冷却液
N0002 G91G28Z0M05;通过当前点返回参考点、主轴
停转
N0003 G49;刀具长度偏移注销
N0004 M06;换刀准备，具体调用的刀具号由主程序
指定
N0005 M99;返回主程序
由此可见，换刀子程序除实现换刀功能外，还撤销了固定循环、刀具半径补偿、刀具长度补偿，实现关冷却液、停止主轴旋转功能，使系统基本复原到初始状态，起到防止误操作的作用，提高了程序的安全性。
2.刀具接近子程序
O5554;
N0001 G90G00X0Y0;检验X、Y坐标原点是否正确
N0002 M03;主轴正转，具体转速由主程序指定
N0003 G43G00Z100;建立刀具长度补偿，并移动到
Z=100mm的位置，具体补偿参数 由主程序指定
N0004 M07;开冷却液
N0005 M99;返回主程序
刀具接近子程序建立了刀具的长度补偿，并且使刀具到坐标点(0，0，100)的位置，起到了检查工件坐标系(WCS)原点是否正确的作用，提高了程序运行的安全性。
四、数控加工中工序概念的定义
为了说明多工序加工数控编程，需对数控加工中的工序概念进行重新定义。
传统机械加工中的工序概念，以两个方面区分工序，一是工序过程是否连续完成;二是工作场地是否发生变化。
显然，这种传统的工序定义在数控加工中已不适用，应对数控加工工序提出新的定义。
数控加工以是否更换加工程序来区分工序，更符合数控加工的实际情况。
进一步说，数控加工工序是指工件的一次安装中，使用同一把刀具、同一工艺参数和同一数控加工程序对工件进行加工，所连续完成的那一部分工艺过程。
基于以上数控加工工序的定义，数控加工工艺过程卡包括：工序号、工序名称(应说明加工部位、加工性质、加工阶段)、刀具、安装方案和有关工艺装备、工艺参数、数控程序号、加工区域简图等内容。
反之，数控加工工序过程卡也正好明确了数控加工工序的概念。
五、多工序加工中采用的主程序结构
在建立数控加工工序概念的基础上，通过调用两个重要子程序，可以对多工序数控加工编写出结构性、可读性好的主程序。
假如要完成两道工序的数控加工，这两道工序分别使用说明01#、02#刀具，长度补偿值分别存放在H01、H02内存单元，转速分别为1000r/min、1200r/min，加工子程序号为O1000、O2000。
以此说明主程序编写结构。
O0001;
N0001 G54;建立工件坐标系
N0002 T01M98P5555;换01#刀具
N0003 S1000H01M98P5554;01#刀具定位到坐标点 (0，0，100)
N0004 M98P1000;调用第一道工序的加工程序;
以上程序完成第一工序的加工
N0005 T02M98P5555;
N0006 S1200H02M98P5554;
N0007 M98P2000;调用第二道工序的加工程序;
以上程序完成第二道工序的加工
N0008 T02M98P5555;
N0009 M30
可见，多道工序的数控加工程序可依次编写。
此主程序结构简单、编写容易、程序易读，由于在每道工序加工中不必考虑刀具长度补偿的建立与撤消，程序运行的安全性好，而且编程人员可以集中编写每道工序的加工子程序。
对于每道工序的加工子程序，编写人员只要从坐标点(0，0，100)开始编写，不必考虑刀具长度补偿以及开关指令(换刀、主轴启动/停止、冷却液开/关)等，只要考虑快速移动(G00)、切削加工(G01、G02)、指定进给速度(F指令)、刀具半径补偿(G41、G42、G40)和固定循环等指令。
综上所述，通过多年一线生产实践和教学的经验，在多工序数控加工编程中，采用主程序调用子程序的编程方案，充分改善了程序的结构性、可读性，并且大大提高了编程效率。
子程序在数控实训中的应用【3】
在数控实训中，程序的长度会随着工件的复杂程度、所使用刀具的数量、编程方法和其他因素的变化而不同。
一般来说，程序越短，编程的时间就会越短，在系统中占用的空间也会越小，而且短程序容易检查、修改和优化，所以也能减小发生人为错误的可能性。
在很多数控系统中都会有一些缩短程序长度的功能应用。
如：FANUC系统中的固定循环、复合循环、宏程序等都是具有缩短程序长度的功能应用。
笔者介绍一种有效的缩短编程长度的应用——子程序。
一、子程序的概念
数控程序都是由一系列不同的辅助功能(M、S、T、F)、准备功能(G代码)和地址字(X_Y_Z_A_B_C_)组成，如果程序中包含两个或两个以上重复的程序段，就可以将程序结构从单一的长程序拆分为两个或多个独立的程序，每个重复程序段只编写一次，在需要的时候进行调用。
这种拆分后缩短的独立程序就称为子程序。
数控系统中有专门的M代码在一个程序中调用另一个程序，调用其他程序的第一个程序就称为主程序，所有其他被调用的程序称为子程序。
主程序不能被子程序调用，它位于所有程序的最顶层。
子程序之间可以相互调用，直到达到一定的嵌套数目(一般为四层)。
特别需要指出的是，在使用子程序进行简化编程加工零件时，选择的加工程序一定是主程序，子程序不会被直接用于加工，它只能通过主程序的调用才能实现加工的目的。
二、子程序的优点
1.可反复使用
零件图上有两处或两处以上相同的轮廓轨迹。
在这种情况下只要编写一个子程序，然后用主程序调用该子程序就可实现简化编程的加工。
2.分层或分行加工
加工中反复出现相同轨迹的走刀路线。
如果被加工的零件需要刀具在某一区域内进行反复的分层或分行走刀，走刀轨迹总是沿着某一特定的形状垂直或水平走刀，在这种情况下采用子程序就比较方便。
需要注意的是，在利用调用子程序进行分行或分层加工时一般多采用相对值编程的方式。
3.程序内容具有独立性
在加工比较复杂的零件时，往往包含很多独立的工序，有时候工序之间的先后顺序会根据加工环境的不同而有所调整，把所有工序编成一段长程序，修改工序位置的时候就会很复杂，出错率也会提高。
但如果把每一个工序都编成一个独立的子程序，让程序自然分成若干个短程序，在需要的时候用主程序调用，修改的时候也只需要修改某一个子程序，这样程序就会变得很简单，出错率也会大大降低。
4.设备检测及预热
在新设备的调试阶段，总有为了检测某一部件某一重复运动的可靠率而进行的子程序编程，比如检测加工中心的刀库换刀功能是否正常。
在这种情况下，技术人员总是会让刀库不停地换刀几小时甚至几十小时，以验证刀库的可靠性。
另一种情况是操作人员在使用设备的时候，每次开机总会有一个预热的过程(一般是回参考点)。
这个预热过程，每次开机都是重复的，所以可以通过子程序编写独立的程序，在每次开机时通过主程序调用执行。
三、子程序在数控实训中的应用实例
1.数控车床程序重复性开头的应用
在数控车床实训中，辅助功能是很重要的程序，它主要包括主轴旋转方式、转速、刀具、进给方式及各种参数的定义。
这些功能在很多零件加工中是重复性的，很有可能在一个学期的学习课程里，不同的辅助功能搭配就只有2～3种方式，而编写的程序一般都会有几十条以上。
例1：如以下4个程序段“M03 S1000 G99 T101;G00 X30 Z2;G71 U2 R1;G71 P1 Q2 U1 F0.3”。
表示普通数控车床在加工直径为30mm的圆棒料，具有单调性外轮廓的循环开头。
像这种程序开头，在很多程序中都是一样的，我们可以通过单独把这4段建立一个子程序，然后通过主程序调用，达到减少编程工作量的目的。
2.在螺纹加工中的应用
在数控实训中加工常规螺纹一般可以通过G76复合循环或者G92固定循环达到简化编程、提高工作效率、减少出错的目的。
但是有些非标或异形的螺纹，它所运行的轨迹在模块化的循环功能指令范围之外。
比如在圆上加工一段花瓣形螺纹，或者在光轴上加工变螺距螺纹。
在这些轨迹上就必须使用最基本的螺纹G代码G32/G33/G34。
由于基本螺纹G代码只能实现单段螺纹车削，每切削一刀螺纹都必须编写多条程序段，而且每一次切削都是分层且具有重复性的，所以为了提高工作效率，只能采用调用子程序功能。
3.加工中心回零点的应用
在铣床及加工中心实训中，回零操作是很重要的一个步骤。
每次开机都必须重复一次回零操作。
例2：如以下6个程序段“G20;G17 G40 G80;G91 G28 Z0 ;G28 X0 Y0;G28 B0;G90”。
表示卧式加工中心的回零操作。
像这种程序段在机床中的每个新程序中都必须重复编写，而且每次都要重复相同的指令序列。
为了消除出错的可能性，可以将这段程序单独编为子程序，在运行程序时通过主程序调用。
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