系统变量在数控铣削加工中的应用研究
0 引言
在数控铣削加工中，一般直接根据零件的实际轮廓编程，而不需考虑实际刀具尺寸的影响，然后通过在数控系统中设置正确的刀具补偿(简称刀补)值来完成加工，并能在加工过程中更改刀补值来实现零件的粗加工和精加工。更改刀补值的操作一般由操作工人来完成，需经过“MDI方式输入刀补值——启动程序——加工完成停机”过程，而这一过程要占用有效机时，会降低工作效率和机床利用率，在批量生产中，这种情况更为突出。而且在操作的过程中，需记住所需修改的刀补值，且有时还会出现输入错误的情况，若刀补值记错或输错，很可能会导致加工出来的产品为废品。为提高数控机床的利用率和自动化程度，减少操作工人的劳动强度或操作工人数，使一个工人可以看管多台数控机床，提高产品的合格率，利用数控系统的宏程序及其系统变量代替人工修改系统的刀补值可以有效解决这些问题。
本文以FANUC数控系统为例，阐述了刀具补偿原理及操作，宏程序及相关系统变量，说明利用数控系统的宏程序及其系统变量代替人工修改刀补值的编程思路和步骤。实例表明，效果良好，其解决问题的思路可以推广其他数控系统，为编程员提供编程思路，特别是在批量生产中能为企业带来非常可观的经济效率。
1 刀具补偿原理及操作
在数控加工过程中，数控系统的实际控制对象是刀具中心或刀架相关点，数控系统通过直接控制刀具中心或刀架相关点的运动轨迹米间接地实现零件轮廓加工。然而，实际刀具参与切削的部位是刀尖或刀刃边缘，它们与刀具中心或刀架相关点之间存在若尺寸偏差，因此数控系统必须根据刀尖或刀刃边缘的实际坐标位置(即零件轮廓的实际坐标位置)来计算出刀具中心或刀架参考点的相对坐标位置，这种计算过程称为刀具补偿。
对于具有刀具补偿功能的数控系统．在编制加工程序时．接加工零件的实际轮廓编程。加工前测量实际的刀具半径、长度和位置等．作为刀具补偿参数输人数控系统．可“加工出台平尺寸要求的零件轮廓。所以刀具补偿功能不仅可以大大简化数控加工程序的编写工作，而且还可“提高数控加上程序的利用率满足加工工艺的一些要求，如因为刀具磨损、重磨和刀具更换等原因致使刀具尺寸发生变化时，只需修改相应的刀具参数，仍用原程序就能保证零件的加工要求。再如对同一零件轮廓进行粗加工、半精加工和精加工等多道工序时，不必编写三种加工程序，可以通过逐次改变刀具平径补偿值大小的办法，调整每次进给量，并将各道工序所预留的加工余量加人刀具参散，即可达到利用同一程序实现不同工序的加工要求。
刀具补偿分为刀具长度补偿和刀具半径补偿2种。
刀具长度补偿通过执行古有C43(G44)和H指令来实现，而指令G49是取消C-43(G44)指令的。G43表示存储器中补偿量与程序指令的终点坐标值相加，G44表示相减。若程序段为G43 z56 H05．05存储器中值为16．则表示终点坐标值为56+16=72mm。
在轮廓加工时，刀具中心运动轨迹与被加工零件的实际轮廓要偏移定距离．这种偏移称为刀具半径补偿，又称刀具中心偏移。当刀具中心轨迹在程序规定的前进方向的左边时称为左刀补，用G41表示，如图1a所示；当刀具中心轨迹在程序规定的前进方向的右边时称为右刀朴．用G42表示，如图1b所示；G40为取消刀具半径补偿指令。
刀具补偿所使用的刀具半径、刀具长度等刀具参数，应该在程序运行前预先存人刀具参数表中，如图2所示。刀具补偿值输A到CNC存储器中的常用方法是从CRT面板手动输入，但这一做法必须在停车后才能输人，且要经过计算，经常会出现输错的情况，并占用大量的加工时间。为了避免加工出错和提高生产效率，采用系统变量埘其读写。
2 宏程序殛系统变量
2.1宏程序
通过对变量进行赋值及扯理的方法达到程序功能的程序叫宏程序。在数控加工中，用户宏程序使用得相当普遍，使用好宏程序，对于提高特程效率、降低出错率和提高加工机床占用牢有着十分显著的作用。不同的系统的宏程序的语法有所Ⅸ别，在FANUC、华中数控系统巾，以#加地址来表示变量．在SIEMENS数控系统中变量则称为R参数。
用户宏程序是以变量的组合．通过各种算术和逻辑运算、转穆和循环等命令，而编制的一种可“灵活运用的程序，只要改变变量的值，即可完戚不同的加工或操作。用户宏程序可咀简化程序的编制．提高工作效率。加工程序中可“像调用子程序一样用一个简单指令即可调用宏程序。
一般数控系统将变量分为局部变量、公用变量和系统变量。局部变量的变量号为#1～#33，它是在宏程序中局部使用的变量，用于自变量转移，只能在一个宏程序中使用。公用变量：用户可以自由使用，它对于由主程序调用的各子程序及各宏程序来说是可以公用的。其中#100～#149在关掉电源后，变量值全部被清除；而#500～#549在关掉电源后，变量值则可以保存。
2.2 系统变量
系统变量由#后跟4位或5位数字来定义，它能获取包含在机床处理器或NC内存中的只读或读/写信息，包括与机床处理器有关的交换参数、机床状态参数、加工参数等系统信息。不同的数控系统其系统变量的规定不一样，使用时应查阅相关使用手册或说明书。以FANUC 0i．M铣床数控系统为例，系统变量#2001～#2200(#11001一#11400)存储刀具长度H磨损值，#2201～#2400(#10001～#10400)存储刀具长度H形状值，#12001～#12400存储刀具直径D磨损值，#13001～#13400存储刀具直径D形状值，这些值分别对应图2中的(形状)日、(磨耗)H、(形状)D、(磨耗)D列，变量名的前两位表示刀补类型，后三位表示刀补号，即刀具参数表中的番号，如图2所示。
3 系统变量在数控铣削加工中的应用
如图3所示，要铣出一条槽宽有精度要求的封闭沟槽，在数控铣床上可用一把键槽铣刀完成。通过图形和工艺分析可知应选一把Φ12的键槽铣刀。按常规方法编程，就是要把槽内、外轮廓上各点坐标先计算出来，再把加工内轮廓编写一个程序、加工外轮廓编写一个程序，然后分别加工。显而易见，这种方法非常浪费时间。
若巧妙地应用刀具半径补偿和刀具长度补偿可使工作量大大减少，既能节约时间，又能合理地加工出合格零件。即只需按尺寸标注计算出图3中内轮廓上各节点的坐标，并编写一个加工内轮廓的程序即可。当加工内轮廓时，把刀补值设为刀具的实际半径；而加工外轮廓时，把刀补值要设为(槽宽-刀具半径)。采用此方法加工内外壁的特点就是只需编写一个程序，通过不断修改刀补值来完成内外壁的粗精加工。若粗加工后需要进行精加工，则粗加工内、外轮廓时，设置刀补值要把精加工余量考虑进去，而且加工内轮廓时刀补值应加上余量、外轮廓刀补值应减去余量。
采用上述方法进行加工，在一个切深的情况下需要经过四次“MDI方式输入刀补值——启动程序——加工完成停机”的过程，在Ⅳ个切深的情况下，则需要4N个操作循环过程。若采用系统变量自动修改刀补值，则只需1次操作循环过程，此时，输入的刀补值为刀具的实际长度和半径。其加工过程如下：
(1)刀具补偿值的输入在MDI方式下，将刀具的实际长度和半径输入刀具补偿表，即图2中番号对应的(形状)H列和(形状)D列中。若刀具存在磨损，则将其长度磨损值和半径磨损值分别输入图1中番号对应的的磨损Ⅳ列和磨损D列中。
(2)用宏变量通过系统变量记录刀具的实际形状值和磨损值以T02刀号为例：
#101=#2002；(存储2号刀具长度日磨损值)
#102=#2202；(存储2号刀具长度日形状值)
#103=#12002；(存储2号刀具半径D磨损值)
#104=#13002；(存储2号刀具半径D形状值)
(3)建立分层切削加工循环每加工完一个切深，在存储刀具长度日形状值的系统变量上增加一个切深值△ h，即#2202=#2202+△h，该循环执行到最终加工尺寸，即最后进行精加T循环。在倒数第2个循环时应同时考虑精加工余量和切深来修改日形状值的系统变量。
(4)建立内、外轮廓粗、精加工的加工循环加工时按内轮廓编程，即内轮廓为刀具中心轨迹，则槽内侧的内轮廓精加工时，刀具半径补偿直接按实际刀具半径R进行补偿即可，如图4所示。
内轮廓的粗加工应为精加工预留精加工余量dr，故此刀具半径补偿应为刀具实际半径R与精加工余量之和，即R+dr。由图4可知，要对外轮廓进行精加工，首先刀具应向槽外侧方向偏移1个槽宽曰的距离，然后再向槽内侧偏移1个刀具半径尺即可，故此外轮廓精加工的刀具的偏移值应为B—R。而粗加工同样要为精加工留有加工余量，故刀具的偏移值应在精加T的基础上再向内偏移精加工余量dr，即偏移量为B-R-dr。图4中的尺值即为第二步中存储在系统变量#13002中的值，即变量#104中的值。具体计算公式如表1所示，值得注意的是表1中的公共变量#104不能由系统变量撑13002取代，这是因为#104存储的是刀具实际半径，而系统变量#13002的值为满足加工不同的轮廓及粗、精加工的要求需通过程序不断的修改。
(5)调用内轮廓子程序进行加工。为使系统变量修改的刀具补偿值在加工时起作用，在子程序的开头应调用刀具并建立长度补偿和半径补偿，而在子程序结束时应取消刀具长度补偿和半径补偿。
(6)结束内、外轮廓粗、精加工的加工循环
(7)结束分层切削加工循环
(8)将刀具补偿表中的值恢复为加工前的实际值。即
#2002=#10l；(存储2号刀具长度日磨损值)
#2202=#102；(存储2号刀具长度日形状值)
#12002=#103；(存储2号刀具半径D磨损值)
#13002=#104；(存储2号刀具半径D形状值)
(9)结束加工。
由于在每个零件的加工过程中都要通过数控系统的系统变嚣修改刀具几何形状值，所以在此之前，程序应设变量记下当前的刀具几何形状值，等到零件加工完成后再恢复以前的几何形状值，这样才可以保证在刀具使用一段时间后，数控机床操作技术人员输入的实际刀具磨损值仍然有效。
通过以上过程和编程步骤可知，并设零件的分层次数为5次，那么按常规方法，需要操作工人进行20次“MDI方式输入刀补值——启动程序——加工完成停机”的操作过程，用本文介绍的方法只需进行一次上述操作过程即可完成该零件的加工，且完全可以避免操作过程中由于人为因素带来的错误。
4 结束语
提出通过灵活运用数控系统的系统变量对刀具半径的补偿值的实时读和写操作，代替人工在加工过程输入刀具补偿参数的过程，减少了加工过程中多次进行“MDI方式输入刀补值——启动程序——加工完成停机”的操作过程，减少操作工人的劳动强度，有效地提高了加工效率、数控机床的利用率和自动化程度。以零件在FANUC数控系统的加丁为例，详细说明了程序编写思路和步骤，通过多次在实际机床上操作，表明该方法完全可以避免人工修改刀补产生的错误，提高产品的合格率，特别是在批量生产中，能为企业带来非常可观的经济效率。其解决问题的思路可以推广其他数控系统，也可为编程员提供借鉴和指导作用。