撰文/ 江苏建筑职业技术学院 黄继战 王凤清
本文简介了子程序编程的基础知识，以实例形式论述了子程序在模具平面、凸模和多腔铣削加工编程中的具体应用。实践表明，使用子程序编程解决了因平面铣削走刀次数多、分层铣削层数多、多腔铣削腔数多而导致的无法进行的手工编程的问题，并能够克服数控自动编程程序可读性差、柔性差的缺点，缩短编程时间和工作量。
数控编程是模具加工的关键环节，编制高质量的加工程序对工件质量、效率和成本有重要的影响。在模具加工中，经常会遇到平面铣削走刀次数多、分层铣削层数多、多腔铣削腔数多而导致的手工编程繁琐问题，甚至若不采用子程序无法进行手工编程的问题。因此，本文探讨利用子程序以简化模具加工手工编程具有重要的意义。
一、FNUAC 0i 系统子程序编程基础
1. 子程序的概念
数控机床的加工程序分为主程序和子程序两种。主程序是一个完整的零件加工程序，或是零件加工程序的主体部分，它和加工零件是一一对应的关系。在编制零件加工程序中，如果其中有些加工内容完全相同或相似，为了简化程序，可以把程序中某些重复出现的程序单独抽出来，按一定格式编成一个单独的程序，以供调用，这个程序即是子程序。
2. 子程序的调用
在FANUC 0i 系统中，子程序的调用可通过M98 指令进行，且在调用格式中将子程序的程序号地址O 改为P，其常用的子程序调用格式为：M98 P L。
其中地址P 后面的四位数字为子程序号，地址L 的数字表示重复调用的次数。若只调用1 次子程序，在地址L及其后的数字可省略不写。
3. 子程序的嵌套
在编程时让程序调用另一个子程序，这一功能称为子程序的嵌套。当主程序调用子程序时，该子程序被认为是一级子程序，为一级嵌套，一级子程序再调用子程序时，该子程序被认为是二级子程序，为二级嵌套，依次类推，FANUC 0i 系统中，子程序可以嵌套4 级。
主程序在运行过程中若需要执行某一级子程序，通过M98 调用指令来调用该一级子程序，如果该一级子程序需要执行某二级子程序，也是通过M98 指令来调用该二级子程序，依次类推。子程序返回时与调用次序相反，最终一级子程序运行结束后又返回到主程序调用程序段处，继续执行下面的程序段。
二、子程序的编程应用
1. 模具平面的编程
模具主要是由板类零件组成的，平面是典型加工表面，下面以某模板平面长、宽尺寸为300×250为例进行铣削编程。
（1）编程分析。
刀具选用直径为30mm 的平底立铣刀，以刀位点进行编程，铣削平面走刀路线由单向行切和双向行切，为保证加工表面质量采用单向不对称逆铣行切，步距一般为刀具直径的0.85 倍，故步距取26mm，工件宽度为250 除以步距26，得循环次数为9.6 次，而次数须为整数，因此，循环走刀次数确定为10 次。
（2）确定编程原点，设计走刀路线。
编程零点确定在工件上表面中心，所设计的每次走刀路线如图1 所示，即P1 → P2 → P3。
（3）确定基点坐标值。
考虑刀具半径15mm、刀具X 轴方向让刀距离3mm和步距26mm，采用CAD 尺寸标注法确定P1 点绝对坐标为P1（-18，11），P2、P3 点增量坐标为P1（336，0）、P2（-336，26）。
（4）编写加工程序源代码。
综合上述分析及设计，编写参考子程序如O6001 所示，编写主程序如O1 所示，根据加工平面尺寸只需修改所编程序中基点P1、P2、P3 坐标值，即可用于加工。
O6001；（子程序名）
G90G00Z5；（切换为绝对编程，刀具快速下降到Z坐标值5mm 处）
G01Z-1.5F50；（刀具切削进给至Z 值-1.5mm 处）
G91G01X336Y0F120；（ 切换为增量编程，刀具切削进给从P1 到P2 点）
G90G00Z50；（切换为绝对编程，刀具快速抬刀至Z坐标值为50mm 处）
G91G00X-336Y26；（切换为增量编程，刀具快速至下一个下刀点）
M99；（ 子程序结束）
O1；（ 主程序名）
G91G28Z0；（刀具Z 轴回零）
G54G90G00X-18Y11S600M03；（建立XY 工件系，刀具快速至下刀点，主轴正转，转速600r/min）
G00Z50；（刀具快速至Z 坐标值50mm 处）
M98P6001L10；（调用O6001 子程序10 次）
G00Z200；（刀具快速至Z 坐标值200mm 处）
M30；（主程序结束）
2. 模具零件的分层铣削编程
某模具零件图如图2 所示，毛坯长、宽、高尺寸为：100×100×110。
（1）编程分析。
在模具实际加工中，特别高速加工，为减小切削抗力，避免机床负载的剧烈变化，刀具每次的切削深度必须限定在一定范围内。使用子程序编程可实现刀具Z 向的分层加工。一般要求加工高度和每层切削深度为整数倍关系，该冲模型芯高80mm，确定每层切削深度2mm，则需调用子程序40 次。刀具选用直径16mm 的合金刀具。
（2）确定编程零点，设计走刀路线。
编程零点确定在工件上表面中心，设计走刀路线时注意以下4 点：①走刀路线下刀点和返回点尽量重合，以简化编程；②精加工刀具要切向切入切出工件，防止接刀痕； ③ 刀具XY 下刀点尽量在工件以外， 必要时预加工工艺孔， 保护刀具； ④ 走刀路线尽量短， 有利于基点坐标计算。所设计的每层走刀路线如图3 所示，即P → P1 → P2 → P3 → P4 → P5 → P6 → P2 → P7 → P。
（3）确定基点坐标值。
图3 中的刀具每层走刀路线图为精确设计，使用CAD软件查询法顺次确定基点坐标为：P（0，-60）、P1 （12，-52）、P2（0，-40）、P3（-30，-40）、P4（-30，10）、P5（30，10）、P6（30，-40）、P7（-12，-52）。
（4）编写加工程序源代码。
基于上述分析及设计，编写参考子程序如O6002 所示，编写主程序如O2 所示，以供参考。值得注意的是：①分层铣削子程序编程Z 向须用G91 编程；②主程序中程序段G01Z0F20，刀具须切削进给至Z 坐标值0 处，才能保证工件的加工高度尺寸。
O6002；（子程序名）
G91G01Z-2F20；（刀具每次切削深度-2mm）
G90G41G01X12Y-52D01F200；（ 刀具从P 点切削进给到P1 点，建立刀具半径左补偿）
G03X0Y-40R12；（ 刀具从P1 点切削进给到P2 点，圆弧切向切入工件）
G01X-30；（ 刀具从P2 点切削进给到P3 点）
G01Y10；（ 刀具从P3 点切削进给到P4 点）
G03X30R30； （ 刀具从P4 点切削进给到P5 点）
G01Y-40； （ 刀具从P5 点切削进给到P6 点）
G01X0； （ 刀具从P6 点切削进给到P2 点）
G03X-12Y-52R12；（ 刀具从P3 点切削进给到P7 点，圆弧切向切出工件）
G40G01X0Y-60F1000；（ 刀具从P7 点切削进给到P 点，取消刀具半径左补偿）
M99； （ 子程序结束）
O2；（ 主程序名）
G91G28Z0；（ 刀具Z 轴回零）
G54G90G00X0Y0S2000M03；（ 建立工件系，刀具快速至下刀点P，主轴正转，转速2000r/min）
G00Z50；（ 刀具快速下降到离工件顶面50mm）
G00Z5；（ 刀具快速下降到离工件顶面5mm）
G01Z0F20；（ 刀具切削进给到Z 坐标值0 处）
M98P6002L40；（ 调用O6002 子程序40 次）
G00Z50；（ 刀具快速抬刀至离工件顶面50mm）
G00Z200；（ 刀具快速抬刀至离工件顶面200mm）
M30；（ 主程序结束）
3. 模具的多腔铣削编程
假设刀具一次能加工深度为10mm，对图4 所示零件各腔进行精铣编程。
（1）编程分析。
刀具选用直径8mm 的键槽铣刀，零件各腔为精加工，为避免刀痕，设计走刀路线时，刀具圆弧切向切入切出工件，编写轮廓子程序使用G91 增量编程，实现工件轮廓形状编程与位置的无关。
（2）确定编程零点，设计走刀路线。
编程零点确定在工件上表面中心， 所设计的走刀路线如图5 所示， 各腔的加工顺序为①→②→③→④→⑥→⑦→⑧→⑨，所设计的每腔走刀路线为O → A1 → A2 → A3 → A4 → A5 → A6 → A2 → A7 → O。
（3）确定基点坐标值。
为使刀具加工形状与其位置无关，需采用G91 方式编程，因此，使用CAD 尺寸标注法确定各基点坐标增量坐标为：O（0，0）、A1（5，5）、A2（-5，5）、A3（-15，0）、A4（0，-20）、A5（30，0）、A6（0，20）、A7（-5，-5）、O（5，-5）。
（4）编写加工程序源代码。
根据以上分析及设计，编写子程序如O6003 所示，编写主程序如O3 所示，以供参考。
O6003；（子程序名）
G00Z5；（刀具快速下降到离工件顶面5mm 处）
G01Z-10F20；（刀具切削进给到切削深度-10mm）
G91G41G01X5Y5D01F60；（ 切换为增量编程，建立刀具半径补偿左刀补，刀具从O 点进给到A1 点）
G03X-5Y5R5； （ 刀具从A1 点进给到A2 点）
G01X-15Y0，R5； （ 刀具从A2 点进给到A3 点）
G01X0Y-20，R5； （ 刀具从A3 点进给到A4）
G01X30Y0，R5； （ 刀具从A4 点进给到A5 点）
G01X0Y20，R5； （ 刀具从A5 点进给到A6 点）
G01X-15Y0；（ 刀具从A6 点到进给A2 点）
G03X-5Y-5R5； （ 刀具从A2 点到进给A7 点）
G40G01X5Y-5F500；（ 取消左刀补，刀具从A7 点进给到O 点）
G90G00Z50；（ 切换为绝对编程，刀具快速抬刀至离工件顶面50mm）
M99；（ 子程序结束）
O3；（ 主程序）
G91G28Z0；（刀具Z 轴回零）
G54G90G00X0Y0S800M03；（建立工件坐标系，刀具快速定位至第1 个腔体中心）
G00Z50；（ 刀具快速下降到离工件顶面50mm）
M98P6003L1；（ 调用O6003 子程序1 次）
G00X35Y0；（ 刀具快速至第2 个腔体中心）
M98 P6003L1； （ 调用O6003 子程序1 次）
……（刀具顺次定位至腔中心，调用子程序加工）
G00X35Y-25； （ 刀具快速至第9 个腔体中心）
M98 P6003L1；（ 调用O6003 子程序1 次）
G00Z200；（ 刀具快速抬刀至离工件顶面200mm）
M30；（ 主程序结束）
三、结语
实践表明，模具铣削编程中若能充分使用子程序编程，可缩短程序长度，减少程序错误，缩短编程时间和工作量，程序修改容易且迅速；同时解决了因平面铣削走刀次数多、分层铣削层数多、多腔铣削腔数多而导致的无法进行的手工编程的问题，这些对模具加工中类似的特征编程具有极强的参考价值。