CAP與宏程序手工編程在實(shí)際加工中的對(duì)比研究

王小娥，陳作越

（樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 樂山 614000）

0 引 言

在現(xiàn)代制造技術(shù)中，數(shù)控加工得到了最為廣泛的應(yīng)用。同時(shí)伴隨著計(jì)算機(jī)輔助編程的日益普及，各類CAD/CAM軟件被越來(lái)越多地應(yīng)用在數(shù)控三維曲面加工中，許多的曲面零件也很難用手工編程完成，再加上強(qiáng)大的思維定勢(shì)和使用習(xí)慣的緣由，使得編程人員非常習(xí)慣并樂意使用各種CAD/CAM軟件來(lái)完成編程加工，而不考慮程序大小、加工難易等問題，手工編程的使用范圍顯得越來(lái)越小。

但是對(duì)于規(guī)則曲面的編程，利用宏程序手工編程，更能體現(xiàn)其編程方式的優(yōu)越性[1-2]。數(shù)控加工中很大部分工作屬于一般機(jī)械零件的批量生產(chǎn)加工，這類數(shù)控加工主要包含刀具尺寸、刀具補(bǔ)償值、層降、進(jìn)給步距、計(jì)算精度、進(jìn)給速度等編程時(shí)需要的工藝參數(shù)，只要其中任何一項(xiàng)加工參數(shù)發(fā)生變化，任何一個(gè)優(yōu)異的軟件在計(jì)算刀具軌跡時(shí)也要依據(jù)更正后的加工參數(shù)重新完成，雖然利用軟件運(yùn)算刀具軌跡的速度也很快，但這始終是個(gè)較為麻煩的過程。手工編寫宏程序則能人為地將機(jī)床參數(shù)功能與編程語(yǔ)言相結(jié)合，支持靈活的參數(shù)設(shè)置，使機(jī)床具有最佳的工作性能，同時(shí)可使機(jī)床操作者擁有一個(gè)極大的自由調(diào)整空間。

因此，研究宏程序編程在數(shù)控加工中的優(yōu)越性，論證宏程序編程在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)用性，并將其理念推行到學(xué)校教育和企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，顯得很有意義，也很有必要。

本研究對(duì)計(jì)算機(jī)輔助編程與宏程序手工編程方式的加工效果進(jìn)行驗(yàn)證和比較。

1 計(jì)算機(jī)輔助編程與宏程序編程的差異性

無(wú)論是計(jì)算機(jī)編程還是手工宏程序編程，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)其編程軌跡的插補(bǔ)處理方式都是一致的，體現(xiàn)在刀尖的運(yùn)動(dòng)控制中也是一樣的插補(bǔ)方式，即：對(duì)數(shù)控系統(tǒng)輸入有限坐標(biāo)點(diǎn)（例如起點(diǎn)、終點(diǎn)），計(jì)算機(jī)根據(jù)線段特征（直線、圓弧、橢圓等），運(yùn)用一定的算法自動(dòng)插入一系列中間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)密化，從而對(duì)各坐標(biāo)軸進(jìn)行脈沖分配，完成整個(gè)曲線的軌跡運(yùn)行，以滿足加工精度的要求[3]。

但當(dāng)研究者對(duì)應(yīng)用計(jì)算機(jī)編寫的程序與宏程序手工編程進(jìn)行加工比較時(shí)，兩者又會(huì)有各自的優(yōu)、缺點(diǎn)體現(xiàn)，編程加工原理的不同便是造成這些差異性的本質(zhì)原因。

計(jì)算機(jī)輔助編程是指利用計(jì)算機(jī)編制數(shù)控加工程序的過程?；趫D形交互式的編程是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的計(jì)算機(jī)輔助編程技術(shù)，即將零件模形建立到計(jì)算機(jī)中，形成圖形文件，或直接調(diào)用零件圖形文件，然后再對(duì)該圖形文件進(jìn)行分析處理，生成數(shù)控加工程序[4]。因此，也習(xí)慣地稱之為CAD/CAM軟件編程。

計(jì)算機(jī)對(duì)零件模型進(jìn)行多分層離散化處理，從中得到零件點(diǎn)、線、面的離散數(shù)據(jù)，結(jié)合工藝參數(shù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，生成刀位文件，經(jīng)過后置處理，編制程序。如此編制的加工程序就本質(zhì)上而言是利用刀具從模型的毛坯中逐層、逐點(diǎn)削去毛坯材料，最終獲得零件的過程。零件的形狀更多是被分散、離散地描述，并被數(shù)控加工過程所接納。快速原型制造技術(shù)（RPM）的原理與上述編程過程類似，其區(qū)別在于，CAD/CAM輔助加工是從實(shí)體材料中去除不需要的材料而得到被加工的零件的過程[5]，而RPM則是通過造型機(jī)添加粘合劑、粘合離散性的物料而形成實(shí)體零件的過程。

宏程序手工編程的原理則相對(duì)要簡(jiǎn)單的多，即研究者根據(jù)完整的數(shù)學(xué)曲線和連續(xù)的數(shù)據(jù)描述編寫出程序。刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是按照一定的數(shù)學(xué)計(jì)算軌跡進(jìn)行，切削形成所需要形狀的零件。最重要的是，這不是離散軌跡，而是基于連續(xù)數(shù)據(jù)的加工。

2 宏程序?qū)庸さ挠绊?/h2>

手工編寫的程序，其程序都很精煉。一個(gè)合理、優(yōu)化且能用于數(shù)控加工的宏程序，其篇幅也不會(huì)長(zhǎng)。翻閱各類編程書籍和編程實(shí)例可知，絕大多數(shù)程序都不會(huì)超過60行，最大不過2 KB。因此，手工編寫的宏程序完全能被存儲(chǔ)于絕大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)中，也就不需要機(jī)床與外部信息之間的連接，根本不必考慮機(jī)床與外設(shè)之間的傳輸速度是否會(huì)對(duì)實(shí)際加工速度產(chǎn)生影響（實(shí)際上，以DNC方式進(jìn)行宏程序在線加工，目前也找不到能夠支持的數(shù)控系統(tǒng)或DNC軟件）。

同時(shí)，研究者利用宏程序手工編程，對(duì)復(fù)雜加工軌跡進(jìn)行描述，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的各種指令代碼被最大程度地使用，例如，G01直線插補(bǔ)指令和G02/G03圓弧插補(bǔ)指令等。這樣，機(jī)床執(zhí)行程序時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)直接完成插補(bǔ)運(yùn)算，極快的運(yùn)算速度配合伺服電機(jī)和機(jī)床的快速響應(yīng)，能夠獲得極高的加工效率。

3 CAD/CAM軟件編程對(duì)加工的影響

相比較CAD/CAM軟件編制的程序，實(shí)際的加工情況則要復(fù)雜的多，下面進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述。

3.1 通信影響

一般而言，CAD/CAM軟件編制的程序龐大，受限于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間，程序無(wú)法被完全存儲(chǔ)。通常來(lái)說(shuō)，軟件針對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單的孔系、二維輪廓或簡(jiǎn)單平面編制的程序，有可能被系統(tǒng)所容納下，而其余絕大部分編制的程序由于數(shù)據(jù)龐大的原因，都必須以DNC在線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行加工。目前能實(shí)現(xiàn)的DNC在線加工通信方式如表1所示[6]。

顯而易見，機(jī)床系統(tǒng)與外設(shè)之間的傳輸速度是對(duì)加工速度產(chǎn)生影響的一個(gè)關(guān)鍵因素。除因機(jī)床系統(tǒng)內(nèi)置硬盤或機(jī)床與外設(shè)之間以光纖、以太網(wǎng)等形式進(jìn)行組網(wǎng)的新型數(shù)控機(jī)床可以不受這種通信傳輸?shù)挠绊懸酝?，目前大多?shù)的數(shù)控機(jī)床都會(huì)有一定的影響。

本研究以RS-232串口通信為例進(jìn)行分析，波特率是傳輸速率的一種度量，而占據(jù)市場(chǎng)主流的大部分中檔數(shù)控系統(tǒng)（例如，F(xiàn)ANUC 0M、0i，西門子802D、810D，三菱M52、M64等）所配置的RS-232串行通信接口能支持的最大傳輸波特率為19 200 bit/s。FANUC系統(tǒng)可以使用的傳輸軟件大致有PCIN、AIC、WIN PCIN、MASTERCAM、WIN COMM、CIMCO等。這些通信軟件能支持的最大波特率范圍大約為19 200 bit/s～38 400 bit/s。即使在19 200 bit/s的波特率下工作，當(dāng)計(jì)算精度較高、進(jìn)給速度F值較大（如F1800～F2500）時(shí)，程序傳輸速率往往也是跟不上機(jī)床節(jié)拍的，在實(shí)際加工中測(cè)試，研究者就會(huì)發(fā)現(xiàn)機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)有明顯的遲鈍、不連貫現(xiàn)象。

表1 DNC在線加工通信方式比較

實(shí)踐證明，由于RS-232串口通信抗干擾能力有限（除非在計(jì)算機(jī)及機(jī)床兩側(cè)都采用較高價(jià)格的光電耦合保護(hù)電路），其傳輸效果還涉及到傳輸線纜的屏蔽是否良好、長(zhǎng)度是否適中、計(jì)算機(jī)與機(jī)床兩端接地是否良好等因素。研究者設(shè)定越高的波特率，傳輸越不穩(wěn)定，實(shí)際加工中通常設(shè)置波特率為9 600 bit/s，甚至更低，但同時(shí)DNC在線加工的效率將會(huì)大打折扣。

3.2 加工影響

如研究者進(jìn)一步剖析刀具軌跡在軟件中的生成原理，還能發(fā)現(xiàn)一些弊端。在軟件中構(gòu)建任何曲面都是一個(gè)數(shù)學(xué)運(yùn)算的過程，這個(gè)過程會(huì)有計(jì)算的誤差和處理，在刀具軌跡生成時(shí)，軟件依據(jù)設(shè)定的各項(xiàng)工藝參數(shù)，并結(jié)合所設(shè)置的加工誤差值（曲面計(jì)算精度），使刀具與加工表面接觸點(diǎn)逐漸移動(dòng)并完成加工。從本質(zhì)上講，這個(gè)過程是在允許的誤差值范圍內(nèi)沿每條路徑用多條直線去逼近曲面的過程。

這種軌跡生成方式合理，也能面向任意的曲面，但當(dāng)處理規(guī)則曲面（如球面）時(shí)，工藝上就會(huì)存在一些缺陷。由于受到軟件構(gòu)造曲面的底層數(shù)學(xué)模型和對(duì)曲面生成刀具軌跡的逼近原理所限制，事實(shí)上在執(zhí)行真正的整圓或圓弧軌跡加工時(shí)，軟件難以智能地判別這里是否存在整圓或圓弧，也就不會(huì)用G02/G03指令來(lái)編制程序，而是用G01指令直線逐點(diǎn)逼近完成軌跡。研究者可以將這種方式理解為用足夠多邊數(shù)的正多邊形去逼近一個(gè)圓。假如整圓或圓弧位于G18（ZX）或G19（ZY）平面，再智能的軟件也很難對(duì)其識(shí)別判斷，當(dāng)然也無(wú)法運(yùn)用G02/G03指令來(lái)編制程序。一個(gè)簡(jiǎn)單的G02/G03整圓或圓弧指令能完成的軌跡路線將被分解為若干的G01直線插補(bǔ)指令來(lái)完成，這也正是軟件編制的程序龐大、難以精簡(jiǎn)的原因。執(zhí)行程序時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)要對(duì)每?jī)蓚€(gè)相鄰的逼近點(diǎn)間進(jìn)行直線插補(bǔ)運(yùn)算，系統(tǒng)計(jì)算工作量大，在機(jī)床上也就表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)斷續(xù)、遲滯的現(xiàn)象。

3.2.1 實(shí)例分析1

半球曲面構(gòu)造及其UV流線如圖1所示，兩個(gè)相同的半球曲面在建模中有多種不同的方法，圖1（a）中是把ZX平面內(nèi)的一段1/4圓弧作為母線，以Z軸為軸線旋轉(zhuǎn)360°得出的半球曲面；圖1（b）中是把XY平面內(nèi)的一段1/2圓弧作為母線，以X軸為軸線旋轉(zhuǎn)180°得出的半球曲面。即使研究者采用實(shí)體造型（如UGⅡ、Pro/ENGINEER之類），在其底層草圖構(gòu)造的數(shù)學(xué)機(jī)理上，也有類似的區(qū)別。

圖1 半球曲面構(gòu)造及其UV流線

看似相同的兩個(gè)半球曲面，構(gòu)成其曲面的UV流線完全不同，當(dāng)研究者利用各類CAD/CAM軟件生成半球曲面精加工的刀具軌跡時(shí)，必然存在差別。如果是獨(dú)立的CAM軟件（如Mastercam、Edgecam、Powermill等），需要通過中性文件從其他CAD系統(tǒng)獲取零件幾何模型[7]，更是如此。

3.2.2 實(shí)例分析2

以加工中心螺旋銑削內(nèi)圓孔為例，宏程序編程長(zhǎng)度短，且實(shí)際加工時(shí)，即使進(jìn)給速度達(dá)到F=2 000 mm/min都可以保持均勻、快速的螺旋運(yùn)動(dòng)。而在Cimatron軟件中，即使研究者通過使用外部用戶功能實(shí)現(xiàn)與此相似的刀具軌跡，由于刀具軌跡是用G01指令根據(jù)給定的誤差值逐段逼近實(shí)現(xiàn)的，其程序就比宏程序大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。忽略機(jī)床系統(tǒng)是否能完全存儲(chǔ)這個(gè)因素，而把整個(gè)程序都存入到機(jī)床的控制系統(tǒng)中，機(jī)床運(yùn)行的實(shí)際速度也上不去，加工的最終效果也不如采用宏程序加工。

圖2 圓孔輪廓加工（螺旋銑削）示意圖

3.2.3 CAD/CAM軟件編程優(yōu)化

對(duì)于具有支持NURBS曲線插補(bǔ)功能數(shù)控系統(tǒng)的高速機(jī)床來(lái)說(shuō)，CAD/CAM軟件編制程序在擁有高速加工功能的機(jī)床下運(yùn)行，不會(huì)有太大的問題；但是對(duì)于絕大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這仍然是個(gè)問題。

實(shí)際上，CAD/CAM軟件的設(shè)計(jì)者也意識(shí)到這個(gè)問題，并針對(duì)該問題提供了一些改善的方法，但總的來(lái)說(shuō)，都不能從本質(zhì)上解決程序編制的問題，只是在后置處理的環(huán)節(jié)上做了改進(jìn)。CAD/CAM軟件進(jìn)行編程的原理是：先生成一個(gè)僅包含純粹幾何意義的刀位點(diǎn)文件（即刀具軌跡），對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)這是不透明的后臺(tái)執(zhí)行，例如UG的CLF文件（Cutter Location File），Pro/E的CL文件，Cimatorn的APT文件，MasterCAM的NCI文件等，然后經(jīng)過后置處理環(huán)節(jié)，最終生成真正的程序[8]。

軟件所能實(shí)現(xiàn)的改善效果，是在不改變刀位點(diǎn)文件（即用G01指令直線逼近曲線的刀具軌跡）的前提下，在后置處理（Post Procoss）上做優(yōu)化。例如在Mas?terCAM軟件的后置處理過程中，系統(tǒng)許可使用者設(shè)定最小半徑值和最大半徑值來(lái)生成G02/G03指令，即用G02/G03來(lái)擬合相鄰的若干段直線段，從而達(dá)到減少程序字節(jié)、提高機(jī)床實(shí)際運(yùn)行速度的目的[9]。

Cimatron軟件也采用了相似的方法，即使用者不用通常使用的GPP（General Post Processor）后置處理，而是用另一個(gè)專業(yè)的后處理程序編輯器IMSpost，這是第三方軟件，是IMS公司為廣大使用者提供的基于宏匯編的后處理程序編輯器，可支持各類CAD/CAM軟件生成刀位文件的后置處理，并提供多種后置處理文件庫(kù)，能支持更普遍的數(shù)控機(jī)床。同時(shí)它也提供了豐富的定制功能，可生成任意形式的后置處理文件，從而可更好地提供支持高速加工、多軸加工的后置處理。所有用戶需要的后處理程序都可以通過執(zhí)行IM?Spost后生成[10]，但是一般的軟件使用者很少擁有運(yùn)行IMS軟件的權(quán)限。文獻(xiàn)[11]針對(duì)Cimatron軟件的GPP和IMS兩種處理方法進(jìn)行過研究，結(jié)合加工測(cè)試，雖然改善較大，但不能從根本上解決問題。

在后置處理上進(jìn)行改進(jìn)的根本弊端在于：本質(zhì)上它并沒有改變、改良或優(yōu)化刀具軌跡本身，只是在軌跡的計(jì)算上增加了一個(gè)二次逼近的過程，結(jié)果是出現(xiàn)更多的誤差積累，無(wú)法從根本上解決問題。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，雖然CAD/CAM軟件編程的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但手工編程仍是數(shù)控編程必不可少的一部分。在機(jī)械加工中，除當(dāng)遇到輪廓形狀復(fù)雜、加工精度高的情形（例如葉輪、葉片等零件），必須采用軟件輔助編程以外，其他的一些規(guī)則性零件均可以手工編程，即使零件有一定的輪廓，采用宏程序即可解決，對(duì)比計(jì)算機(jī)輔助編程與宏程序編程對(duì)零件加工的影響，可找到兩者最適合的應(yīng)用載體。熟練掌握手工編程，更全面、更深刻地理解軟件編程，靈活地運(yùn)用宏程序，也能在實(shí)際的加工應(yīng)用中編出短小、精悍而加工精度能與計(jì)算機(jī)輔助編程相媲美的程序。

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