數(shù)控加工編程方法及應(yīng)用

賈利曉黃廣霞

（洛陽理工學(xué)院機(jī)電工程系，洛陽471023）

引言

數(shù)控加工是指是用數(shù)字信息控制零件和刀具位移在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的一種機(jī)械加工方法 [1]，可有效解決零件品種多、生產(chǎn)批量小、輪廓形狀復(fù)雜、加工精度高等難題，并有益于實現(xiàn)自動化加工。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)控機(jī)床日益廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用模式也在不斷發(fā)生變化。由早期的以單個數(shù)控機(jī)床為單元、只解決復(fù)雜型面的加工為目的，逐漸發(fā)展為以提高加工效率、改善產(chǎn)品精度為目的的各種加工中心的應(yīng)用，再到目前為適應(yīng)產(chǎn)品多樣化、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期而進(jìn)行的柔性制造系統(tǒng)和集成制造系統(tǒng)的應(yīng)用。數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，使數(shù)控編程的重要性更加突出。數(shù)控編程是數(shù)控加工的基礎(chǔ)，數(shù)控機(jī)床之所以能加工出各種形狀、尺寸和精度的零件，與編制程序密不可分。選擇適當(dāng)?shù)木幊谭椒?，制訂有效的編程策略，不僅能減少程序長度，提高加工效率，更能使零件的加工精度和表面加工質(zhì)量得到改善。而如何采用簡單高效的數(shù)控程序來加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品，是編程人員面臨的一個科學(xué)難題，尋求合理的編程方法以得到便于加工生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)程序，始終是編程技術(shù)人員面臨的自我挑戰(zhàn)。常用的數(shù)控編程方法主要有手工編程、參數(shù)編程和自動編程三種，本文針對這三種編程方法進(jìn)行比較分析，討論各自的優(yōu)缺點及其應(yīng)用場合，便于工程技術(shù)人員作參考。

1　手工編程

手工編程是指從零件的圖樣分析、工藝處理、數(shù)據(jù)計算、編寫程序單、輸入程序到程序校驗等各步驟主要由人工來完成的編程方法 [2]。此種方法對編程人員的要求較高，不僅要熟悉數(shù)控指令和編程規(guī)則，而且還要具備豐富的數(shù)控加工工藝知識和較高的數(shù)值計算能力。對于形狀簡單、計算量小、所需程序段數(shù)少的零件的加工，采用手工編程較容易，而且經(jīng)濟(jì)、及時。

手工編程的主要步驟包括零件圖樣分析和加工過程確定、數(shù)學(xué)處理、編寫程序清單、程序輸入、校驗和首件試切等 [3]。

（1）零件圖樣分析和工藝過程確定。編制程序前要先分析零件的幾何形狀和尺寸以及技術(shù)圖紙上對零件所作的技術(shù)要求等參量進(jìn)行詳細(xì)分析，明確加工內(nèi)容；進(jìn)而確定加工方案和加工順序、設(shè)計加工所需要的夾具、選擇合適的加工刀具、確定合理的走刀路線及切削用量等技術(shù)參數(shù)；同時還應(yīng)充分發(fā)揮數(shù)控系統(tǒng)的性能、合理選擇對刀點和進(jìn)刀方式、盡量減少輔助加工時間。

（2）數(shù)學(xué)處理。加工過程確定之后要對工件進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，也就是根據(jù)零件的幾何特征，建立工件坐標(biāo)系，然后根據(jù)圖紙要求制定加工路線，在工件坐標(biāo)系上計算出刀具的運動軌跡。對于簡單形狀的零件，只需計算幾何元素的起點、終點、圓弧的圓心以及兩幾何元素的交點或切點的坐標(biāo)值。對于形狀復(fù)雜的零件，如果數(shù)控系統(tǒng)的插補功能不能滿足零件的幾何形狀需求，則需要計算出曲面或曲線上一定數(shù)量的離散點，在離散點之間用直線或圓弧進(jìn)行逼近，在根據(jù)要求的加工精度計算出節(jié)點間的距離。

（3）編寫零件程序單。加工路線和加工工藝參數(shù)確定后，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)所規(guī)定的指令代碼和程序段格式，逐段編寫零件程序。

（4）程序輸入、校驗與首件試切。編制好的程序要經(jīng)過校驗和試切才能正式使用。校驗方法是將編制好的加工程序通過鍵盤輸入到數(shù)控機(jī)床的計算機(jī)中或者由計算機(jī)接口將編制好的加工程序傳送到有通信控制數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置中，然后機(jī)床進(jìn)行空刀運轉(zhuǎn)，以檢查機(jī)床的運動軌跡是否正確。但校驗過程只能檢驗出機(jī)床的運動是否正確，不能檢查被加工零件的精度，故必須進(jìn)行首件試切。首件試切既可以驗證程序，如刀具運動軌跡是否正確、切削參數(shù)是否合適、換刀點選擇是否合理。也可以驗證刀具選擇是否合適，如刀位安排是否恰當(dāng)、刀具工作時是否對工件、卡爪、尾座等有干涉。首次試切應(yīng)以單程序段的運行方式進(jìn)行加工，監(jiān)控加工狀況，調(diào)整切削參數(shù)和狀態(tài)。

2　自動編程

自動編程是利用專門的計算機(jī)軟件編制數(shù)控加工程序 [4]。編程人員只需根據(jù)零件圖樣的要求，使用數(shù)控語言由計算機(jī)自動進(jìn)行數(shù)值計算及后置處理，編寫出零件加工程序單，然后通過直接通信的方式將加工程序單輸入數(shù)控機(jī)床，進(jìn)而指揮機(jī)床工作。

自動編程步驟包括零件圖樣分析、加工工藝和幾何造型的確定、對幾何圖形進(jìn)行定義、輸入必要的工藝參數(shù)、自動生成數(shù)控程序、輸出程序等 [5]。常用的自動編程軟件有Unigraphics、Pro-Engineer、MasterCAM等，其中，MasterCAM較常用 [6]。

自動編程可分為語言自動編程、圖形交互自動編程、語音自動編程和數(shù)字化自動編程四種。

（1）語言自動編程是指將待加工零件的幾何尺寸、工藝參數(shù)、切削用量等原始信息用數(shù)控語言編寫成源程序后，輸入到計算機(jī)中由計算機(jī)通過語言自動編程系統(tǒng)進(jìn)一步處理后得到零件加工程序單 [7]。在語言自動編程中，技術(shù)人員的主要工作是用數(shù)控語言編寫零件源程序。數(shù)控語言由基本符號、字母、詞匯及數(shù)字組成，有一定的語法要求，它是自動編程系統(tǒng)的一部分，所以不同的自動編程系統(tǒng)有著不同的數(shù)控語言。

（2）圖形交互自動編程是計算機(jī)配備了圖形終端和必要軟件的一種編程方法 [8]。圖形終端由鼠標(biāo)器、顯示屏和鍵盤組成，兼具輸入和輸出功能，利用它能實現(xiàn)人機(jī)實時對話，發(fā)現(xiàn)錯誤可及時改正。編程時可在終端屏幕上顯示出待加工零件的圖形，用戶利用鍵盤和鼠標(biāo)來確定進(jìn)給路線和切削用量后，計算機(jī)便可按預(yù)先存儲的圖形自動編程系統(tǒng)計算刀具軌跡、自動編制加工程序、輸出程序單。圖形交互自動編程可簡化編程過程、減少編程錯誤、縮短編程時間、降低編程費用，是一種有較大發(fā)展空間的編程方法。

（3）語音自動編程是利用人聲作為輸入信息，與計算機(jī)和顯示器直接對話，使計算機(jī)編制加工程序的一種方法 [9]。語音自動編程的主要優(yōu)點是便于操作，編程速度快、效率高。

（4）數(shù)字化自動編程

數(shù)字化自動編程適用于有模型或?qū)嵨锒鵁o尺寸的零件的加工程序編制，因此也叫做實物編程 [10]。這種編程方法應(yīng)有一臺坐標(biāo)測量儀或裝有探針和相應(yīng)掃描軟件的數(shù)控機(jī)床，對模型或?qū)嵨镞M(jìn)行掃描。由計算機(jī)將所測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后控制輸出設(shè)備，輸出零件加工程序單。數(shù)字化自動編程需要專用編程軟件，可分為以批處理命令方式為主的APT語言和以CAD軟件為基礎(chǔ)的CAD/CAM-NC編程集成系統(tǒng)。

3　參數(shù)化編程

參數(shù)化編程也稱為零件類編程，即對于同一類的相似零件，可使用變量而不是特定的尺寸數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)來進(jìn)行編程 [11]。在機(jī)械零件加工過程中，經(jīng)常遇到形狀相似的零件，或在不同零件上有形狀相同或相似的幾何形狀體，在編程中如果把這些幾何形狀體所需的程序一一編寫出來，不但程序大、數(shù)據(jù)多，而且不易及時檢查、糾正錯誤。如果在編寫程序時，把一組命令（宏指令體）構(gòu)成的某種特定功能，象子程序一樣記錄在存儲器中，然后用一個命令（宏指令）來代表其功能并使用該命令進(jìn)行調(diào)用，這樣，用戶就不需記憶宏指令體的一組命令，而只需記憶代表宏指令體的宏指令即可。用宏程序的特點是宏程序中有變量，并且變量之間可進(jìn)行運算，通過宏指令給變量設(shè)定實際參數(shù)值。把某個功能作為宏程序編程時，可將變化的值作為變量，這種改變變量參數(shù)的編程方法稱為參數(shù)化編程。在參數(shù)化編程中，以變量代替特定尺寸，每次使用時只需給變量賦值即可。

參數(shù)化編程的流程包括：確定宏程序的功能→確定圖樣特征，包括零件的材料、裝夾方法、使用的機(jī)床和刀具等→畫出示意圖以展示宏程序的全部特征→確定走刀路線，考慮加工的安全性→確定變量數(shù)據(jù)，畫出變量賦值表→畫出程序流程圖→編寫宏程序→程序校驗。

在批量生產(chǎn)中，可以將加工步驟定義為一個參數(shù)，將各個加工步驟中所用到的可變參數(shù)定義到若干二維數(shù)組中，程序執(zhí)行時，利用循環(huán)依次完成各個加工步驟，就可實現(xiàn)參數(shù)化編程的自動化拓展。

4　三種編程方法的特點及應(yīng)用

三種編程方法各有特點，因此適用于不同的場合。手工編程有以下優(yōu)點：

（1）對于形狀簡單、計算量小、程序段數(shù)較少的零件，采用手工編程較容易，而且經(jīng)濟(jì)、及時。

（2）在點位加工或由直線和圓弧組成的輪廓加工中，手工編程仍廣泛應(yīng)用，而且所編的程序相對較短 [12]。以上兩個優(yōu)點使手工編程較多地應(yīng)用于點位加工和幾何形狀不太復(fù)雜的零件的加工，以及計算較簡單、程序段不多、編程易于實現(xiàn)的場合。

與手工編程相比，自動編程有以下優(yōu)點 [13]：

（1）數(shù)字處理能力強(qiáng)。對復(fù)雜零件、特別是空間曲面零件，以及幾何要素雖不復(fù)雜但程序量很大的零件，采用自動編程既快速又準(zhǔn)確。

（2）能快速自動生成程序。在完成計算刀具運動軌跡后，后置處理程序能在極短時間內(nèi)自動生成數(shù)控程序，且不會出現(xiàn)語法錯誤。

（3）后置處理程序靈活多變。同一個零件在不同的數(shù)控機(jī)床上加工時需要采用不同的數(shù)控程序，但前置處理過程中的大量數(shù)學(xué)處理和軌跡計算都相同。因此，將前置處理通用化，采用不同的后置處理程序，就能自動生成適用于不同數(shù)控機(jī)床的程序，使自動編程的應(yīng)用范圍得到極大擴(kuò)展。

（4）程序自檢、糾錯能力強(qiáng)。自動編程能夠借助于計算機(jī)在屏幕上對程序進(jìn)行動態(tài)模擬，連續(xù)而逼真地顯示刀具的運動軌跡和零件的加工輪廓，可使技術(shù)人員及時發(fā)現(xiàn)問題并改正，快速又方便。

（5）便于實現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)的通訊。自動編程系統(tǒng)可以把生成的程序經(jīng)通訊接口直接輸入數(shù)控系統(tǒng)，控制機(jī)床進(jìn)行加工，而且可以邊輸入、邊加工，不必?fù)?dān)心系統(tǒng)內(nèi)存不夠而將程序分段。因此，自動編程的通訊功能進(jìn)一步提高了編程效率，縮短了生產(chǎn)周期。

自動編程可大大減輕編程人員的勞動強(qiáng)度，顯著提高編程效率和程序的準(zhǔn)確性，同時也解決了手工編程無法客服的許多難題。而且工作表面形狀越復(fù)雜，加工工藝過程越繁瑣，自動編程的優(yōu)勢就越突出。但是，自動編程產(chǎn)生的程序一般比較長，加工同樣的零件，自動編程的程序長度可能是手工編程的程序的長度的幾倍甚至幾十倍，其加工時間也會相應(yīng)延長，這是無法修正的根本缺陷；另外，自動編程產(chǎn)生的加工程序難以判斷、分析和修改。主要由簡單的加工指令如直線、圓弧等組合而成，沒有全面應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)的豐富指令，例如子程序、固定循環(huán)、鏡像指令、宏指令等，更談不上編程技巧的應(yīng)用，程序質(zhì)量也存在一定的缺陷；再者，自動編程不能實現(xiàn)通用化，目前市場上的數(shù)控系統(tǒng)種類繁多，但各種系統(tǒng)的兼容性較差，并且自動編程軟件也只能針對某些品牌、某種型號的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用。因此，雖然自動編程提供了功能更強(qiáng)、效率更高的編程方法，但是手工編程在實際生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位 [14]。

參數(shù)化編程從本質(zhì)上來說仍屬于手工編程，但又使手工編程得到了簡化和豐富。首先，由于更改參數(shù)就可改變程序，因此參數(shù)編程可大大增加程序的柔性，從而實現(xiàn)用同一程序加工不同形狀或不同材料的零件。其次，對于零件圖中未直接給出的數(shù)據(jù)（如線段交點的坐標(biāo)），只需將一個參數(shù)定義為這個算式的結(jié)果，就可避免繁雜的計算。第三，如果將幾個參數(shù)在數(shù)學(xué)表達(dá)式中相聯(lián)系，就可方便地編制出復(fù)雜輪廓的加工程序，而不必進(jìn)行逐點計算。最后，如果程序中的某些數(shù)據(jù)或指令需要更改，就在編程時把它們作為參數(shù)，在更改程序時，只需調(diào)出參數(shù)表即可方便地進(jìn)行修改，從而避免了由于程序長、更改處多而帶來的重復(fù)工作，同時也可避免錯改和漏改。鑒于以上特點，參數(shù)化編程主要用于加工形狀相似的零件，從而減少重復(fù)工作量，減輕編程人員的工作負(fù)擔(dān)，提高工作效率。

5　結(jié)束語

數(shù)控編程是數(shù)控加工賴以生存的基礎(chǔ)，而采用何種編程方法來提高工作效率是編程人員必須面對的選擇。三種編程方法各有特點，手工編程是自動編程的基礎(chǔ)，自動編程是手工編程的發(fā)展，參數(shù)化編程又使手工編程的應(yīng)用得到簡化。因此，在工作過程中，編程人員應(yīng)根據(jù)待加工零件的實際特點，選用適當(dāng)?shù)木幊谭椒?，以減輕自身的工作量，提高工作效率，并能保證加工出高質(zhì)量的零件。