數控加工編程方法及應用

賈利曉黃廣霞

（洛陽理工學院機電工程系，洛陽471023）

引言

數控加工是指是用數字信息控制零件和刀具位移在數控機床上進行零件加工的一種機械加工方法 [1]，可有效解決零件品種多、生產批量小、輪廓形狀復雜、加工精度高等難題，并有益于實現自動化加工。隨著科學技術的發展和數控機床日益廣泛的應用，其應用模式也在不斷發生變化。由早期的以單個數控機床為單元、只解決復雜型面的加工為目的，逐漸發展為以提高加工效率、改善產品精度為目的的各種加工中心的應用，再到目前為適應產品多樣化、縮短產品生產周期而進行的柔性制造系統和集成制造系統的應用。數控技術的飛速發展，使數控編程的重要性更加突出。數控編程是數控加工的基礎，數控機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。選擇適當的編程方法，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量得到改善。而如何采用簡單高效的數控程序來加工出高質量的產品，是編程人員面臨的一個科學難題，尋求合理的編程方法以得到便于加工生產的優質程序，始終是編程技術人員面臨的自我挑戰。常用的數控編程方法主要有手工編程、參數編程和自動編程三種，本文針對這三種編程方法進行比較分析，討論各自的優缺點及其應用場合，便于工程技術人員作參考。

1　手工編程

手工編程是指從零件的圖樣分析、工藝處理、數據計算、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，不僅要熟悉數控指令和編程規則，而且還要具備豐富的數控加工工藝知識和較高的數值計算能力。對于形狀簡單、計算量小、所需程序段數少的零件的加工，采用手工編程較容易，而且經濟、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、數學處理、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圖紙上對零件所作的技術要求等參量進行詳細分析，明確加工內容；進而確定加工方案和加工順序、設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參數；同時還應充分發揮數控系統的性能、合理選擇對刀點和進刀方式、盡量減少輔助加工時間。

（2）數學處理。加工過程確定之后要對工件進行數學處理，也就是根據零件的幾何特征，建立工件坐標系，然后根據圖紙要求制定加工路線，在工件坐標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值。對于形狀復雜的零件，如果數控系統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量的離散點，在離散點之間用直線或圓弧進行逼近，在根據要求的加工精度計算出節點間的距離。

（3）編寫零件程序單。加工路線和加工工藝參數確定后，根據數控系統所規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控機床的計算機中或者由計算機接口將編制好的加工程序傳送到有通信控制數控機床的數控裝置中，然后機床進行空刀運轉，以檢查機床的運動軌跡是否正確。但校驗過程只能檢驗出機床的運動是否正確，不能檢查被加工零件的精度，故必須進行首件試切。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、刀具工作時是否對工件、卡爪、尾座等有干涉。首次試切應以單程序段的運行方式進行加工，監控加工狀況，調整切削參數和狀態。

2　自動編程

自動編程是利用專門的計算機軟件編制數控加工程序 [4]。編程人員只需根據零件圖樣的要求，使用數控語言由計算機自動進行數值計算及后置處理，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控機床，進而指揮機床工作。

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、對幾何圖形進行定義、輸入必要的工藝參數、自動生成數控程序、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、切削用量等原始信息用數控語言編寫成源程序后，輸入到計算機中由計算機通過語言自動編程系統進一步處理后得到零件加工程序單 [7]。在語言自動編程中，技術人員的主要工作是用數控語言編寫零件源程序。數控語言由基本符號、字母、詞匯及數字組成，有一定的語法要求，它是自動編程系統的一部分，所以不同的自動編程系統有著不同的數控語言。

（2）圖形交互自動編程是計算機配備了圖形終端和必要軟件的一種編程方法 [8]。圖形終端由鼠標器、顯示屏和鍵盤組成，兼具輸入和輸出功能，利用它能實現人機實時對話，發現錯誤可及時改正。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來確定進給路線和切削用量后，計算機便可按預先存儲的圖形自動編程系統計算刀具軌跡、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，與計算機和顯示器直接對話，使計算機編制加工程序的一種方法 [9]。語音自動編程的主要優點是便于操作，編程速度快、效率高。

（4）數字化自動編程

數字化自動編程適用于有模型或實物而無尺寸的零件的加工程序編制，因此也叫做實物編程 [10]。這種編程方法應有一臺坐標測量儀或裝有探針和相應掃描軟件的數控機床，對模型或實物進行掃描。由計算機將所測數據進行處理后控制輸出設備，輸出零件加工程序單。數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軟件為基礎的CAD/CAM-NC編程集成系統。

3　參數化編程

參數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據和加工數據來進行編程 [11]。在機械零件加工過程中，經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、數據多，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行調用，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，并且變量之間可進行運算，通過宏指令給變量設定實際參數值。把某個功能作為宏程序編程時，可將變化的值作為變量，這種改變變量參數的編程方法稱為參數化編程。在參數化編程中，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→確定變量數據，畫出變量賦值表→畫出程序流程圖→編寫宏程序→程序校驗。

在批量生產中，可以將加工步驟定義為一個參數，將各個加工步驟中所用到的可變參數定義到若干二維數組中，程序執行時，利用循環依次完成各個加工步驟，就可實現參數化編程的自動化拓展。

4　三種編程方法的特點及應用

三種編程方法各有特點，因此適用于不同的場合。手工編程有以下優點：

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

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

與手工編程相比，自動編程有以下優點 [13]：

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

（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自動生成數控程序，且不會出現語法錯誤。

（3）后置處理程序靈活多變。同一個零件在不同的數控機床上加工時需要采用不同的數控程序，但前置處理過程中的大量數學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控機床的程序，使自動編程的應用范圍得到極大擴展。

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

（5）便于實現與數控系統的通訊。自動編程系統可以把生成的程序經通訊接口直接輸入數控系統，控制機床進行加工，而且可以邊輸入、邊加工，不必擔心系統內存不夠而將程序分段。因此，自動編程的通訊功能進一步提高了編程效率，縮短了生產周期。

自動編程可大大減輕編程人員的勞動強度，顯著提高編程效率和程序的準確性，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雜，加工工藝過程越繁瑣，自動編程的優勢就越突出。但是，自動編程產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延長，這是無法修正的根本缺陷；另外，自動編程產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，沒有全面應用數控系統的豐富指令，例如子程序、固定循環、鏡像指令、宏指令等，更談不上編程技巧的應用，程序質量也存在一定的缺陷；再者，自動編程不能實現通用化，目前市場上的數控系統種類繁多，但各種系統的兼容性較差，并且自動編程軟件也只能針對某些品牌、某種型號的數控系統應用。因此，雖然自動編程提供了功能更強、效率更高的編程方法，但是手工編程在實際生產中仍占據主導地位 [14]。

參數化編程從本質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，由于更改參數就可改變程序，因此參數編程可大大增加程序的柔性，從而實現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據（如線段交點的坐標），只需將一個參數定義為這個算式的結果，就可避免繁雜的計算。第三，如果將幾個參數在數學表達式中相聯系，就可方便地編制出復雜輪廓的加工程序，而不必進行逐點計算。最后，如果程序中的某些數據或指令需要更改，就在編程時把它們作為參數，在更改程序時，只需調出參數表即可方便地進行修改，從而避免了由于程序長、更改處多而帶來的重復工作，同時也可避免錯改和漏改。鑒于以上特點，參數化編程主要用于加工形狀相似的零件，從而減少重復工作量，減輕編程人員的工作負擔，提高工作效率。

5　結束語

數控編程是數控加工賴以生存的基礎，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，自動編程是手工編程的發展，參數化編程又使手工編程的應用得到簡化。因此，在工作過程中，編程人員應根據待加工零件的實際特點，選用適當的編程方法，以減輕自身的工作量，提高工作效率，并能保證加工出高質量的零件。