基于工藝特征的數控編程方法研究

陳小紅, 高增梁，馬云飛，來建良

(1. 浙江機電職業技術學院 機械工程學院，杭州　310053；2. 浙江工業大學 機械工程學院，杭州　310014；3. 浙江東陽市雙燕設備有限公司，浙江 東陽　321000)

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基于工藝特征的數控編程方法研究

陳小紅1, 高增梁2，馬云飛3，來建良1

(1. 浙江機電職業技術學院 機械工程學院，杭州310053；2. 浙江工業大學 機械工程學院，杭州310014；3. 浙江東陽市雙燕設備有限公司，浙江 東陽321000)

摘要：以零件的工藝特征為基礎，系統地研究了不同的機械加工工藝的編程方法?；揪幊虒崿F了機械加工工藝數控指令化。固定循環簡化了典型加工工藝單元的編程，加工相同工藝內容用子程序編程，加工函數面用變量編程，加工零件族系列零件用參數化編程，加工自由曲面用CAM自動編程。同時通過數控編程技術的綜合應用，實現了粗/精加工、自由平面輪廓倒圓角等工藝。

關鍵詞：工藝特征；編程方法；參數化編程

0引言

特征是一類實體具有的特定屬性，反映了一個實際零件或部件的特定幾何形狀和特定工藝[1]?；谔卣鞯臄悼鼐幊碳夹g，國內外研究較多，如國外，Hou.M 和 Faddis.T.N[2]在 UG 平臺上，以加工特征為信息載體，實現了 CAD/CAPP/CAM 信息的集成，在集成環境下進行自動編程。HuiKang K.Miao 等[3]在 I-DEAS 平臺上開發了具有工藝決策功能模塊，以特征為信息載體，實現了 CAD/CAM 集成環境下的自動編程。在國內，于芳芳、鄭國磊[4]結合飛機整體壁板結構特點及其典型加工工藝路線，采用VC++6.0 在CATIA/CAA 環境中開發了飛機壁板類零件的快速數控編程系統。陳文兵等[5]研究了基于VB的數控參數編程方法。但國內外研究的普遍是基于工藝的CAD/CAM自動編程技術，或基于特定行業的某類零件的編程方法，本文以零件的工藝特征為基礎，系統、宏觀地研究數控編程策略方法。

1實現機加工編程的基本思想方法

數控編程是用數控語言把機械加工工藝表述出來?，F在流行的數控系統采用 ISO6983標準進行編程，用G、M代碼定義機床的運動和開關動作。機械加工工藝實質為零件的成型運動，在描述零件成型運動時，首先要確立基本的編程思想：“刀具相對工件運動”。在零件成型的機械加工過程中，刀具與工件都可能是運動的，即成型運動的對象是不確定的。為了簡化編程，在加工過程中無論是刀具運動，還是工件運動，按相對運動理論，都把工件看作靜止，刀具看作運動，即刀具相對“靜止”工件運動。這樣編程時只要描述刀具的相對運動， 可以“拋開”機床，按工件輪廓形狀進行，使編程簡便易行。

其次，描述刀具運動，需要一個定位系統，以確定刀具運動位置?，F代數控系統采用的標準定位系統為右手笛卡爾直角坐標系。按使用場合，可分為編程坐標系、工件坐標系、機床坐標系等。編程時在圖紙上建立的坐標系為編程坐標系，加工時通過對刀設定的坐標系為工件坐標系，機床本身具有的坐標系為機床坐標系，其坐標軸正方向規定為刀具遠離工件的方向。

描述刀具運動主要素是刀具運動軌跡。刀具運動的基本軌跡有直線和圓弧，直線插補用G01指令，圓弧插補用G02(順時針)/ G03(逆時針)指令，其他運動軌跡可以通過微分方法，用微直線或微圓弧逼近處理。同時，編程時通過數控系統刀具補償功能，把刀具看作一個點，這樣只要描述這個點的運動軌跡就可以編程了。

2典型加工工藝用循環編程

在零件機械加工過程中，經常會出現以下工藝情況：

(1)在完成某一確定的加工內容時，刀具動作具有典型的固定的連續性。如鉆孔，一般都經過“刀具定位→快進至工件表面→工進鉆孔→孔底暫?！说丁钡裙潭ǖ倪B續加工過程。

(2)典型的機械加工工藝單元。如車螺紋，加工各種形狀規則凸臺、凹槽等。

(3)毛坯尺寸與工件最終尺寸相差較大，余量較多，需多次往復切削，即刀具要多次反復地執行相同的動作。如棒料毛坯去余量。

(4)加工有規律排列的相同的工藝單元。如銑削一排等距分布的相同的圓孔。

上述的工藝過程，可用基本編程方法，即刀具每個動作用基本指令表達，顯然這樣編程重復勞動多，程序冗長。為了簡化編程，對于類似上述工藝情況的編程，國內外多家公司開發了固定循環指令，實現了用一、二個程序段來表示通常需要用多個程序段才能表達完整的一些重復頻率較高的相同的加工工藝。

固定循環指令就是將若干條基本加工指令(如圓弧插補、直線插補)表述的加工內容，用一、二條循環指令表示出來，存儲在內存中，經過譯碼程序的譯碼，轉換成數控系統能識別的基本指令，從而實現對所需特征的加工[6]。

固定循環指令本身沒有直接包含走刀路徑或者點的坐標等信息，而是由一些與加工工藝相關的特征量組成[7]。有了這些特征量，數控系統內部的譯碼模塊就能將循環指令轉化為若干條由插補指令(G02、G01等)、功能指令(M指令等) 等基本指令所組成的指令群，而這些基本指令就包括了基本的走刀路徑、進給速度、主軸轉速等信息，從而被數控系統所識別并最終進行加工，實現用一條或幾條數控代碼來表示一個加工工藝過程。如FANUC系統的粗車復合循環指令，以程序字的形式描述，各個程序字表示循環加工中的不同的特征參數，比如背吃刀量、退刀量、精車余量、循環車削加工次數等，編程時只要確定這些參數，然后在循環指令后緊隨精加工輪廓的指令描述(以確定加工范圍)，數控系統就會自動算出粗加工路線和加工次數，自動產生走刀軌跡，完成粗加工。

采用循環編程，簡化了程序，使程序結構層次分明，邏輯嚴謹，提高了程序的可讀性。如鉆孔循環G83，指令格式為 G83 X_ Y_ Z_ R_ Q_ F_。其中X和Y表示第一個待加工孔的位置坐標，其余變量表示鉆孔深度、進給速度、孔底停留時間等孔的加工信息。在此指令后直接編寫表示其余孔的位置的 NC 代碼，數控系統就會自動默認為其余孔的信息與第一個孔的加工方式相同，仿照第一個孔進行加工。該指令對于每個待加工的孔都執行以下一系列的加工動作：首先刀具在X、Y平面，然后快速移動到R點(刀具軸方向刀具快進與工進的轉折點)，進而進行鉆孔，之后進行孔底位置的動作(如暫停一段時間等)，再快退到R點，最后快速移動到下一個孔的加工位置，準備下一個孔加工。

隨著數控技術發展，數控系統內置的固定循環將越來越豐富，且根據需要，用戶也可以自我開發固定循環，具體見李文[8]、胡翔云[9]等參考文獻。

3相同工藝內容用子程序編程

在機械加工過程中經常出現相同的加工內容。如零件有多個形狀尺寸相同的面，一次裝夾加工幾個相同的零件等。這時只要把相同的加工內容看作一個加工單元，編為子程序。加工重復內容時，只要在主程序中用M98調用子程序，就可完成加工，避免了重復編程[10-11]。下面以加工圖1梅花套零件為例，梅花輪廓由多段相同的輪廓AB組成，把AB作為一個加工單元，編為子程序，整個輪廓看作AB繞原點多次旋轉得到，加工梅花輪廓編程如下：

圖1　梅花套零件編程示意圖

O0001；(主程序名)

G54 G69 G90 G40 G00 Z50；(設置工件坐標系，程序初始化，刀具快速定位至安全高度)

M03 S1500 X-140 Y-15；(主軸正轉，XY平面刀具快速定位至循環起點)

Z3刀具；(Z向快速定位至循環起點)

G01 Z-27F60；(下刀)

G41 D1 X-130 F300;(激活刀補)

Y0；(切入輪廓)

M98 P0011 L6;(6次調用子程序)

G69 G01 Y5；(取消坐標旋轉，刀具切出輪廓)

G00 Z200；(抬刀至安全高度)

G40 X100 Y100；(取消刀補)

M30；(主程序結束)

O0011;(子程序名)

G90 G02 X-119.495 Y22.802 R30；(加工R30輪廓)

G03 X-79.495 Y92.084 R120；(加工R120輪廓)

G02 X-65 Y112.583 R30；(加工R30輪廓)

G91 G68 X0 Y0 R-60;(建立增量方式坐標旋轉)

M99；(子程序結束并返回主程序)

4函數面加工用變量編程

制訂機械加工工藝規程時，首先要分析零件形體，研究零件由哪些面組成，再根據面的特性確定加工方法。其中有些面可用函數或方程來表達，如等速凸輪面(二維函數面，屬于曲線平面)、橢球面(三維函數曲面，屬于規則曲面)，這些能用函數或方程表達的面簡稱為函數面。多數函數面在普通機床上很難加工，甚至在數控加工中常規編程也難以實現。數控系統引入了變量編程[12-14]方法。

變量編程實質上是微分原理在數控技術領域的應用，是計算機高級語言轉化為數控程序形式的表達。等速凸輪面、橢圓等二維函數面的數控編程，先對輪廓曲線進行微分數學處理，再用微直線或圓弧逼近給定的曲線，控制最大偏差在公差范圍內，然后計算出各微分節點坐標，再編程。對于三維函數曲面，根據允差將曲面微等分成不同的加工截面，對各微截面上的輪廓曲線進行數學處理，計算節點坐標，再按二維函數面處理的方法進行編程。節點的處理計算方法較多，常用的方法有等角度直線插補法、等間距直線插補法、等弦長直線插補法、等誤差直線插補法、圓弧插補法等。

①對函數面進行分析及工藝處理；

②選取函數面曲線表達式的自變量、應變量；

③給自變量賦初始值；

④列出各應變量與自變量的關系式；

⑤自變量遞增或遞減；

⑥判斷自變量是否滿足條件表達式，形成循環。

下面是銑床精加工凸輪函數面的變量編程實例。

凸輪曲線由兩段阿基米德螺線和半徑40的半圓組成：θ=0°～90°時，方程為ρ=40+2×θ/9，θ=90°～180°時，方程為ρ=80-2×θ/9，θ=180°～360°時，為R40圓弧，凸輪輪廓高為5。如采用順時針走刀方向，在R40半圓180°端點切入，以極角θ為自變量，先算極徑，再算X、Y坐標，用IF語句變量編程如下：

O0002；(程序名)

G54 G90 G17 G40 G00 Z50; (設置工件坐標系，程序初始化，刀具快速定位至安全高度)

M03 S1000 X-60Y-60；(主軸正轉，XY平面刀具快速定位至起點)

Z3 M08；(刀具Z向快速定位至起點，冷卻液開)

G01 Z-6 F50；(下刀)

G41 D1 X-40 F200; (激活刀補)

Y0; (刀具切入)

#1=180；(角度θ為自變量，初始值180°)

N5 #4=40+2*#1/9；(計算ρ)

#2=#4*COS[#1]；(計算X坐標)

#3=#4*SIN[#1]；(計算Y坐標)

G01 X#2 Y#3;(微直線插補)

#1=#1-1;(遞減自變量θ值，步距1度)

IF [#1 GE 90] GOTO 5;(循環條件)

#5=90；

N55 #8=80-2*#5/9;

#6=#8*COS[#5];

#7=#8*SIN[#5];

G01 X#6 Y#7;

#5=#5-1;

IF [#5 GE0] GOTO 55;

G02 X-40 R40; (刀具切出)

G00 Z200 M09; (Z向退刀至安全高度，關冷卻液)

G40 X100 Y100; (取消刀補)

M30; (程序結束)

變量程序可進行變量的算術運算、邏輯運算，且有循環語句和條件轉移語句等,使編程更簡便、靈活,是數控編程技術的重要組成部分。

5零件族加工用參數化編程

編寫一個程序加工“零件族”的技術稱為參數化編程[15]。在生產中經常有形狀相同或相似而尺寸不同的系列零件，如突面(RF)板式平焊鋼制管法蘭，按公稱直徑與壓力有多種規格，如每種規格零件都編一個加工程序，工作量大而重復。成組技術(GT)遵循事物的相似性,把眾多具有相似信息的問題匯歸成組(族)，以求用同一種方法解決，達到節省時間，提高效率的目的。隨著成組技術發展，生產中屬于同一工藝組的系列零件能按照成組工藝進行生產，利用成組技術編制的機械加工工藝為系列零件通用工藝，相應的在編程上通過參數化編程進行處理，這樣就能用一個程序加工多個大小不同零件。以GB/T 9119-2000突面板式平焊鋼制管法蘭生產為例，利用成組技術原理，對法蘭進行結構和工藝的分析，從中找出適合所有法蘭加工的工藝過程，進而編制出適合所有法蘭加工的參數化程序[16-17]，從而減少法蘭生產加工中的工作量，提高效率，同時，使加工過程更容易實現柔性化和自動化。

以圖2加工法蘭的鉆孔工序為例，說明系列零件按成組工藝參數編程的方法。

圖2　突面(RF)板式平焊鋼制管法蘭

O0003；(主程序名)

G54 G90 G40 G00 Z50；(設置坐標系，程序初始化；快速定位至安全高度)

X0 Y0 M03 S800 M08；(刀具快速定位至法蘭中心；主軸正轉;冷卻液開)

G65 P0033 K_M_Q_C_；(調用宏程序，參數賦值)

M09 G00 Z100；(冷卻液關，抬刀至安全高度)

X100 Y200；(工作臺移近操作位)

M30；(主程序結束)

注：引數K：螺栓孔分布圓的直徑，對應#6變量，引數M：螺栓孔數，對應#13變量，引數Q：螺栓孔直徑，對應#17變量，引數C：法蘭厚，對應#3變量；

O0033;(宏子程序名)

#1=0；(第一孔定位角)

N10 #24=#6/2*COS[#1]；(螺栓孔中心X坐標)

#25=#6/2*SIN[#1]; (螺栓孔中心Y坐標)

G99 G81 X#24 Y#25 Z-[SQRT3/6*#17] R[#3+2] F50；(鉆孔循環)

#1=#1+360/#13；(定位角逐個遞增)

IF [#1 LT 360] GOTO 10；(循環執行條件)

G80；(取消鉆孔循環)

M99；(宏子程序結束并返回主程序)

6自由曲面加工用自動編程

自由曲面是工程中最復雜而又經常遇到的曲面，由復雜的自由變化的曲線、曲面組成。自由曲面廣泛應用于航空、航天、航海、模具、工具、能源、交通等領域[18]。如飛機機翼、潛水艇螺旋槳、光學透鏡等零件外形均為自由曲面。隨著高新技術的發展，為了實現更高性能的產品功能和更好的美學效果，自由曲面的應用也越來越廣泛。由于自由曲面形狀復雜，加工程序一般無法用手工編制，需要采用CAM自動編程技術。

自動編程技術一般以零件CAD的三維圖為基礎，在計算機上做好工藝設定，計算機就能自行進行數值計算，并自動生成零件加工程序，最后通過CAM的后處理功能生成數控機床能識別的零件程序，經通訊接口將程序直接送到數控系統進行加工。其特點是數控程序編制工作的大部分或一部由計算機完成。

CAM系統一般由五個模塊組成：交互工藝參數輸入模塊，刀具軌跡生成模塊，刀具軌跡編輯模塊，三維加工動態仿真模塊及后置處理模塊。系統能完成二至五軸銑削、車削等編程。用CAM自動編程基本步驟為：①零件幾何造型；②制定工藝；③設定加工參數；④程序輸出。下面以吊鉤型腔自由曲面為例，說明應用Pro/ENGINEER進行交互式自動編程的一般過程。

①啟動軟件，新建數控制造模型文件；

②創建工件，建立零件制造模型。

(1)引入參照模型。選擇并放置已建好的三維吊鉤模具型腔；

(2)創建工件。選擇“自動創建工件”指令完成工件的創建，如圖3所示；

圖3　吊鉤模具型腔模型建立

(3)加工設置。選擇機床、夾具，設置加工坐標系原點、退刀面等；

(4)加工方法設置。選擇加工方法，選取刀具，確定切削參數；

(5)刀具軌跡演示及優化。啟動VERICUT軟件演示加工情況，并進行刀具軌跡優化；

(6)后置處理和數控代碼生成。CAM系統生成CL數據文件，經后置處理，生成數控系統能識別的機床加工所需的G代碼文件。

7粗/精加工的編程方法

機械加工工藝設計中，為了達到零件的精度及表面粗糙度等技術要求，零件一般要經過粗、精加工等加工階段。要進行粗、精加工，有時可用數控系統的循環指令編程，如粗車用G73循環，精車用G70循環。 在CAM自動編程中，用軟件內設置的各種可供選擇的粗加工、精加工方式完成粗、精加工。然而，在數控加工中常用數控系統刀具補償功能實現粗/精加工[19-20]。

數控系統刀具半徑補償功能使刀具中心自動偏離變成輪廓一個刀具半徑值。故刀具半徑補償值的原始含義是刀具半徑值。隨著數控技術的應用與發展，刀具半徑補償值的含義已由狹義的半徑值變成廣義的偏移量與距離，即刀具偏離對應編程輪廓點的法向距離，或曰刀位點與對應輪廓點的距離。根據刀具半徑補償值的幾何含義，利用刀補功能按零件輪廓編程時，就能通過設置不同的刀具半徑補償值，用同一程序實現粗/精加工。如圖1梅花套零件程序O0001，數控操機人員在刀補表D1中賦(R+△)刀補值運行程序時，則進行粗加工(R為刀具半徑值)，此時單邊留下△的精加工余量；把刀補表中刀補值改為R時，再運行同一程序則進行精加工。O0001程序需要數控操作人員幾次運行才能完成粗/精加工，如結合子程序，設置幾個刀補號，在每個刀補號中設置合適的刀具半徑補償值，就能一次性完成粗加工與精加工。下面是梅花套粗/精加工程序，刀具為16立銑刀，精加工余量取0.2mm。

O0004；(主程序名)

G54 G69 G90 G40 G00 Z50；( 設置坐標系，程序初始化，刀具快速定位至安全高度)

M03 S1000 X-140 Y-10；(主軸正轉，XY平面刀具快速定位至循環起點)

Z3；(刀具Z向快速定位至循環起點)

G01 Z-30 F50；( 下刀)

M98 P0044 D1；(取刀具半徑補償值8.2, 調用子程序O0044粗加工)

M98 P0044 D2；(取刀具半徑補償值8.0, 調用子程序O0044精加工)

G69 G0 Z200；(取消旋轉；抬刀至安全高度)

X100 Y100；(工作臺移近操作位)

M30；(主程序結束)

O0044；( 一級子程序名)

G01 G41 X-130 F200;(激活刀補)

Y0；( 刀具切入輪廓)

M98 P0444 L6;( 6次調用子程序O0444)

G01 Y5；(切出輪廓)

G40 X-140 Y-10；(回循環起點)

M99；(子程序結束，返回主程序)

O0444;( 二級子程序名)

G90 G02 X-119.495 Y22.802 R30；( 加工R30輪廓)

G03 X-79.495 Y92.084 R120；( 加工R120輪廓)

G02 X-65 Y112.583 R30；( 加工R30輪廓)

G91 G68 X0 Y0 R-60;( 坐標旋轉)

M99；( 子程序結束，返回一級程序)

說明: 理論上精加工時刀具半徑補償值為刀具半徑值，實際加工時必須按工藝情況及粗加工后測量值進行調整。

8編程技術的綜合應用

隨著數控技術的快速發展，數控應用技術不斷提高，通過數控編程技術解決機械加工工藝的方法也越來越多，如矩陣孔加工可用增量式鉆孔固定循環結合子程序編程處理，也可通過變量編程實現，并且現在有的數控系統已經把陣列孔加工做成了固定循環。下面以實現倒圓角工藝的編程[21]為例，說明編程技術的綜合應用。

圖4　橢圓柱倒圓角編程示意圖

O0005；(主程序名)

G54 G90 G40 G00 Z50；(設置坐標系，程序初始化；刀具快速定位至安全高度)

M03 S2000 X-65 Y-5；(主軸正轉；XY水平面刀具快速定位至循環起點)

Z3 M08；(刀具Z向趨近工件)

#11=5；(定義倒圓角半徑)

#12=6；(定義球頭刀半徑)

#13=0；(定義角度α為自變量，賦初始值0)

N5 #14=[#11+#12]*SIN[#13-1];(計算刀尖Z坐標B)

#15=[#11+#12]* COS[#13]-#11;(計算刀尖動態半徑補償值D)

G01 Z#4 F30；(下刀)

G10 L12 P01 R#15；(刀具半徑補償值#15賦給D1)

D01 M98 P0055；(調用輪廓子程序)

#13=#13+1；(遞增自變量α值，步距1度)

IF[#13 LE 90] GOTO 5；(循環條件)

G01 Y5；(刀具切出)

G00 Z200；(Z向退刀)

G40 X100Y 100；(取消刀補)

M30; (程序結束)

O0055；(橢圓輪廓子程序)

G41 G01 X-50；(激活刀補)

Y0；(刀具切入)

#20=180；(離心角θ為自變量，初始值180度)

N55#21=50*COS[#20]；(計算X坐標)

#22=40*SIN[#20]；(計算Y坐標)

G01 X#21 Y#22 F200；(刀具微線段逼近橢圓)

#20=#20-1;(遞減自變量θ值，步距1度)

IF [#20 GE -180] GOTO 55；(循環條件)

M99；(返回主程序)

9結束語

數控編程技術是現代機械加工中的關鍵技術，數控程序的優劣直接影響加工效率、加工質量及加工成本等。有效實現零件的機械加工工藝，需要明確的數控編程指導思想，選用合適的編程方法?；局噶罹幊虒崿F了機械加工工藝的數控指令化，固定循環集成了典型加工工藝單元的編程，子程序解決了相同加工內容的重復編程，變量編程實現了函數面加工，參數編程滿足了系列零件的加工需要，自動編程實現了自由曲面的數控加工。

各種編程策略方法是相互聯系、辯證統一的?；局噶罹幊淌撬芯幊谭椒ǖ幕A，子程序是相同的程序段單元抽出的“塊”，固定循環是數控系統內置的參數化編程，是工藝子程序；變量編程是基本編程的高級階段，參數化編程包含子程序與變量編程，自動編程是功能比較強大的編程方法，特別適合多軸加工自由曲面編程。一般機械加工工藝可用多種編程方法實現，但編程指導思想為程序越精簡越好，能用手工編程一般不用自動編程。本文以機械加工工藝特征為基礎，探究了各種機械加工工藝的編程方法，對數控編程技術應用與提高具有一定的理論意義和實用價值。

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(編輯趙蓉)

Study of Numerical Control Programming Methods Based on Mechanical Process Feature

CHEN Xiao-hong1，GAO Zeng-liang2，MA Yun-fei3，LAI Jian-liang1

(1. College of Mechanical Engineering, Zhejiang Institute of Mechanical & Electrical Engineering , Hangzhou 310053,China； 2. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014,China)

Abstract：Expounds the basic principle of programming in the perspective of Mechanical Processing Technology (MPT), and develops the environment for such various MPT. The Numerical Control (NC) direction for MPT is realized by basic programming, while simplified programming for typical processing unit by fixed cycle, identical MPT contents by sub-routine programming, functional surfaces by variable programming, part series process by parametric programming and free-form surface by automatic CAM programming. Meanwhile, by integrating the NC programming technology, some complicated technology is implemented such as the rough and finish machining, free surface contour fillet, etc.

Key words：process feature; programming method; parametric programming

文章編號：1001-2265(2016)05-0129-05

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.036

收稿日期：2015-07-29；修回日期：2015-08-28

作者簡介：陳小紅(1965—)，男，浙江義烏人，浙江機電職業技術學院副教授，高級工程師，研究方向為數控、CAD/CAM，(E-mail)601788357@qq.com。

中圖分類號：TH162;TG506

文獻標識碼：A