數控技術課程中復雜回轉體零件數控編程教學改革與實踐

張耀滿 王振起

[摘 要] 在“機床數控技術”課程的實驗教學過程中，需要讓學生掌握各種數控編程的方法，并了解各種編程方法的特點，以利于學生在實際中靈活應用。該文以復雜回轉體零件為研究對象，分別采用手工編程和計算機輔助編程方法實現了其數控加工程序的編制，并對比分析了手工編程和計算機輔助編程的實現過程，分析確定了手工編程和計算機輔助編程的應用場合和實現方法。

[關鍵詞] 手工編程;計算機輔助編程;后置處理;仿真加工

[作者簡介] 張耀滿（1972—），男，遼寧遼中人，博士，東北大學機械工程與自動化學院副教授，主要從事自動化技術、機床數控技術教學

與研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）23-0220-03? ? [收稿日期] 2019-11-25

一、教學改革與實踐概述

在機械加工領域，數控加工設備的占有率越來越高，對設備操作使用人員的要求也越來越高。數控機床的工作原理、基本操作和數控編程的基本知識可以通過“機床數控技術”的課堂理論教學和實驗教學得以很好的學習。實驗教學是培養創新精神和實踐能力的重要載體，拓展實驗教學內容的廣度和深度，對于提升實驗教學的質量和水平具有重要意義。

在“機床數控技術”的課堂教學和實驗教學過程中，有必要加強學生操作使用數控機床的能力、數控編程的能力，提升學生的創新精神和實踐能力。“機床數控技術”課程是一門對學生的實踐能力基礎要求很強的課程，在課程教學過程中需要采用理論教學和實驗教學相結合的方法來完成。實驗教學在幫助學生直觀認識和理解客觀世界的運動、掌握一定的實驗知識和能力、提高創造性和綜合性動手能力、培養學術素養和實踐素養中，具有重要意義。“機床數控技術”課程實驗需要熟悉各種常見類型數控機床及其典型功能部件的結構和工作原理、數控機床的基本操作、數控加工程序編制等內容。

目前隨著數控機床的應用普及，“機床數控技術”已經逐漸成為機械工程及其相關專業的必選的通識選修課程，選擇該課程的學生逐年增加，這就對課程實驗教學工作的開展提出了更高的要求。為了更好地完成課程規定的實驗教學內容，需要建設一個種類齊全的數控技術實驗室。目前學院通過多年的實驗室建設，已經配置了很多類型的數控機床，這些設備在“機床數控技術”實驗教學過程中發揮了重要作用。“機床數控技術”實驗教學方法有理論性比較強的特點，因為數控技術的實驗課程需要有很多概念和知識點進行學習，內容比較綜合，并且比較復雜。

本文以復雜回轉體零件的數控編程和實現過程為研究重點，分別采用手工編程和計算機輔助編程方法實現了零件數控加工程序的編制，分析各種編程方法的特點和主要應用場合，并確定課程實驗教學內容的重點和主要方向，進而促進學生對數控編程基本概念、數控編程和機床的操作的深入理解，提升學生的實踐能力和創新能力。

二、回轉體零件手工編程

用于回轉體零件的數控編程方法，根據零件復雜程度的不同，分別采用手工編程方法和計算機輔助編程方法。前者指編制零件數控加工程序的各步驟均由人工來完成，主要用于點位加工或幾何形狀不太復雜的零件數控編程問題。后者指除了分析零件圖樣和制定工藝方案由人工進行外，其余工作均由計算機輔助完成。計算機輔助編程主要包括刀位軌跡的生成和后置處理兩部分。對于圖形交互式自動編程，刀位軌跡的生成是在計算機上利用三維圖形技術對生成零件加工的刀位數據文件，并可以使用軟件自帶的仿真加工軟件快速、有效地對數控程序的正確性進行較準確的評估，并可根據仿真結果對數控程序迅速地進行修改。后置處理主要功能是將刀具位置數據轉換成具體所使用的數控機床系統可以運行的數控加工程序。

本文所編制數控加工程序用于HTC1635i數控車床，該機床使用FUNAC 0i-T數控系統，配置RS232、USB和CF接口用于數據和數控加工程序的傳輸，機床外形及其主要結構如圖1所示。本文以某較為復雜回轉體零件為研究對象，該零件主要尺寸如圖2所示。分別采用手工編程和計算機輔助編程的方法實現了該零件數控加工程序的編制，進而研究不同編程方法適應的零件類型。

手工編程主要包括采用單一指令和復合循環指令編程。單一指令編程主要指采用G00、G01、G02和G03等指令進行編程，單一指令簡單好學，有助于編程人員更好地理解刀具在加工過程中的運動軌跡。但使用單一指令編程時每一個動作的執行都要寫一個程序段，程序編制起來很煩瑣。復合循環指令編程主要指采用G70、G71、G73和G76等指令編程，在復合循環指令中只需設定每次的切削深度、退刀量、精加工余量、程序段號等參數以及最終走刀軌跡和重復次數，數控系統便根據循環指令的走刀路線自動進行重復切削直到加工完為止，復合循環指令執行的走刀路線都是規定好的動作，靈活性差。

手工編程前需要進行加工工藝分析，包括毛坯選取、刀具選擇、加工步驟和切削參數確定等。選取直徑為？準78mm，長度為150mm的圓柱體作為零件加工毛坯;目前車床已安裝了4把車刀，分別為1號刀-外圓車刀、3號刀-刃寬2mm的切槽刀、5號刀-60°螺紋刀和7號刀-端面車刀。零件安裝和加工過程如下：首先將零件采用液壓三爪卡盤安裝定位;設置加工過程中所使用刀具的刀具偏置;采用工件坐標系預置寄存的方式，建立工件加工坐標系;考慮到毛坯的形狀，采用G73循環加工指令實現輪廓粗加工;使用切槽刀具完成螺紋加工退刀槽的加工;使用G76螺紋加工循環指令完成螺紋部分數控加工程序的編制。根據加工步驟和數值計算，綜合考慮切削三要素，編寫的零件加工程序如下。

O1234

N10 G50 X100.00 Z100.0

N20 T0101

N30 M03 S1000

N40 G00 X80.0 Z5.0

N50 G73 U21.0 W0 R22;

N60 G73 P70 Q190 U0.4 W0.2 F0.1

N70 G01 X36.0 F0.1

……

N360 T0505

N370 G00 X42.0 Z2.0

N380 G76 P30160 Q80 R0.1

N390 G76 X38.052 Z-23.0 R0 P974 Q400 F2

N400 G00 X100.0 Z100.0

N410 M05

N420 M30

三、回轉體零件計算機輔助編程

計算機輔助編程就是在計算機上使用一些CAD/CAM軟件實現零件加工軌跡和程序編制的過程。隨著制造業的高速發展，越來越多形狀復雜的零件隨處可見，包括加工零件的輪廓是樣條曲線或是三維曲線組成的，手工很難推算出曲線的數學表達式，顯然手工編程已經適應不了生產的需求，而采用計算機輔助編程軟件可以實現復雜零件數控加工程序的編制。目前，能實現計算機輔助編程的軟件有UG，PRO/E，Mastercam等。充分利用計算機輔助編程軟件，不僅可以減少大量計算量，實時觀測刀具軌跡，發現問題及時修改，提高生產效率，縮短了編程時間，還能在教學過程中，充分展現虛擬仿真技術在復雜回轉體零件數控編程教學過程中的應用，使學生深入了解零件從建模、仿真加工到程序編制、機床加工整個過程，提高他們的創造性和實踐能力。

進行計算機輔助編程前也需要工藝分析，同手工編程。實現計算機輔助編程，需要經過三維建模、加工過程仿真和后處理三部分。首先根據圖紙采用CAD/CAM軟件建立零件三維模型;然后在應用模塊中選擇車削加工進入加工環境，創建幾何體：創建機床坐標系、部件幾何體、車削工件和避讓幾何體;根據實際使用的刀具，在CAM系統中創建外圓車刀、外溝槽車刀、外螺紋車刀;之后按照指定的零件加工工藝創建程序，創建外徑粗車操作：創建工序→切削區域設置→刀軌設置參數設定→生成刀路軌跡并3D仿真。對于我們要進行數控編程的零件所生成的粗車、精車加工軌跡如圖3所示。

CAM軟件數控編程能力強大，但使用默認的FUNUC后處理文件，生成的程序不規范也不正確;需要構建適合我們所采用的FUNAC 0i-T數控系統的專用后處理器文件。通過修改CAM后處理構造器模塊參數，生成后處理配置文件，通過新生成的后處理文件生成的數控代碼，不需要編程人員做任何修改，即可直接用于零件加工。選擇經過后處理構造器修改過的后處理文件，生成經過后處理的G代碼程序如下。

O1245

N0010 G50 X100.000 Z100.000

N0020 T0101

N0030 M03 S1000

N0040 G00 X82.000 Z5.000

……

N2970 X100.000 Z100.000

N2980 M05

N2990 M30

四、回轉體零件數控編程結果分析

對如圖2所示的回轉體零件，分別采用手工編程和計算機輔助編程的方法實現了零件的數控編程。當零件的精加工軌跡比較簡單的情況下，采用手工編程中的固定循環編程可以達到很好的效果，具有程序量比較少代碼42為行，并且編程走到軌跡比較清晰。如果零件的精加工軌跡更為復雜，采用手工編程方法就很難實現類似零件的數控編程。采用計算機輔助編程方法實現如上零件的數控編程，所生成的代碼達到299行，對于所選擇的零件更適合采用手工編程的方法來進行數控編程。

如果編制零件形狀更復雜形狀的數控加工程序，采用計算機輔助編程方法的優勢明顯，零件計算機輔助編程的難度不受零件復雜程度的影響。采用計算機輔助編程方法，計算機輔助編程軟件的具有各種加工方式的模板，方便編程人員根據實際需求選擇合適的走刀形式。雖然所生成的程序比較復雜，但計算機輔助編程系統都配有相應的加工軌跡仿真功能，使編程人員可以清晰地判斷走刀軌跡的合理性。

對于結構復雜的零件，采用計算機輔助編程的編程周期遠遠小于手工編程。手工編程時編程人員往往還要考慮刀具軌跡是否干涉，刀具副切削刃是否對零件已加工面產生干涉等問題。當零件比較復雜時，是否過切削和干涉在零件試切時才能發現，需要識別錯誤程序重新編輯，耗費時間較長。計算機輔助編程使用計算機輔助編程人員完成大部分工作，編程人員可及時檢查程序的正確性，大大縮減編程時間，解決了手工編程無法解決的許多復雜零件的編程難題。

綜上所述，手工編程和計算機輔助編程各有利弊，針對復雜回轉體零件，為了縮短開發周期，提高效率，降低成本，優先推薦計算機輔助編程。

五、結語

目前在“機床數控技術的課堂和實驗教學過程中，以講解和實踐采用手工編程方法為主，進而讓學生理解數控機床的基本概念和工作原理、實際操作過程。考慮到在實際的生產加工過程中所用到的數控編程方法的實際，需要對課程教學內容的重點進行必要的調整。在手工編程的講解過程中，增加固定循環和復合循環指令的講解。固定循環指令和復合循環指令是手工編程指令中最接近自動編程的編程思想的指令。

某些數控系統提供了類似于自動編程思想的編程工具，如西門子數控系統提供的Shop Mill和Shop Lathe等，在教學實驗過程中也可以加強該方面的講解和學習。在課堂和實驗教學過程中，增加數控自動編程及其相關內容的講解和學習。使學生掌握影響數控自動編程應用的關鍵技術，為學生開展創新性實驗奠定基礎，適應新時代和新工科對數控方面人才的需求。

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Teaching Reform and Practice of NC Programming for Complex Rotating Parts in NC Technology

ZHANG Yao-man，WANG Zhen-qi

（School of Mechanical Engineering and Automation，Northeast University，Shenyang，Liaoning 110819，China）

Abstract：In the experimental teaching process of Machine Tool NC Technology，students need to master various NC programming methods and understand the characteristics of various programming methods so as to facilitate the students' flexible application in practice.This article takes complex rotating parts as the research object to discuss manual programming and computer-aided programming methods used to achieve the compilation of its NC machining program.The comparative analysis is made between the realization process of manual programming and computer-aided programming，and the different application situations and realization methods of manual programming and computer-aided programming are defined in the paper.

Key words：manual programming;computer-aided programming;post-processing;simulation processing