试谈数控编程技术(正式版)

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1、数控编程技术数控机床是采用计算机控制的高效能自动化加工设备，而数控加工程序是 数控机床运动与工作过程控制的依据。因此程序编制是数控加工中的一项重要 工作，理想的加工程序应保证能加工出符合产品图样要求的合格工件，同时也 能使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，使数控机床安全、可靠、 高效地工作，加工出高质量的产品。从零件图纸到获得合格的数控加工程序的 过程便是数控编程，其过程如图1-3虚框所示。数控编程技术与数控机床两者的发展是紧密相关的。数控机床的性能提升 推动了编程技术的发展，而编程手段的提高也促进了数控机床的发展，二者相 互依赖。现代数控技术正在向高精度、高效率、高柔性和智能化方向发

2、展，编 程方式也越来越丰富。手工编程一般对几何形状不复杂，加工程序不长、计算不繁琐的零件，如点位加工或几何形状不复杂的轮廓加工，一般选用手工编程，其流程如图1-4所示。手工编程的重要性是不容忽视的，它是编制加工程序的基础，是机床现场加工调 试的主要方法，是机床操作人员必须掌握的基本功，但它也有以下缺点：(1) 人工完成各个阶段的工作，效率低、易出错；(2) 每个点的坐标都需计算，工作量大、难检查；(3) 对复杂形状的零件，如螺旋桨的叶片形状，不但计算复杂，有时也很难实现。图1-4手工编程流程自动编程但上述问题若由计算机进行处理，难题就迎刃而解了。自动编程是指在计 算机及相应的软件系统的支持下，

3、自动生成数控加工程序的过程。除分析零件 图样和制定工艺方案由人工进行外，其余均由计算机自动完成，故又称计算机辅助编程，它充分利用了计算机快速运算和存储的功能。如图1-5编程人员将零件形状、几何尺寸、刀具路线、工艺参数、机床特 征等，按一定的格式和方法输入到计算机内，再由自动编程软件对这些输入信 息进行编译、计算等处理生成刀具路径文件和机床的数控加工程序，通过通信接口将加工程序送入机床数控系统以备加工。对于形状复杂，比如具有非圆曲线轮廓、三维曲面等零件编写加工程序,采用自动编程方法效率高，可靠性好。图1-5自动编程流程数控加工程序数控机床随着微电子技术和 CAD技术的发展，为降低编程难度、提高效

4、率，减少 和避免程序错误，自动编程技术不断发展，大约经历了以下几个阶段：1) 50年代美国麻省理工学院(MIT )开发APT语言；2) 60年代MIT组织美国各大飞机公司共同开发 APTII、APTIII ；3) 70年代出现基于 APTIII 的 APT-IV、APT-AC ；4) APT 衍生出其他语言如 ADAPT，EXAPT，HAPT，FAPT，IFAPT 等；5) 80年代以后各种不同的CAD/CAM集成数控编程系统发展起来；1.1.1.1.1数控语言自动编程1.1.1.1.2图形交互式自动编程随着计算机技术的迅猛发展，计算机的图形处理能力不断增强。一种可以 直接将零件的几何图形信息

5、，自动转化为数控加工程序的全新的计算机辅助编 程技术一一图形交互式自动编程应运而生，并在20世纪70年代以后得到迅速发展和推广应用。图形交互自动编程是计算机配备了图形终端和三维绘图软件后进行编程的 一种方法，它以人一机对话的形式，在图形显示终端上绘制出加工零件及毛坯， 选择机床和刀具并制定加工工艺，计算机便按预先存储的图形自动编程系统计 算刀具轨迹，然后由相应机床的后处理器自动生成 NC代码。现代图形交互式自动编程是建立在 CAD和CAM系统的基础上的，典型的 图形交互式自动编程系统都采用 CAD/CAM集成数控编程系统模式，与早期的 语言型的自动编程系统相比它有如下特点： 输入工件图形并采用

6、人机对话方式，而不需要使用数控语言编制源程序； 从加工工件的图形再现、进给轨迹的生成、加工过程的动态模拟，到生 成数控加工程序，都是通过屏幕菜单驱动，因而速度快、精度高、直观性好、 使用简便、便于检查； 可以通过软件的数据接口共享已有的 CAD设计结果，实现CAD/CAM 集成一体化，实现无图纸设计制造； 为提高生产率、缩短新产品研制周期、保证产品产量、降低成本创造了 有利的条件，尤其是对三维复杂曲面零件，只要作适当的修改就能产生新的 NC 代码，因而它具有相当大的柔性。图1-7应用CAD /CAM集成系统设计加工的流程图从上世纪40年代第一台计算机问世以来，50年代出现了第一台数控机床， 6

7、0年代的交互式图像显示设备，70年代的工作站(Workstation)和造型技术(Wireframe Modeling、Solid Modeling、Surface Modeling)，以至 80 年代的 智能机器人及专家系统，CAD/CAM历经形成、发展、提高和集成各个阶段。 90年代中期以后便向着，如图1-7所示。近年来，计算机技术、空间几何造型技术、工程数据库技术和系统集成技 术的不断发展进步，如今已出现了一批功能强大的CAD/CAM软件，如法国达索飞机制造公司的CATIA、美国麦道航空公司的UG-II和美国参数技术公司的 Pro/E，我国北航海尔的制造工程师(CAXA-ME)等，这些软

8、件都具有空间异型 曲面的数控加工程序编制功能，且具有智能型后置处理环境，可以面向众多的 数控机床和大多数数控系统。近年来，计算机硬件技术飞速发展，使微机的性能价格比不断进步。目前 世界上很多着名的CAD/CAM软件公司已着手开发了基于微机的 CAD/CAM软 件，使原来只能在工作站上运行的软件，在微机上同样可以运行。硬件本钱的 大幅度降低，使CAD/CAM能够得以广泛应用。对于使用多种CAD/CAM系统，配备多种机床各种类型数控系统的情况就 更为复杂，这是由于后置处理面临如下纷繁的情况：1刀具路径文件格式的多样性刀具路径文件采用APT语言格式，这种语言接近于英语自然语言，它描述 当前的机床状态

9、及刀尖的运动轨迹。它的内容和格式不受机床结构、数控系统 类型的影响。但不同的CAD/CAM软件天生的刀具路径文件的格式均有所不同如：“调用n号刀具，长度补偿选用a寄存器中的值”，表示这一功能的指令在不同的 CAM系统表述格式不同，如表1-1。表1-1 不同种CAD/CAM系统的表述格式CAD/CAM 系统表述格式ug- nLOAD/TOOL，n，ADJUST，aCATIALOADTL/n，1Pro/ELOADTL/n，OSETNO，aCV CADDSLOAD/TOOL，n，OSETNO，a2.NC程序格式的多样性NC程序由一系列程序段组成，通常每一程序段包含了加工操纵的一个单步命令，程序段通常

10、是由N、G、X、丫、Z、F、S、T、M 地址字和相应的数字值组成的。(1) ISO 1056-1975标准对其中的部分预备代码功能、辅助功能代码的功能作了同一的规定如：G00快速点位运动、G01直线插补、G02顺时针圆弧插补、G03 逆时针圆弧插补、G04驻留。但还有大量的未作同一规定的“不指定代码”，其中不指定的“ G”代码由数控 系统厂家根据需要自行制定其代码功能，如表1-2。G代码FANUC-15MA 系统TOSNUC 800-M 系统G10数据设置撤销坐标转换G11取消数据设置坐标转换G15取消极坐标命令G16极坐标命令未做同一规定的“ M”代码由数控机床制造厂根据其机床所具有的附属设

11、 备功能制定其代码功能。如日本日立精机公司制造的柔性加工单元HG500,带有16个托盘(PPL)，托盘可自动交换，实现无人加工。为了控制托盘自动进进 主机，它用M87M89代码控制A.P.C门的开关：表1-3自行制定的M ”代码功能M87A.P.C door right ope nA.P.C右侧门打开M88A.P.C door left openA.P.C左侧门打开M89A. P.C door closeA.P.C门关闭(2)有些数控系统对部分 G代码的功能并不严守ISO-1056标准的规定，而是自 行定义，如表1-4所示。表1-4东芝数控系统自行定义的G码功能G代码TOSNUC 800-MI

12、SOG20参考点返回检查英制G21第2、3、4参考点返回检查公制G44取消长度补偿刀具偏置-负G93局部坐标系设定时间倒数进给(3)个别数控系统的NC程序采用了比较特殊的代码格式如:HEIDENHAIN TNC426 系统的右补偿直线插补语句格式：FL X+10 丫+10 RL对应于标准代码 ：G01 G42 X10 丫10。3.技术需求的多样性随着技术的发展和应用的进展，现在的后置处理技术已不能停留在仅仅是 对刀具路径文件的代码转换，而是增加了从具体的加工需求特征、具体的数控 机床和数控系统的特征出发，赋予后置处理器以更多的功能要求。高速数控加工的出现不仅对机床结构和数控系统提出了新的要求，

13、对于加 工工艺的策划、工艺参数的设置和加工约束的设置也提出了新的要求。又如各种数控系统在曲面加工时，所用的曲面拟合模型不尽相同，有的用 Nurbs拟合模型，有的用Bezier拟合模型，有的用Polymial拟合模型，还有的 用Spline拟合模型，后置处理器就面临支持相应的多种曲面拟合模型的题目。因此，要使所生成的数控程序不经手工修改，直接应用于数控机床加工， 则必须针对每一台数控机床定制专用的后置处理器。特别是对于多轴数控加工 机床，各大CAD/CAM软件厂家提供的多轴后置处理器还有很大的局限性，通 用性不好，有的软件仅提供了三轴后置处理器。而针对五轴数控机床，目前只 有一些经过改良的后置处

14、理器，五轴数控机床的后置处理器还有待进一步开发。因此能够处理不同类型格式的刀具路径文件，并做优化处理，以适应不同 类型的机床、不同类型的系统、不同类型的零件的加工需求，生成的 NC程序 不需人工做二次修改，而直接应用于机床是后置处理器技术的发展方向。高速数控加工的出现不仅对机床结构和数控系统提出了新的要求，对于加 工工艺的策划、工艺参数的设置和加工约束的设置也提出了新的要求。又如各种数控系统在曲面加工时，所用的曲面拟合模型不尽相同，有的用 Nurbs拟合模型，有的用Bezier拟合模型，有的用Polymial拟合模型，还有的 用Spline拟合模型，后置处理器就面临支持相应的多种曲面拟合模型的

15、题目。 因此，要使所生成的数控程序不经手工修改，直接应用于数控机床加工， 则必须针对每一台数控机床定制专用的后置处理器。特别是对于多轴数控加工 机床，各大CAD/CAM软件厂家提供的多轴后置处理器还有很大的局限性，通 用性不好，有的软件仅提供了三轴后置处理器。而针对五轴数控机床，目前只 有一些经过改良的后置处理器，五轴数控机床的后置处理器还有待进一步开发。因此能够处理不同类型格式的刀具路径文件，并做优化处理，以适应不同类型的机床、不同类型的系统、不同类型的零件的加工需求，生成的NC程序不需人工做二次修改，而直接应用于机床是后置处理器技术的发展方向。图1-7 CAD/CAM发展情况后置处理技术从图1-7我们可以看出，传统的机械制造方式正在向计算机集成制造系统(CIMS)方向发展，计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)集成系统又是实现CIMS 的核心技术。实现CAD/CAM系统的无缝集成，必须将CAD/CAM自动编程系 统生成的APT格式的刀位代码转换成指定数控机床能执行的程序。在数控编程中，将刀具轨迹计算过程称为前置处理。为使前置处理通用化，按照相对运动原理，将刀位轨迹计算统一在工件坐标系中进行