任務一 數控加工程序編制的基本概念

任務描述

什么是數控編程？數控編程的方法有哪些？其相應的特點是什么？

學習目標

了解數控加工程序編制的基本概念，掌握數控編程方法的分類。

任務分析

學習數控加工程序編制的基本知識是學習好編程的先決條件，從概念入手先易后難，掌握先進的編程技術。分析零件圖樣合理制定數控工藝路線是數控編程的基礎。理解并合理應用是本任務的重點，理解和掌握自動語言編程是本任務的難點。

任務完成

數控機床是一種高效的自動化加工設備，它嚴格按照加工程序，自動的對被加工工件進行加工。我們把從數控系統外部輸入的，直接用于加工的程序稱為數控加工程序，簡稱數控程序，它是機床數控系統的應用軟件。與數控系統應用軟件相對應的是數控系統內部的系統軟件，系統軟件是控制數控系統工作的。

數控系統的種類繁多，它們使用的數控程序語言規則和格式也不盡相同，本教程以國際標準為主來介紹加工程序的編制方法。當針對某一臺數控機床編制加工程序時，應該嚴格按機床編程手冊中的規定進行程序編制。

一、數控程序編制的概念

在編制數控加工程序前，應首先了解數控程序編制的主要工作內容，程序編制的工作步驟，每一步應遵循的工作原則等，最終才能獲得滿足要求的數控程序。

程序樣本

1.數控程序編制的定義

編制數控加工程序是使用數控機床的一項重要技術工作，理想的數控程序不僅應該保證加工出符合零件圖樣要求的合格零件，還應該使數控機床的功能得到合理的應用與充分發揮，使數控機床能安全、可靠、高效的工作。

2.數控程序編制的內容及步驟

數控編程是指從零件圖紙到獲得數控加工程序的全部工作過程。數控程序編制的內容及步驟如圖1-2-1所示。

1）分析零件圖樣和制訂工藝方案

這項工作的內容包括：對零件圖樣進行分析，明確加工的內容和要求；確定加工方案；選擇適合的數控機床；選擇或設計刀具和夾具；確定合理的走刀路線及選擇合理的切削用量等。這一工作要求編程人員能夠對零件圖樣的技術特性、幾何形狀、尺寸及工藝要求進行分析，并結合數控機床使用的基礎知識，如數控機床的規格、性能、數控系統的功能等，確定加工方法和加工路線。

2）數學處理

在確定了工藝方案后，就需要根據零件的幾何尺寸、加工路線等，計算刀具中心運動軌跡，以獲得刀位數據。數控系統一般均具有直線插補與圓弧插補功能，對于加工由圓弧和直線組成的較簡單的平面零件，只需要計算出零件輪廓上相鄰幾何元素交點或切點的坐標值，得出各幾何元素的起點、終點、圓弧的圓心坐標值等，就能滿足編程要求。當零件的幾何形狀與控制系統的插補功能不一致時，就需要進行較復雜的數值計算，一般需要使用計算機輔助計算，否則難以完成。

3）編寫零件加工程序

在完成上述工藝處理及數值計算工作后，即可編寫零件加工程序。程序編制人員使用數控系統的程序指令，按照規定的程序格式，逐段編寫加工程序。程序編制人員應對數控機床的功能、程序指令及代碼十分熟悉，才能編寫出正確的加工程序。

4）程序檢驗

將編寫好的加工程序輸入數控系統，就可控制數控機床的加工工作。一般在正式加工之前，要對程序進行檢驗。通?？刹捎脵C床空運轉的方式，來檢查機床動作和運動軌跡的正確性，以檢驗程序。在具有圖形模擬顯示功能的數控機床上，可通過顯示走刀軌跡或模擬刀具對工件的切削過程，對程序進行檢查。對于形狀復雜和要求高的零件，也可采用鋁件、塑料或石蠟等易切材料進行試切來檢驗程序。通過檢查試件，不僅可確認程序是否正確，還可知道加工精度是否符合要求。若能采用與被加工零件材料相同的材料進行試切，則更能反映實際加工效果，當發現加工的零件不符合加工技術要求時，可修改程序或采取尺寸補償等措施。

二、數控編程的方法

1.手工編程

手工編程是指在編程的過程中，全部或主要由人工進行。對于加工形狀簡單、計算量小、程序不多的零件，采用手工編程較簡單、經濟、效率高。

2.自動編程（APT語言）

為了解決數控加工中的程序編制問題，20世紀50年代，MIT設計了一種專門用于機械零件數控加工程序編制的語言，稱為APT（Automatically Programmed Tool）。是編程人員根據零件圖紙要求用一種直觀易懂的編程語言（包括幾何、工藝等語句定義）手工編寫一個簡短的零件源程序，然后輸給計算機，計算機經過翻譯處理和刀具運動軌跡處理，再經過后置處理，自動生成數控系統可以識別的加工程序。由此可見，APT語言不能直接控制機床。APT幾經發展，形成了諸如APTII、APTIII（立體切削用）、APT（算法改進，增加多坐標曲面加工編程功能）、APTAC（Advancedcontouring）（增加切削數據庫管理系統）和APT/SS（Sculptured Surface）（增加雕塑曲面加工編程功能）等先進版。

采用APT語言編制數控程序具有程序簡單，走刀控制靈活等優點，使數控加工編程從面向機床指令的“匯編語言”級，上升到面向幾何元素。但是APT仍有許多不便之處：采用語言定義零件幾何形狀，難以描述復雜的幾何形狀，缺乏幾何直觀性；缺少對零件形狀、刀具運動軌跡的直觀圖形顯示和刀具軌跡的驗證手段；難以和CAD數據庫和CAPP系統有效連接；不容易做到高度的自動化、集成化。

針對APT語言的缺點，1978年，法國達索飛機公司開始開發集三維設計、分析、NC加工一體化的系統，稱為CATIA。隨后很快出現了EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系統，這些系統都有效地解決了幾何造型、零件幾何形狀的顯示，交互設計、修改及刀具軌跡生成，走刀過程的仿真顯示、驗證等問題，推動了CAD/CAM向一體化方向發展。

APT語言格式舉例如下。

（1）點的定義：P=POINT/10，20，15。

（2）直線的定義：L=LINE/16，8，0，16，32，0。

（3）機床主軸轉數及旋轉方向的定義：SPINDL/n，CLW。

（4）輪廓加工的外容差和內容差的定義：OUTTOL/τ，INTOL/τ。

（5）刀具起始點為P：From/P。

（6）刀具從P點以最短距離運動向L運動，直至與L相切：GO/TO，L。

這里用“語言”編寫的源程序和手工編程的加工程序有本質差別，手工編程的加工程序可直接控制數控機床進行零件加工；自動編程的源程序要經編譯處理后才可被數控機床接受。APT自動編程的基本步驟如圖1-2-2所示。

3.CAD/CAM

采用人機交互功能的計算機圖形顯示器，在圖形顯示系統軟件和圖像編程應用軟件的支持下，只要給出一些必要的工藝參數，發出相應的命令或“指點”菜單，然后根據應用軟件提示的操作步驟，實時“指點”被加工零件的圖形元素，就能得到零件的各輪廓點的位置坐標值，并立即在圖像顯示屏上顯示出刀具加工軌跡，再連接適當的后置處理程序，就能輸出數控加工程序單。這種編程方法稱為計算機圖像數控編程（Computer Graphics Aided NC Programming），簡稱圖像編程。

圖像編程是目前主要的自動編程方式，國內外圖形交互自動編程軟件有很多，流行的集成CAD/CAM（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing）系統大都具有圖形自動編程功能。以下是目前市面上流行的幾種CAD/CAM系統軟件：

（1）Pro/Engineer（簡稱Pro/E）軟件。Pro/E是美國PTC公司開發的機械設計自動化軟件，也是最早實現參數化技術商品化的軟件，在全球擁有廣泛影響，也是我國使用最為廣泛的CAD/CAM軟件之一。

（2）UG軟件。UG是美國EDS公司的產品。多年來，該軟件匯集了美國航空航天及汽車工業豐富的設計經驗，發展成為世界一流的集成化CAD/CAE/CAM系統，在世界和我國都占有重要的市場份額。

（3）Solidworks軟件。Solidworks公司的CAD/CAM系統從一開始就是面向微機系統，并基于窗口風格設計的，同時它采用了著名的Parasolid為造型引擎，因此，該系統的性能先進，主要功能幾乎可以和上述大型CAD/CAM系統相媲美。

（4）MasterCAM軟件。MasterCAM是美國CNC Software NC公司研制開發的一套PC級套裝軟件，可以在一般的計算機上運行。它既可以設計繪制所要加工的零件，也可以產生加工這個零件的數控程序，還可以將AutoCAD、CADKEY、Solidworks等CAD軟件繪制的圖形調入到MasterCAM中進行數控編程。該軟件簡單實用。

（5）Catia軟件。

（6）國內市場信譽較好的CAD/CAM軟件有北航海爾軟件有限公司開發CAXA和廣州紅地公司推出的金銀花系統。

4.語音編程

語音數控自動編程是利用人的聲音作為輸入信息，并與計算機和顯示器直接對話，令計算機編出加工程序的一種方法。語音編程系統的構成，如圖1-2-3所示。編程時，編程員只需對著話筒講出所需的指令即可。編程前應使系統“熟悉”編程員的“聲音”，即首次使用該系統時，編程員必須對著話筒講該系統約定的各種詞匯和數字，讓系統記錄下來并轉換成計算機可以接受的數字指令。

5.視覺系統編程

采用計算機視覺系統來自動閱讀、理解圖樣，由編程員在編輯過程中實時給定起刀點、下刀點和退刀點，然后自動計算出刀位點的有關坐標值，并經后置處理，最后輸出數控加工的程序單。視覺系統編程首先由圖樣掃描器（常用的CCD傳感器掃描器和掃描鼓兩種）掃描圖樣，取得一幅圖像，對該圖像進行預處理是為了校正圖像的幾何畸變和灰度畸變，并將它轉化為易處理的二值圖像，同時作斷口校正、幾何交點部分檢測、細線化處理，以消除輸入部分分辨率的影響；然后分離并識別圖樣上的文字、符號、線劃等元素，并記憶它們之間的關系，對線劃還需進行矢量化處理，并用直線或曲線擬合，得到端點和分支點；將這些信息綜合處理，確定圖樣中每條線的意義及其尺寸大小，最后作編輯處理及刀位點坐標計算。再連接適當的后置處理，就能輸出數控加工程序單。視覺系統在編程時不需要零件源程序和編程員，只要事先輸入工藝參數即可，操作簡單，能直接與CAD的數據相連接，實現高度自動化。

思考與練習

1.簡述數控編程的內容與步驟。

2.手工編程與自動編程各有何特點？各適應什么場合？