數(shù)控編程技術(shù)及其典型應(yīng)用探究

陳志佳

摘 要：數(shù)控加工技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)、材料加工產(chǎn)業(yè)以及自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，是現(xiàn)代工業(yè)中的重要組成部分。眾所周知，數(shù)控編程在數(shù)控技術(shù)中扮演者重要的角色，在降低工作量的同時(shí)提升了工作質(zhì)量，并最大限度的降低加工和維修成本。本文就對(duì)數(shù)控編程技術(shù)的基本情況進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對(duì)我國(guó)數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，以便更好地把握數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，為我國(guó)機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供一定的理論與技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；編程技術(shù)；機(jī)械產(chǎn)業(yè)；現(xiàn)代技術(shù)；發(fā)展

1 引言

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)的機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了信息自動(dòng)化時(shí)代，大大促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。所謂的數(shù)控技術(shù)，就是采用數(shù)字控制的方法對(duì)某些機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行自動(dòng)化的控制，不僅大大提升了工作效益，還最大限度的減少了人為操作帶來(lái)的誤差，從而節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成為支撐我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展所必不可少的技術(shù)。數(shù)控編輯工作就是對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行工作所依賴的的控制程序進(jìn)行編輯，綜合考慮數(shù)控加工的條件與客戶要求等書寫編程語(yǔ)言，并保證整個(gè)系統(tǒng)的完整性與實(shí)用性。目前國(guó)際上出現(xiàn)了各種各樣的數(shù)控編程技術(shù)，總結(jié)來(lái)說主要有手動(dòng)編寫和自動(dòng)編寫兩種，手動(dòng)編程技術(shù)主要應(yīng)用于一些簡(jiǎn)單的數(shù)控程序的編寫，由于其本身的局限性已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的加工需求，因此在這種情況下更加高效、科學(xué)、安全的自動(dòng)化數(shù)控編程技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，大大加快了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展。

2 數(shù)控編程技術(shù)的概述與系統(tǒng)組成

數(shù)控編程是建立在電子計(jì)算機(jī)編程軟件之上的，已經(jīng)從開始的比較簡(jiǎn)單的手動(dòng)編程逐漸向?qū)嵱眯院托市愿叩淖詣?dòng)編程技術(shù)邁進(jìn)。從廣義的角度來(lái)考慮，數(shù)控編程技術(shù)包括CAD/CAM技術(shù)、工藝技術(shù)以及數(shù)控加工仿真技術(shù)等，如圖1所示為數(shù)控編程技術(shù)的結(jié)構(gòu)框圖：

圖1 數(shù)控編程技術(shù)的結(jié)構(gòu)框圖

工藝技術(shù)主要指根據(jù)加工需要與客戶需要進(jìn)行工序設(shè)計(jì)、刀具選擇、加工參數(shù)設(shè)計(jì)以及道具加工位置選取等工作，是整個(gè)數(shù)控技術(shù)的核心與靈魂，也是表達(dá)數(shù)控編程語(yǔ)言的關(guān)鍵；數(shù)控加工需要預(yù)先生成產(chǎn)品的數(shù)字化模型，這一工作主要由CAD技術(shù)來(lái)完成，其作用是為數(shù)字化模型的建立以及后續(xù)工作的進(jìn)行提供原始數(shù)據(jù)依據(jù)；CAM技術(shù)則主要是指借助具有模具加工功能的CAM軟件根據(jù)產(chǎn)品知識(shí)和用戶需求對(duì)刀具的切割路線、刀具切口位置等進(jìn)行精確的計(jì)算，最終根據(jù)刀位點(diǎn)的位置、機(jī)床加工系統(tǒng)以及后續(xù)處理程序等生成特定的機(jī)床可以識(shí)別的NC程序代碼，以便開展后續(xù)工作；將生成的NC軟件程序和相應(yīng)地?cái)?shù)據(jù)信息應(yīng)用在數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中，對(duì)實(shí)際加工狀況以及加工條件進(jìn)行控制，避免了工作中出現(xiàn)刀工干涉、刀夾與工件干涉以及機(jī)床因素干涉等情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的切割速度的合理控制，實(shí)現(xiàn)最好的加工精度。仿真程序的檢驗(yàn)效果可以直接判斷該編程軟件系統(tǒng)是否可以安全高效地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，如果仿真效果不理想，則需要返回CAM編程程序進(jìn)行修改，直到仿真合格后才可以最終生成可驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行加工工作的NC軟件，按照相關(guān)規(guī)定與參數(shù)要求加工出合格的產(chǎn)品。

3 CAD/CAM技術(shù)以及數(shù)控仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)零部件加工的精度與加工質(zhì)量要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的加工技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)的技術(shù)要求，數(shù)控編程技術(shù)作為一種精度高、加工質(zhì)量好的新型加工技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)械加工的各個(gè)領(lǐng)域。目前國(guó)際上個(gè)各大機(jī)械加工公司普遍采用的UG、Proe、Powermill以及Cimatron E等集成軟件系統(tǒng)都是CAD/CAM技術(shù)的典型代表，例如美國(guó)波音公司利用CATIA軟件成功開發(fā)出了無(wú)紙化一體設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并利用該軟件系統(tǒng)制造出了世界上技術(shù)含量最高的波音777飛機(jī)，因此CAD/CAM技術(shù)是未來(lái)數(shù)控加工領(lǐng)域的先驅(qū)，承載著機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)的未來(lái)。

數(shù)控加工仿真技術(shù)也是數(shù)控編程技術(shù)的重要組成部分，一般在CAD/CAM軟件程序編輯完成后檢驗(yàn)生成的NC程序的正確性與安全性，同時(shí)可以按照一定的原則對(duì)NC程序進(jìn)行特定加工和優(yōu)化性編輯，確保加工效果與預(yù)期完全對(duì)應(yīng)。仿真軟件還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)CAD/CAM軟件編輯中存在的問題，并返回CAD/CAM軟件編輯界面進(jìn)行修改，避免了干涉、碰撞以及過切等情況的發(fā)生，可有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)切割技術(shù)中的試切環(huán)節(jié)，節(jié)省了大量的原材料，縮短了切割工作的周期，最大限度的提升了工作效率。目前國(guó)際上普遍使用的加工仿真系統(tǒng)軟件主要有VERICUT、Swansoft CNC Simulator以及CIMCOEdit等，共同構(gòu)成了仿真系統(tǒng)大家族。

4 后處理技術(shù)

后處理技術(shù)也是數(shù)控編程技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，決定著能否生成用于控制機(jī)床工作的NC軟件。后處理過程就是指將控制刀具進(jìn)行切割的源文件轉(zhuǎn)化成數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別的數(shù)控代碼的過程。這一過程至關(guān)重要，關(guān)乎著數(shù)控加工工程能否順利進(jìn)行，因此，編程工程師一定要注重完善該技術(shù)。通常情況下CAD/CAM系統(tǒng)中都提供了預(yù)先編制好的后處理技術(shù)系統(tǒng)，可以將預(yù)先編程的軟件源文件轉(zhuǎn)化成為控制機(jī)床可以識(shí)別的NC數(shù)據(jù)代碼，同時(shí)提供了有一定智能識(shí)別功能的程序軟件，可以為用戶提供個(gè)性化的編制程序，同時(shí)該系統(tǒng)也可以智能識(shí)別機(jī)床刀具的型號(hào)、功能等，結(jié)合CAD/CAM軟件的后處理功能模塊自行編制出保證機(jī)床可以順利執(zhí)行的后處理程序。例如在UG軟件中提供了兩種后處理技術(shù)，即GPM后處理技術(shù)和UG/POST后處理技術(shù)。GPM后處理技術(shù)采用的是圖形后置處理器方式，處理過程是由系統(tǒng)首先生成機(jī)床數(shù)據(jù)文件，然后由GPM程序中的可執(zhí)行文件對(duì)相關(guān)刀具的源文件進(jìn)行數(shù)據(jù)代碼的轉(zhuǎn)換，從而為機(jī)床提供可識(shí)別的程序代碼；而UG/POST后處理技術(shù)中需要系統(tǒng)提供事件管理器文件和刀具定義文件，刀具定義文件可以由后置處理器程序生成，然后UG軟件可以對(duì)事件管理器文件和刀具定義文件提供的信息直接對(duì)刀具的切割路徑與切割尺寸等進(jìn)行直接處理，并運(yùn)用專用的軟件系統(tǒng)生成控制程序。另外用戶也可以根據(jù)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與功能綜合分析加工機(jī)床三個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)情況，在編程語(yǔ)言如Matlab或是VC++等自帶的后處理技術(shù)基礎(chǔ)之上將CASM程序生成的含有GOTO等指令的源文件轉(zhuǎn)化為機(jī)床可以識(shí)別的NC代碼文件，實(shí)現(xiàn)自定義性質(zhì)的數(shù)控機(jī)床部件加工。

5 數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展前景展望

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)以及數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控編程技術(shù)逐漸向高集成化、高智能化和高并行化的方向發(fā)展，并呈現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景，也為工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展提供了更加強(qiáng)勁的技術(shù)支撐。

5.1集成化

數(shù)控編程技術(shù)的集成化就是將編程系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)、加工過程控制系統(tǒng)以及后處理系統(tǒng)等功能系統(tǒng)集成在一個(gè)空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)的快速傳遞和空間的充分利用，最大限度的節(jié)省資源，提高產(chǎn)品加工的效率和質(zhì)量。運(yùn)用先進(jìn)的集成化技術(shù)將徹底改變傳統(tǒng)的編程系統(tǒng)體積龐大與能耗過高的問題，實(shí)現(xiàn)編程系統(tǒng)的微型化與便攜化，極大地減少了系統(tǒng)維護(hù)的成本。

5.2智能化

數(shù)控編程系統(tǒng)智能化建設(shè)的實(shí)現(xiàn)可以極大地將人力從數(shù)控工作中解放出來(lái)，降低由于人為操作失誤給機(jī)械加工帶來(lái)的損害，提升系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和高效性，為企業(yè)創(chuàng)造更加豐厚的利潤(rùn)。智能化從根本上來(lái)說就是將人類的判斷能力和專業(yè)知識(shí)融入到集成系統(tǒng)的建設(shè)過程中，由機(jī)器對(duì)一些簡(jiǎn)單的操作步驟進(jìn)行識(shí)別和控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的一體化發(fā)展。另外，智能化的實(shí)現(xiàn)需要系統(tǒng)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括專家系統(tǒng)、智能庫(kù)以及自學(xué)系統(tǒng)資源庫(kù)等，并應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)置的專業(yè)程序自動(dòng)完善相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)智能化由低級(jí)到高級(jí)的轉(zhuǎn)變。

5.3并行化

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展尤其是Internet網(wǎng)絡(luò)的普及與運(yùn)用，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)協(xié)同工作成為新時(shí)期數(shù)控編程工作中的常態(tài)，因此一款新產(chǎn)品的開發(fā)需要多部門的專家協(xié)同工作，并形成了一種新的工作模式——群組工作，這無(wú)疑大大縮短了產(chǎn)品研發(fā)的周期，利于控制系統(tǒng)的維護(hù)與編程代碼結(jié)構(gòu)的完善與修改。

6 案例研究

為了進(jìn)一步具體地介紹和探究數(shù)控編程系統(tǒng)的工作原理與注意事項(xiàng)，我們選取了有代表性的毛坯結(jié)構(gòu)運(yùn)用數(shù)控編程系統(tǒng)進(jìn)行切割加工，毛坯的長(zhǎng)寬高分別為298mm、298mm、210mm，下面就具體介紹數(shù)控加工過程。

6.1制作CAD模型

圖2為頭盔形狀的模具CAD模型，由于CAD模型中具有三種不同外部形狀的部件構(gòu)成，所以將整個(gè)切割過程分為三個(gè)區(qū)域進(jìn)行，區(qū)域1為陡峭區(qū)域，區(qū)域2為平坦區(qū)域，區(qū)域3為過渡區(qū)域，如圖2所示：

圖2 頭盔模具CAD模型

6.2加工策略的選取

整個(gè)加工過程不是一蹴而就的，需要多種加工工藝的協(xié)同工作，具體來(lái)說，分為粗加工、半精加工、分區(qū)加工以及清根加工等四種加工工藝技術(shù)。粗加工通常使用D30R3圓鼻刀型腔銑勾勒出半圓形的頭盔輪廓，在特定的位置如區(qū)域1和區(qū)域3處預(yù)留出進(jìn)一步加工的空間；半精加工均采用型腔銑，并結(jié)合IPW功能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部位的打磨，一般進(jìn)行兩次，分別使用D20R2及D15R2兩種型號(hào)的圓鼻刀；對(duì)三個(gè)主要部位的加工需分別采用等高輪廓銑、固定軸曲面區(qū)域銑以及固定軸曲面區(qū)域銑等，使用的工具則分別是D10R2圓鼻刀、D10R5和D10R5球刀；最后分別使用D5R2.5和D2R1球刀進(jìn)行兩次清根加工，使用刀具的參考直徑分別為10mm和5mm。整個(gè)加過程的磨具效果示意圖如圖3所示：

（a） （b）

（c） （d）

圖3 a、b、c、d分別為粗加工后、半精加工后、精加工區(qū)域以及清根加工后的磨具效果圖

6.3數(shù)控加工的仿真與優(yōu)化

一般情況下仿真系統(tǒng)的仿真主要分為CLS仿真以及G代碼仿真兩種形式。圖4為在CLS仿真模式下粗加工與半精加工的模具加工過程示意圖：

圖4 CLS仿真模式下粗加工與半精加工的磨具加工效果圖

圖5為G代碼仿真模式下機(jī)床仿真視圖與局部視圖：

（a）機(jī)床加工系統(tǒng) （b）局部視圖

圖5 G代碼仿真模式下磨具加工示意圖

本示例中采用恒定體積去除率優(yōu)化與恒定切削厚度優(yōu)兩種優(yōu)化方式對(duì)整個(gè)加工過程進(jìn)行優(yōu)化，其中粗加工與半粗加工采用第一種優(yōu)化方式，而區(qū)域精加工與清根加工采用的是第二種優(yōu)化方式，優(yōu)化前總加工時(shí)間為296.19min，優(yōu)化后總加工時(shí)常為228.05min，節(jié)省了大約23%的時(shí)間，大大提升了工作效率，并可有效地避免了沖擊載荷，延長(zhǎng)了刀具的使用壽命，有助于加工質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

7 結(jié)語(yǔ)

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)控編程加技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)體系中占有舉足輕重的地位，是保證加工質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)的巨大發(fā)展的前提和保障。因此我們必須堅(jiān)定不移的大力發(fā)展數(shù)控編程技術(shù)，促進(jìn)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域、機(jī)械加工領(lǐng)域以及機(jī)械控制領(lǐng)域的深化合作，為企業(yè)謀取更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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