數(shù)控技術(shù)課程中復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件數(shù)控編程教學(xué)改革與實(shí)踐

張耀滿 王振起

[摘 要] 在“機(jī)床數(shù)控技術(shù)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，需要讓學(xué)生掌握各種數(shù)控編程的方法，并了解各種編程方法的特點(diǎn)，以利于學(xué)生在實(shí)際中靈活應(yīng)用。該文以復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件為研究對(duì)象，分別采用手工編程和計(jì)算機(jī)輔助編程方法實(shí)現(xiàn)了其數(shù)控加工程序的編制，并對(duì)比分析了手工編程和計(jì)算機(jī)輔助編程的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，分析確定了手工編程和計(jì)算機(jī)輔助編程的應(yīng)用場(chǎng)合和實(shí)現(xiàn)方法。

[關(guān)鍵詞] 手工編程;計(jì)算機(jī)輔助編程;后置處理;仿真加工

[作者簡(jiǎn)介] 張耀滿（1972—），男，遼寧遼中人，博士，東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院副教授，主要從事自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)床數(shù)控技術(shù)教學(xué)

與研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）23-0220-03? ? [收稿日期] 2019-11-25

一、教學(xué)改革與實(shí)踐概述

在機(jī)械加工領(lǐng)域，數(shù)控加工設(shè)備的占有率越來(lái)越高，對(duì)設(shè)備操作使用人員的要求也越來(lái)越高。數(shù)控機(jī)床的工作原理、基本操作和數(shù)控編程的基本知識(shí)可以通過(guò)“機(jī)床數(shù)控技術(shù)”的課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)得以很好的學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的重要載體，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，對(duì)于提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平具有重要意義。

在“機(jī)床數(shù)控技術(shù)”的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，有必要加強(qiáng)學(xué)生操作使用數(shù)控機(jī)床的能力、數(shù)控編程的能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力?！皺C(jī)床數(shù)控技術(shù)”課程是一門(mén)對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力基礎(chǔ)要求很強(qiáng)的課程，在課程教學(xué)過(guò)程中需要采用理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方法來(lái)完成。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在幫助學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)和理解客觀世界的運(yùn)動(dòng)、掌握一定的實(shí)驗(yàn)知識(shí)和能力、提高創(chuàng)造性和綜合性動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)術(shù)素養(yǎng)和實(shí)踐素養(yǎng)中，具有重要意義。“機(jī)床數(shù)控技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)需要熟悉各種常見(jiàn)類(lèi)型數(shù)控機(jī)床及其典型功能部件的結(jié)構(gòu)和工作原理、數(shù)控機(jī)床的基本操作、數(shù)控加工程序編制等內(nèi)容。

目前隨著數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用普及，“機(jī)床數(shù)控技術(shù)”已經(jīng)逐漸成為機(jī)械工程及其相關(guān)專業(yè)的必選的通識(shí)選修課程，選擇該課程的學(xué)生逐年增加，這就對(duì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的開(kāi)展提出了更高的要求。為了更好地完成課程規(guī)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，需要建設(shè)一個(gè)種類(lèi)齊全的數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。目前學(xué)院通過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，已經(jīng)配置了很多類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床，這些設(shè)備在“機(jī)床數(shù)控技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用?！皺C(jī)床數(shù)控技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法有理論性比較強(qiáng)的特點(diǎn)，因?yàn)閿?shù)控技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課程需要有很多概念和知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，內(nèi)容比較綜合，并且比較復(fù)雜。

本文以復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件的數(shù)控編程和實(shí)現(xiàn)過(guò)程為研究重點(diǎn)，分別采用手工編程和計(jì)算機(jī)輔助編程方法實(shí)現(xiàn)了零件數(shù)控加工程序的編制，分析各種編程方法的特點(diǎn)和主要應(yīng)用場(chǎng)合，并確定課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和主要方向，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生對(duì)數(shù)控編程基本概念、數(shù)控編程和機(jī)床的操作的深入理解，提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

二、回轉(zhuǎn)體零件手工編程

用于回轉(zhuǎn)體零件的數(shù)控編程方法，根據(jù)零件復(fù)雜程度的不同，分別采用手工編程方法和計(jì)算機(jī)輔助編程方法。前者指編制零件數(shù)控加工程序的各步驟均由人工來(lái)完成，主要用于點(diǎn)位加工或幾何形狀不太復(fù)雜的零件數(shù)控編程問(wèn)題。后者指除了分析零件圖樣和制定工藝方案由人工進(jìn)行外，其余工作均由計(jì)算機(jī)輔助完成。計(jì)算機(jī)輔助編程主要包括刀位軌跡的生成和后置處理兩部分。對(duì)于圖形交互式自動(dòng)編程，刀位軌跡的生成是在計(jì)算機(jī)上利用三維圖形技術(shù)對(duì)生成零件加工的刀位數(shù)據(jù)文件，并可以使用軟件自帶的仿真加工軟件快速、有效地對(duì)數(shù)控程序的正確性進(jìn)行較準(zhǔn)確的評(píng)估，并可根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)數(shù)控程序迅速地進(jìn)行修改。后置處理主要功能是將刀具位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成具體所使用的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)可以運(yùn)行的數(shù)控加工程序。

本文所編制數(shù)控加工程序用于HTC1635i數(shù)控車(chē)床，該機(jī)床使用FUNAC 0i-T數(shù)控系統(tǒng)，配置RS232、USB和CF接口用于數(shù)據(jù)和數(shù)控加工程序的傳輸，機(jī)床外形及其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文以某較為復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件為研究對(duì)象，該零件主要尺寸如圖2所示。分別采用手工編程和計(jì)算機(jī)輔助編程的方法實(shí)現(xiàn)了該零件數(shù)控加工程序的編制，進(jìn)而研究不同編程方法適應(yīng)的零件類(lèi)型。

手工編程主要包括采用單一指令和復(fù)合循環(huán)指令編程。單一指令編程主要指采用G00、G01、G02和G03等指令進(jìn)行編程，單一指令簡(jiǎn)單好學(xué)，有助于編程人員更好地理解刀具在加工過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡。但使用單一指令編程時(shí)每一個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行都要寫(xiě)一個(gè)程序段，程序編制起來(lái)很煩瑣。復(fù)合循環(huán)指令編程主要指采用G70、G71、G73和G76等指令編程，在復(fù)合循環(huán)指令中只需設(shè)定每次的切削深度、退刀量、精加工余量、程序段號(hào)等參數(shù)以及最終走刀軌跡和重復(fù)次數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)便根據(jù)循環(huán)指令的走刀路線自動(dòng)進(jìn)行重復(fù)切削直到加工完為止，復(fù)合循環(huán)指令執(zhí)行的走刀路線都是規(guī)定好的動(dòng)作，靈活性差。

手工編程前需要進(jìn)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(shù)確定等。選取直徑為？準(zhǔn)78mm，長(zhǎng)度為150mm的圓柱體作為零件加工毛坯;目前車(chē)床已安裝了4把車(chē)刀，分別為1號(hào)刀-外圓車(chē)刀、3號(hào)刀-刃寬2mm的切槽刀、5號(hào)刀-60°螺紋刀和7號(hào)刀-端面車(chē)刀。零件安裝和加工過(guò)程如下：首先將零件采用液壓三爪卡盤(pán)安裝定位;設(shè)置加工過(guò)程中所使用刀具的刀具偏置;采用工件坐標(biāo)系預(yù)置寄存的方式，建立工件加工坐標(biāo)系;考慮到毛坯的形狀，采用G73循環(huán)加工指令實(shí)現(xiàn)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(huán)指令完成螺紋部分?jǐn)?shù)控加工程序的編制。根據(jù)加工步驟和數(shù)值計(jì)算，綜合考慮切削三要素，編寫(xiě)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(zhuǎn)體零件計(jì)算機(jī)輔助編程

計(jì)算機(jī)輔助編程就是在計(jì)算機(jī)上使用一些CAD/CAM軟件實(shí)現(xiàn)零件加工軌跡和程序編制的過(guò)程。隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，越來(lái)越多形狀復(fù)雜的零件隨處可見(jiàn)，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(shù)學(xué)表達(dá)式，顯然手工編程已經(jīng)適應(yīng)不了生產(chǎn)的需求，而采用計(jì)算機(jī)輔助編程軟件可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件數(shù)控加工程序的編制。目前，能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助編程的軟件有UG，PRO/E，Mastercam等。充分利用計(jì)算機(jī)輔助編程軟件，不僅可以減少大量計(jì)算量，實(shí)時(shí)觀測(cè)刀具軌跡，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修改，提高生產(chǎn)效率，縮短了編程時(shí)間，還能在教學(xué)過(guò)程中，充分展現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)在復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件數(shù)控編程教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用，使學(xué)生深入了解零件從建模、仿真加工到程序編制、機(jī)床加工整個(gè)過(guò)程，提高他們的創(chuàng)造性和實(shí)踐能力。

進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助編程前也需要工藝分析，同手工編程。實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助編程，需要經(jīng)過(guò)三維建模、加工過(guò)程仿真和后處理三部分。首先根據(jù)圖紙采用CAD/CAM軟件建立零件三維模型;然后在應(yīng)用模塊中選擇車(chē)削加工進(jìn)入加工環(huán)境，創(chuàng)建幾何體：創(chuàng)建機(jī)床坐標(biāo)系、部件幾何體、車(chē)削工件和避讓幾何體;根據(jù)實(shí)際使用的刀具，在CAM系統(tǒng)中創(chuàng)建外圓車(chē)刀、外溝槽車(chē)刀、外螺紋車(chē)刀;之后按照指定的零件加工工藝創(chuàng)建程序，創(chuàng)建外徑粗車(chē)操作：創(chuàng)建工序→切削區(qū)域設(shè)置→刀軌設(shè)置參數(shù)設(shè)定→生成刀路軌跡并3D仿真。對(duì)于我們要進(jìn)行數(shù)控編程的零件所生成的粗車(chē)、精車(chē)加工軌跡如圖3所示。

CAM軟件數(shù)控編程能力強(qiáng)大，但使用默認(rèn)的FUNUC后處理文件，生成的程序不規(guī)范也不正確;需要構(gòu)建適合我們所采用的FUNAC 0i-T數(shù)控系統(tǒng)的專用后處理器文件。通過(guò)修改CAM后處理構(gòu)造器模塊參數(shù)，生成后處理配置文件，通過(guò)新生成的后處理文件生成的數(shù)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(jīng)過(guò)后處理構(gòu)造器修改過(guò)的后處理文件，生成經(jīng)過(guò)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(zhuǎn)體零件數(shù)控編程結(jié)果分析

對(duì)如圖2所示的回轉(zhuǎn)體零件，分別采用手工編程和計(jì)算機(jī)輔助編程的方法實(shí)現(xiàn)了零件的數(shù)控編程。當(dāng)零件的精加工軌跡比較簡(jiǎn)單的情況下，采用手工編程中的固定循環(huán)編程可以達(dá)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(fù)雜，采用手工編程方法就很難實(shí)現(xiàn)類(lèi)似零件的數(shù)控編程。采用計(jì)算機(jī)輔助編程方法實(shí)現(xiàn)如上零件的數(shù)控編程，所生成的代碼達(dá)到299行，對(duì)于所選擇的零件更適合采用手工編程的方法來(lái)進(jìn)行數(shù)控編程。

如果編制零件形狀更復(fù)雜形狀的數(shù)控加工程序，采用計(jì)算機(jī)輔助編程方法的優(yōu)勢(shì)明顯，零件計(jì)算機(jī)輔助編程的難度不受零件復(fù)雜程度的影響。采用計(jì)算機(jī)輔助編程方法，計(jì)算機(jī)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(jù)實(shí)際需求選擇合適的走刀形式。雖然所生成的程序比較復(fù)雜，但計(jì)算機(jī)輔助編程系統(tǒng)都配有相應(yīng)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(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，采用計(jì)算機(jī)輔助編程的編程周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于手工編程。手工編程時(shí)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(duì)零件已加工面產(chǎn)生干涉等問(wèn)題。當(dāng)零件比較復(fù)雜時(shí)，是否過(guò)切削和干涉在零件試切時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，需要識(shí)別錯(cuò)誤程序重新編輯，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。計(jì)算機(jī)輔助編程使用計(jì)算機(jī)輔助編程人員完成大部分工作，編程人員可及時(shí)檢查程序的正確性，大大縮減編程時(shí)間，解決了手工編程無(wú)法解決的許多復(fù)雜零件的編程難題。

綜上所述，手工編程和計(jì)算機(jī)輔助編程各有利弊，針對(duì)復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件，為了縮短開(kāi)發(fā)周期，提高效率，降低成本，優(yōu)先推薦計(jì)算機(jī)輔助編程。

五、結(jié)語(yǔ)

目前在“機(jī)床數(shù)控技術(shù)的課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，以講解和實(shí)踐采用手工編程方法為主，進(jìn)而讓學(xué)生理解數(shù)控機(jī)床的基本概念和工作原理、實(shí)際操作過(guò)程?？紤]到在實(shí)際的生產(chǎn)加工過(guò)程中所用到的數(shù)控編程方法的實(shí)際，需要對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)進(jìn)行必要的調(diào)整。在手工編程的講解過(guò)程中，增加固定循環(huán)和復(fù)合循環(huán)指令的講解。固定循環(huán)指令和復(fù)合循環(huán)指令是手工編程指令中最接近自動(dòng)編程的編程思想的指令。

某些數(shù)控系統(tǒng)提供了類(lèi)似于自動(dòng)編程思想的編程工具，如西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)提供的Shop Mill和Shop Lathe等，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也可以加強(qiáng)該方面的講解和學(xué)習(xí)。在課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，增加數(shù)控自動(dòng)編程及其相關(guān)內(nèi)容的講解和學(xué)習(xí)。使學(xué)生掌握影響數(shù)控自動(dòng)編程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，為學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，適應(yīng)新時(shí)代和新工科對(duì)數(shù)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